ВСТУП В ФІЗИКУ БЕЛКА
Олексій Віталійович Фінкельштейн
Основні функції білків. Амінокислотна послідовність визначає просторову структуру, просторова структура - функцію. Зворотне - невірно. Глобулярні, фібрилярні і мембранні білки. Первинна, вторинна, третинна, четвертинна структура білка. Біосинтез білка; згортання білка in vivo і in vitro. Пост-трансляційні модифікації.
ЕЛЕМЕНТАРНІ Взаємодія в білках і НАВКОЛО
Стереохімія L-амінокислотних залишків. Валентні зв'язки і кути між ними. Їх коливання. Обертання навколо валентних зв'язків. Пептидная група. Транс- і цис-проліну.
Вандерваальсова взаємодія: тяжіння на великих відстанях, відштовхування на малих. Дозволені конформації амінокислотного залишку (карти Рамачандран для гліцину, аланіну, валіну, проліну).
Вплив водного оточення. Водневі зв'язки. Їх електрична природа. Їх енергія. Їх геометрія в кристалах. Розпущеність водневих зв'язків у воді. Поняття про ентропію і вільної енергії. Водневі зв'язки в білкової ланцюга заміщають такі ж зв'язку цього ланцюга з водою; в результаті водневі зв'язку в білкової ланцюга набувають - у водному оточенні - ентропійних природу.
Елементи термодинаміки. Вільна енергія і хімічний потенціал. Гідрофобні взаємодії. Їх зв'язок з необхідністю насичення водневих зв'язків у воді. Доступна воді неполярная поверхню амінокислот і їх гідрофобність.
Вплив водного оточення на електростатичні взаємодії. Електричне поле біля поверхні і всередині білка. Діелектрична проникність. Екранування зарядів в сольових розчинах. Вимірювання електричних полів в білках за допомогою білкової інженерії. Дисульфідні зв'язки. Координаційні зв'язку.
ВТОРИННІ СТРУКТУРИ поліпептидних ланцюгів
Вторинна структура поліпептидів. Спіралі: 27. 310. , , poly (Pro) II. Антипаралельними і паралельна -структура. -вигини. Методи експериментального виявлення вторинної структури.
Елементи статистичної фізики. Зв'язок температури зі зміною енергії та ентропії. Ймовірності станів з різною енергією (розподіл Больцмана-Гіббса). Статистична сума і її зв'язок з вільною енергією. Конформаційні перетворення. Поняття про фазовий перехід першого роду (переході "все-або-нічого") й щодо не-фазових переходах. Кінетика подолання вільно-енергетичного бар'єру при конформаційних перетвореннях. Поняття про теорію абсолютних швидкостей реакцій.
Вільна енергія ініціації і елонгації -спіралі. Теорема Ландау і не-фазовість переходу спіраль-клубок. Розмір кооперативного ділянки при переході спіраль-клубок. Стабільність -спіралі в воді. Стабільність -структури в воді. Швидкість освіти -структури і -спіралі. Що таке "клубок"?
Властивості бічних груп амінокислотних залишків. Включення амінокислотних залишків у вторинну структуру. Аланін, гліцин, пролін, валін. Неполярні, короткі полярні і довгі полярні бічні групи. Заряджені бічні групи. Гідрофобні поверхні на вторинних структурах в білках.
Просторова будова БІЛКІВ
Фібрилярні білки, їх функції та їх періодичні первинні і вторинні структури; -кератин, -фиброин шовку, колаген. Упаковка довгих -спіралей і великих -листів.
Мембранні білки, особливості їх будови і функції. Бактеріородопсин, фотосинтетичний центр, порінов. Селективна проникність мембранних пор. Поняття про тунельному ефекті.
Глобулярні білки. Спрощене уявлення структур білкових глобул; структурні класи. Будова -білків: -шари, їх поздовжня і перпендикулярна упаковка. Переважна антипаралельність -структури в -білках. Правопропеллерная скрученность -листів. Топологія -білків.
Будова -білків. Пучки і шари спіралей. Модель квазісферіческой глобули з -спіралей. Щільна упаковка при контакті -спіралей. Будова / -білків: паралельний -шар, прикритий -спіралями, і / -циліндр. Топологія -- субодиниць. Будова + білків. Відсутність прямого зв'язку архітектури білка з його функцією.
Фізичні принципи будови білкової глобули. "Стандартні" третинні структури. Основні закономірності, які спостерігаються в структурах білкових глобул: наявність окремо - і окремо -шарів; рідкість перекривання петель; рідкість паралельності сусідніх по ланцюгу структурних сегментів; рідкість лівих -- суперспіраль. Статистика дрібних деталей білкових структур. Типовість "квазіслучайном" чергування амінокислот у первинних структурах глобулярних білків. Вплив стабільності структурного елементу на строгість відбору первинних структур, які не руйнують просторову структуру глобулярного білка, або: чому одні білкові структури зустрічаються часто, а інші - рідко?
КООПЕРАТИВНІ ПЕРЕХОДИ В БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛАХ
Кооперативні переходи. Оборотність денатурації білків. Критерій Вант-Гоффа для переходу "все-або-нічого". Теплова і холодова денатурація. Як виглядає денатурований білок? Клубок і розплавлена кулька. Відсутність фазового переходу типу "все-або-нічого" при набуханні "звичайних" полімерних глобул. Чому денатурація глобулярного білка - перехід типу "все-або-нічого"? Розпад щільної упаковки ядра білка і розкріпачення бічних груп. Проникнення розчинника в денатурований білок, руйнування розплавленої глобули. Діаграма фазових станів білкової молекули. Енергетична щілина між нативной укладанням білкового ланцюга і іншими її глобулярними укладаннями: основне фізичне відміну білкової ланцюга від випадкового сополимера.
Самоорганізація білків in vivo. Для чого потрібні шаперони? Самоорганізація білка in vitro. "Парадокс Левинталя". Пошук метастабільних (накопичуються) интермедиатов згортання білків. Розплавлена кулька - звичайний интермедиат згортання. Згортання деяких білків обходиться без будь-яких метастабільних интермедиатов. Пошук і вивчення нестабільних перех дних станів в згортанні білка. Нуклеаціонний механізм згортання. Експериментальні підходи до визначення ядер згортання білків.
Рішення "парадокса Левинталя": до стабільної структурі ланцюга автоматично веде мережу швидких шляхів згортання. Для цього необхідно лише, щоб між нативной укладанням ланцюга та іншими її глобулярними укладаннями існувала б помітна енергетична щілину. Обговорення аномально повільного утворення стабільної структури в деяких білках (серпіни, пріони).
ПЕРЕДБАЧЕННЯ І ДИЗАЙН БІЛКОВИХ СТРУКТУР
Подання про підходи до передбачення вторинних і просторових структур білків по їх амінокислотним послідовностям. "Розпізнавання" білкових структур по гомології послідовностей. Виділення стабільних структур білкової ланцюга. "Шаблони" білкових структур.
Білкова інженерія та дизайн.
Функція білка і його структура. ДНК-зв'язуючі білки. Іммуноглобіна. Ферменти. Активний центр - "дефект" глобулярної структури. Каталітичний і субстрат-зв'язуючий центри. Інгібування. Кофактори. Многовалентние іони. Механізм ферментативного каталізу. Приклад: серинові протеази. Теорія перех дного стану в каталізі і її підтвердження методами білкової інженерії. Впізнавання "ключ-замок". "Подвійне сито" підвищує специфічність. Індуковане відповідність. Доменна структура: кінази, дегідрогенази. Аллостерія - взаємодія активних центрів. Гемоглобін і міоглобін.
Контрольні питання
і
висновок
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
(Яка послужила також джерелом багатьох ілюстрацій до цих лекцій)
Додано при редагуванні електронного курсу лекцій:
Я уникав посилань в тексті для полегшення його читання, однак посилання на оригінальні роботи і огляди дані в підписах до рисунків і таблиць.
Присвячую світлій пам'яті мого діда, біолога,
професора Е.А. Фінкельштейна, комісара
тифозних бараків 20-го року, незломленої
"Вейсманістів- морганістів" 48-го.
ПЕРЕДМОВА
Пропоновані вашій увазі лекції присвячені фізиці білка, тобто самим загальним проблемам структури, самоорганізації і функціонування білкових молекул.
Оскільки те, що Ви бачите перед собою - запис курсу лекцій, а не монографія і не підручник, тут неминучі повтори (і, зокрема, - повтори малюнків). Адже в реальних лекціях неможливі відсилання типу "дивись малюнок 2 і формулу 3 в перед- попередньої лекції"; однак я доклав усіх зусиль до того, щоб такі повтори були мінімальні.
По ходу курсу я не втрачу можливості викласти ті фізичні ідеї і, зокрема, ті елементи статистичної фізики і квантової механіки, які, з моєї точки зору, абсолютно необхідні для розуміння будови і функціонування білків, - і які "нормальний" студент-біолог або міцно забув до четвертого курсу, або не знав ніколи.
А ось з моря інформації про функції білків я витягну тільки те, що абсолютно необхідно для ілюстрації ролі, що грається просторовими структурами білків в їх біологічної - точніше, біохімічної - діяльності.
Ці лекції, безумовно, відображають мої особисті смаки й уподобання.
У них багато теорії і фізичних проблем - і лише необхідний мінімум експериментальних фактів (і майже немає експериментальної техніки). Тому вони ніяк не замінюють звичайні біофізичні і біохімічні "білкові" курси і не повинні використовуватися як довідник. Говорячи про конкретні білках, я даю лише найважливіші (чи треба говорити - з моєї точки зору!) Приклади; таблиці включають лише абсолютно необхідні дані; малюнки - навмисно схематичні; всі цифри - округлені, і т.д.
Крім того, я не втрачу можливості відзначити те, що зробили з фізики білка ми - в Інституті білка РАН. Це, звичайно, посилить "особистий елемент" лекцій - і, я думаю, трохи пожвавить їх.
Я приношу свою глибоку вдячність О.Б.Птіціну, який розробив курс лекцій з фізики білків і читав його на московському фізтеху: його конспекти лежать в основі багатьох лекцій пропонованого вашій увазі Курсу.
Я дуже вдячний О.Б.Птіціну, А.С.Четверіну, Ю.В.Мітіна, Г.І.Гітельзону, Д.С.Рикунову, А.В.Скугареву і Д.І.Іванкову за читання рукописи і численні корисні зауваження, а також Г.А.Морозову, Д.С.Рикунову, А.В.Скугареву, Д.І.Іванкову, М.Ю.Лобанову, Н.Ю.Марченко, А.Е.Жумаеву і А.А. Фінкельштейну за допомогу в оформленні малюнків і тексту лекцій.
Я вдячний А.А.Шуміліну, М.Г.Дашкевічу і Г.І.Гітельзону за допомогу в оформленні комп'ютерного видання цих лекцій і, нарешті, - last but not least - Російському Фонду Фундаментальних досліджень і Програмі "Інтеграція" за фінансову підтримку їх комп'ютерного видання, а також Медичному Інституту Говарда Хьюза, який підтримав мою роботу наданням мені Міжнародного дослідницького наукового гранту.