АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

Лекция № 4. Механизмы функционирования белков

На прошлой лекции мы рассмотрели взаимодействия, определяющие пространственную структуру белковой молекулы. Однако не все группы белка, способные вступать в такие взаимодействия, могут найти себе партнера в пределах белковой молекулы. В водных растворах эти группы обычно вступают во взаимодействия с молекулами растворителя, а заряженные группы – с растворенными в воде ионами солей. В живой клетке белковые молекулы часто образуют слабые связи с молекулами других органических веществ, в том числе и белков.

Поскольку в молекуле белка много групп, способных вступать в нековалентные взаимодействия, такая молекула может связаться с большим числом других молекул или образовать многочисленные связи с одной из молекул. Если количество взаимодействующих групп у двух таких молекул невелико, образуются непрочные комплексы, которые могут легко разрушаться, например, под действием теплового движения молекул. Если же между молекулой белка и другой молекулой образуется достаточно большое число водородных связей и много участков связано электростатическими, вандерваальсовыми и гидрофобными взаимодействиями, то начинает сказываться кооперативный эффект, т.е. прочность комплекса становится намного больше, чем следует из простого суммирования энергии образовавшихся связей.

Это возможно в том случае, если во взаимодействующих молекулах реагирующие группы расположены строго определенным образом: против отрицательно заряженных групп одной молекулы находятся положительно заряженные группы другой и наоборот, группы, образующие водородные связи, сближены и правильно ориентированы, гидрофобные участки обеих молекул находятся друг против друга. Можно сказать, что поверхности взаимодействующих молекул имеют комплементарную структуру. Такие пары молекула белка может образовать лишь с молекулами строго определенных веществ, а это значит, что взаимодействия молекулы белка с другими веществами строго специфичны и определяются его пространственной структурой.

Белок может образовывать комплексы с высокомолекулярными соединениями и формировать надмолекулярные комплексы, являющиеся основой различных клеточных и межклеточных структур. Примерами таких структур являются, например, рибосомы и микротрубочки. Первые представляют собой комплекс специфических рибосомных белков и РНК, а вторые – комплекс многочисленных молекул белка тубулина, плотно примыкающих друг к другу и расположенных по спирали, при этом сами молекулы тубулина являются глобулярными.

Рис. 1

За счет взаимодействия между белковыми молекулами образуются волокна таких белков, как актин и коллаген (рис. 1). За счет менее специфичных, но многочисленных гидрофобных взаимодействий происходит связывание белков с мембранами. Несколько десятков молекул белков, образующих разветвленный комплекс с многочисленными молекулами кислых полисахаридов трех разных видов, являются структурной основой прочности хрящевой ткани животных.

Таких примеров можно приводить очень много. Для нас важно, что за счет образования прочных специфических комплексов с различными полимерами белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию живых систем. Устойчивость таких структур обусловлена прочностью образующих их комплексов, а прочность комплексов, в свою очередь, – специфическим многоцентровым связыванием их компонентов.

Надо сказать, что образование таких специфических прочных комплексов характерно не только для белков. Например, за счет образования большого числа водородных связей расположенные параллельно молекулы целлюлозы образуют прочные пучки – мицеллы, являющиеся основой клеточной стенки растений. К образованию прочных комплексов способны и некоторые другие полисахариды. Однако для белков характерно гораздо большее многообразие формируемых структур, что является основой клеточной, тканевой и видовой специфичности.

Узнавание белками, расположенными на поверхности клетки, специфических белковых или небелковых компонентов, расположенных на поверхностях других клеток, является основой межклеточного узнавания, приводящего к образованию тканей и органов и лежащего в основе тканевой дифференцировки и развития многоклеточных организмов.

Однако белковые молекулы могут взаимодействовать не только с высокомолекулярными соединениями. Небольшие органические молекулы могут связываться с белковой молекулой с достаточно высокой специфичностью, но такие комплексы менее прочны, т.к. число образующихся слабых взаимодействий намного меньше, чем в случае макромолекул (рис. 2).

Рис. 2

При связывании с белками малые молекулы могут деформироваться. Это ослабляет химические связи и облегчает их разрыв и образование новых связей. Кроме того, белок может связывать две и более малые молекулы, сближать их и определенным образом ориентировать друг относительно друга. Это облегчает реакции между связанными молекулами и приводит к их значительному ускорению. Такие белки являются эффективными катализаторами и называются ферментами.

Ферменты – наиболее многочисленная группа белков. Все реакции, протекающие в живых организмах, катализируются ферментами, которых в настоящее время известно несколько тысяч. Даже такие простые организмы, как бактерии, содержат более 2 тыс. различных ферментов. Набор ферментов, имеющийся у данного организма, определяет его биосинтетические возможности. Без участия ферментов биохимические реакции шли бы с ничтожными скоростями, и продукты реакции не могли бы образовываться в нужных количествах.

Ферменты отличаются высокой эффективностью, они ускоряют реакции в миллионы и миллиарды раз. Кроме того, для ферментов характерна высокая специфичность. Как правило, один фермент ускоряет превращение одного определенного вещества в другое, строго определенное, вещество. Благодаря этому в клетке не образуется побочных продуктов реакций, что характерно для большинства химических реакций.

Для многих ферментов характерна регуляция их активности различными факторами, например определенными веществами. Это позволяет клетке не образовывать избыточные количества веществ. Если количество какого-либо вещества превышает необходимый клетке уровень, активность ферментов, участвующих в его синтезе, подавляется, а когда содержание этого вещества в клетке снижается, активность ферментов вновь восстанавливается.

Еще одним свойством многих ферментов является способность сопрягать две химические реакции. При этом одна реакция идет с выделением энергии, а другая – с поглощением. Сопряжение реакций позволяет осуществить вторую реакцию за счет энергии, выделяющейся при протекании первой так, что суммарный процесс остается энергетически выгодным. С помощью таких ферментов живые организмы осуществляют большинство реакций синтеза сложных молекул, в частности полимеров.

При связывании малых молекул с белками может изменяться не только конформация малых молекул, но и конформация белковой молекулы. В некоторых случаях конформационные изменения белка могут быть очень заметными, и он приобретает новые свойства, например может связываться с молекулами других белков и нуклеиновых кислот. Такие белки при появлении определенных веществ вызывают изменения активности ферментов или работы генов – так клетки реагируют на химические сигналы.

Белки, изменяющие свои свойства при связывании гормонов, называются рецепторами. Они расположены обычно на наружной стороне клеточной мембраны и передают сигнал внутрь клетки. Кроме гормонов сигналами могут быть питательные вещества, молекулы, концентрация которых связана с общим состоянием клетки, например АТФ и т.п. Белки, связавшись с сигнальными молекулами, могут приобрести сродство к определенным последовательностям нуклеотидов в ДНК. Такие белки являются репрессорами или активаторами генов.

Изменение конформации белка при связывании низкомолекулярных веществ обычно обратимо, но в некоторых случаях переход белка из одного состояние в другое связан с изменением низкомолекулярного вещества. Чаще всего таким веществом является АТФ. Одна конформация белка переходит в другую после того, как происходит гидролиз АТФ и белок оказывается связанным с АДФ. Дальнейшая диссоциация АДФ и связывание новой молекулы АТФ возвращает белок в исходное состояние.

На таком принципе основана работа двух групп белков. Первая – транспортные АТФазы. Эти белки встроены в мембраны. Они связывают молекулы или ионы с одной стороны мембраны и за счет гидролиза АТФ переносят их на другую сторону. Таким образом в клетку поступают необходимые ей вещества и ненужные – выводятся из клетки. Такой процесс называется активным транспортом. Перенос веществ происходит также между цитоплазмой и клеточными органеллами. В результате каждая часть клетки имеет свой специфический состав и осуществляет свойственные ей процессы. Вторая группа белков, изменяющих конформацию при гидролизе АТФ, – двигательные белки. Эти белки довольно многообразны, но в основе их действия лежат сходные процессы.

Два типа белков образуют два типа комплексов – с АТФ и с АДФ или без нуклеотида. Переход из одного состояния в другое осуществляется после гидролиза АТФ, а обратный переход – после диссоциации АДФ и присоединения АТФ. Сам переход вызывает изменение положения белков друг относительно друга, что и приводит к механическому движению.

Одним из типов двигательных белков являются «шагающие» белки. Такой белок имеет два участка связывания с протяженной белковой структурой, например с микротрубочкой. Один участок прочно связывается в присутствии АТФ, а другой в ее отсутствие. Если АТФ нет, белок прикреплен к микротрубочке вторым участком. Связывание АТФ приводит к тому, что с микротрубочкой связывается на некотором расстоянии и первый участок. Гидролиз АТФ приводит к изменению конформации белка и сближению участков связывания. При этом второй участок подтягивается к первому. Затем, после диссоциации АДФ, первый участок отделяется от микротрубочки, а после присоединения АТФ свяжется снова, но уже продвинувшись на определенное расстояние (рис. 3).

Другая группа двигательных систем состоит из двух белковых нитей, соединенных белком, связывающим и гидролизующим АТФ. В мышцах это волокна актина, связанные с миозином, в жгутиках и ресничках эукариот – пары микротрубочек, связанных белком динеином. Гидролиз АТФ приводит к изменению конформации миозина или динеина, в результате чего происходит сдвиг нитей друг относительно друга. Диссоциация АДФ и присоединение новой молекулы АТФ приводит к возвращению в исходное состояние. Таким образом эти системы осуществляют возвратно-поступательное движение, такое как мышечное сокращение или изгибание жгутика. В отличие от первого типа, сам белок, гидролизующий АТФ, при этом не перемещается.

Таким образом, за счет способности белков к многочисленным слабым взаимодействиям с определенными молекулами осуществляются все важнейшие процессы жизнедеятельности – образование специфических структур, создание необходимых веществ, передача сигналов и регуляция процессов, транспорт веществ и создание определенной внутренней среды, механическое передвижение.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. За счет каких взаимодействий молекула белка может связать молекулу глюкозы?
2. Какие группы молекулы белка могут участвовать в связывании молекула аланина?
3. Если фермент осуществляет соединение двух молеклу за счет энергии гидролиза АТФ, сколько участков связывания для малых молекул он должен иметь?
4. Какие полимерные молекулы могут образовывать комплексы с молекулами белков? Какие связи будут при этом образовываться?
5. Один и тот же гормон вызывает разный ответ в клетках различных тканей. Чем это может быть обусловлено?

Литература

1. Альбертс Б., Брей Д. и др. Молекулярная биология клетки. Гл. 3. – М.: Мир, 1986.
2. Ленинджер А. Биохимия. Гл. 9. – М.: Мир, 1985.