Алексей Витальевич Финкельштейн

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ БЕЛКА

КУРС ЛЕКЦИЙ
1999-2000 гг.

Предисловие

ВВЕДЕНИЕ

Лекция 1

Основные функции белков. Аминокислотная последовательность определяет пространственную структуру, пространственная структура — функцию. Обратное — неверно. Глобулярные, фибриллярные и мембранные белки. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка. Биосинтез белка; сворачивание белка in vivo и in vitro. Пост-трансляционные модификации.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БЕЛКАХ И ВОКРУГ

Лекция 2

Стереохимия L-аминокислотных остатков. Валентные связи и углы между ними. Их колебания. Вращение вокруг валентных связей. Пептидная группа. Транс- и цис-пролины.

Лекция 3

Вандерваальсово взаимодействие: притяжение на больших расстояниях, отталкивание на малых. Разрешенные конформации аминокислотного остатка (карты Рамачандрана для глицина, аланина, валина, пролина).

Лекция 4

Влияние водного окружения. Водородные связи. Их электрическая природа. Их энергия. Их геометрия в кристаллах. Разболтанность водородных связей в воде. Понятие об энтропии и свободной энергии. Водородные связи в белковой цепи замещают такие же связи этой цепи с водой; в результате водородные связи в белковой цепи приобретают — в водном окружении — энтропийную природу.

Лекция 5
(сдвоенная)

Элементы термодинамики. Свободная энергия и химический потенциал. Гидрофобные взаимодействия. Их связь с необходимостью насыщения водородных связей в воде. Доступная воде неполярная поверхность аминокислот и их гидрофобность.

Лекция 6
(сдвоенная)

Влияние водного окружения на электростатические взаимодействия. Электрическое поле у поверхности и внутри белка. Диэлектрическая проницаемость. Экранировка зарядов в солевых растворах. Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии. Дисульфидные связи. Координационные связи.

ВТОРИЧНЫЕ СТРУКТУРЫ ПОЛИПЕПТИДНЫХ ЦЕПЕЙ

Лекция 7

Вторичная структура полипептидов. Спирали: 2₇, 3₁₀, a, p, poly(Pro) II. Антипараллельная и параллельная b-структура. b-изгибы. Методы экспериментального обнаружения вторичной структуры.

Лекция 8
(сдвоенная)

Элементы статистической физики. Связь температуры с изменением энергии и энтропии. Вероятности состояний с различной энергией (распределение Больцмана-Гиббса). Статистическая сумма и ее связь со свободной энергией. Конформационные превращения. Понятие о фазовом переходе первого рода (переходе "все-или-ничего") и о не-фазовых переходах. Кинетика преодоления свободно-энергетического барьера при конформационных превращениях. Понятие о теории абсолютных скоростей реакций.

Лекция 9
(сдвоенная)

Свободная энергия инициации и элонгации a-спирали. Теорема Ландау и не-фазовость перехода спираль-клубок. Размер кооперативного участка при переходе спираль-клубок. Стабильность a-спирали в воде. Стабильность b-структуры в воде. Скорость образования b-структуры и a-спирали. Что такое "клубок"?

Лекция 10

Свойства боковых групп аминокислотных остатков. Включение аминокислотных остатков во вторичную структуру. Аланин, глицин, пролин, валин. Неполярные, короткие полярные и длинные полярные боковые группы. Заряженные боковые группы. Гидрофобные поверхности на вторичных структурах в белках.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ

Лекция 11

Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; a-кератин, b-фиброин шелка, коллаген. Упаковка длинных a-спиралей и обширных b-листов.

Лекция 12

Мембранные белки, особенности их строения и функции. Бактериородопсин, фотосинтетический центр, порин. Селективная проницаемость мембранных пор. Понятие о туннельном эффекте.

Лекция 13

Глобулярные белки. Упрощенное представление структур белковых глобул; структурные классы. Строение b-белков: b-слои, их продольная и перпендикулярная упаковка. Преимущественная антипараллельность b-структуры в b-белках. Правопропеллерная скрученность b-листов. Топология b-белков.

Лекция 14

Строение a-белков. Пучки и слои спиралей. Модель квазисферической глобулы из a-спиралей. Плотная упаковка при контакте a-спиралей. Строение a/b-белков: параллельный b-слой, прикрытый a-спиралями, и a/b-цилиндр. Топология b-a-b субъединиц. Строение a+b белков. Отсутствие прямой связи архитектуры белка с его функцией.

Лекция 15

Физические принципы строения белковой глобулы. "Стандартные" третичные структуры. Основные закономерности, наблюдаемые в структурах белковых глобул: наличие отдельно a- и отдельно b-слоев; редкость перекрывания петель; редкость параллельности соседних по цепи структурных сегментов; редкость левых b-a-b суперспиралей. Статистика мелких деталей белковых структур. Типичность "квазислучайного" чередования аминокислот в первичных структурах глобулярных белков. Влияние стабильности структурного элемента на строгость отбора первичных структур, не разрушающих пространственную структуру глобулярного белка, или: почему одни белковые структуры встречаются часто, а другие — редко?

КООПЕРАТИВНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛАХ

Лекция 16
(сдвоенная)

Кооперативные переходы. Обратимость денатурации белков. Критерий Вант-Гоффа для перехода "все-или-ничего". Тепловая и холодовая денатурация. Как выглядит денатурированный белок? Клубок и расплавленная глобула. Отсутствие фазового перехода типа "все-или-ничего" при набухании "обычных" полимерных глобул. Почему денатурация глобулярного белка — переход типа "все-или-ничего"? Распад плотной упаковки ядра белка и раскрепощение боковых групп. Проникновение растворителя в денатурированный белок, разрушение расплавленной глобулы. Диаграмма фазовых состояний белковой молекулы. Энергетическая щель между нативной укладкой белковой цепи и прочими ее глобулярными укладками: основное физическое отличие белковой цепи от случайного сополимера.

Лекция 17
(сдвоенная)

Самоорганизация белков in vivo. Для чего нужны шапероны? Самоорганизация белка in vitro. "Парадокс Левинталя". Поиск метастабильных (накапливающихся) интермедиатов сворачивания белков. Расплавленная глобула — обычный интермедиат сворачивания. Сворачивание некоторых белков обходится без каких-либо метастабильных интермедиатов. Поиск и изучение нестабильных перех дных состояний в сворачивании белка. Нуклеационный механизм сворачивания. Экспериментальные подходы к определению ядер сворачивания белков.

Лекция 18

Решение "парадокса Левинталя": к стабильной структуре цепи автоматически ведет сеть быстрых путей сворачивания. Для этого необходимо только, чтобы между нативной укладкой цепи и прочими ее глобулярными укладками существовала бы заметная энергетическая щель. Обсуждение аномально медленного образования стабильной структуры в некоторых белках (серпины, прионы).

ПРЕДСКАЗАНИЕ И ДИЗАЙН БЕЛКОВЫХ СТРУКТУР

Лекция 19
(сдвоенная)

Представление о подходах к предсказанию вторичных и пространственных структур белков по их аминокислотным последовательностям. "Опознавание" белковых структур по гомологии последовательностей. Выделение стабильных структур белковой цепи. "Шаблоны" белковых структур.
Белковая инженерия и дизайн.

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БЕЛКОВ

Лекция 20
(сдвоенная)

Функция белка и его структура. ДНК-связывающие белки. Иммуноглобины. Ферменты. Активный центр — "дефект" глобулярной структуры. Каталитический и субстрат-связывающий центры. Ингибирование. Кофакторы. Многовалентные ионы. Механизм ферментативного катализа. Пример: сериновые протеазы. Теория перех дного состояния в катализе и ее подтверждение методами белковой инженерии. Узнавание "ключ-замок". "Двойное сито" повышает специфичность. Индуцированное соответствие. Доменная структура: киназы, дегидрогеназы. Аллостерия — взаимодействие активных центров. Гемоглобин и миоглобин.

Контрольные вопросы
и
Заключение

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
(послужившая также источником многих иллюстраций к этим лекциям)

[1] Фершт Э. — Структура и механизм действия ферментов, гл. 1,8-12. — М: Мир, 1980.
(Fersht A. — Enzyme structure and mechanism, 2nd ed. — NY: W.H.Freeman & Co., 1985.)
[2] Волькенштейн М.В. — Биофизика. — М: Наука, 1981; гл.4,6.
[3] Шульц Г.Е., Ширмер Р.Х. — Принципы структурной организации белков. — М: Мир, 1982.
(Schulz G.E., Schirmer R.H. — Principles of protein structure. — New York - Heidelberg - Berlin: Springer-Verlag, 1979).
[4] Кантор Ч., Шиммель П. — Биофизическая химия, т. 1, гл. 2,5; т.3, гл. 17,20,21. М: Мир, 1982.
(Cantor C.R., Schimmel P.R. — Biophysical chemistry, part 1, ch. 2,5; part 3, ch. 17,20,21. — San Francisco, W.H.Freeman & Co, 1980).
[5] Branden C., Tooze J. — Introduction to Protein Structure. — New York, London: Garland Publ., Inc., 1991.
[6] Creighton T.E. — Proteins, 2-nd ed. — NY: W.H.Freeman & Co., 1991.
[7] Perutz M.F. — Protein structure. — NY: W.H.Freeman & Co., 1992.
[8] Leninger A.L., Nelson D.L., Cox M.X. — Principles of biochemistry, 2nd ed., chapters 5-8. — NY: Worth Publ. Inc., 1993.
[9] Stryer L. — Biochemistry, 4th ed., part II. — NY: W.H.Freeman & Co., 1995.
[10] Полинг Л. — Общая химия. — М., Мир, 1974.
(Poling L. — General chemistry. — NY: W.H.Freeman & Co., 1970).
[11] Степанов В.М. — Молекулярная биология. Структуры и функции белков. — М., Высшая Школа, 1996.

Добавлено при редактировании электронного курса лекций:

[12] Чернавский Д.С., Чернавская Н.М. — Белок—машина. Биологические макромолекулярные конструкции. — М, Изд-во МГУ, 1999.
[13] Рубин А.Б. — Биофизика. Т.1. — М., Книжный дом "Университет", 1999.

Я избегал ссылок в тексте для облегчения его чтения, однако ссылки на оригинальные работы и обзоры даны в подписях к рисункам и таблицам.

Рисунки белков извлечены из Банка Белковых Структур (его создание описано в: Bernstein F.C., Koetzle T.F., Meyer E.F., Jr, Brice M.D., Kennard O., Shimanouchi T., Tasumi T., J. Mol. Biol. 1977, 112:535—542) при помощи программы MOLSCRIPT (Kraulis P.J., J. Appl. Cryst. 24: 946-950, 1991).

Посвящаю светлой памяти моего деда, биолога,
профессора Е.А. Финкельштейна, комиссара
тифозных бараков 20-го года, несломленного
"вейсманиста-морганиста" 48-го.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемые вашему вниманию лекции посвящены физике белка, т.е. самым общим проблемам структуры, самоорганизации и функционирования белковых молекул.
Поскольку то, что Вы видите перед собой — запись курса лекций, а не монография и не учебник, здесь неизбежны повторы (и, в частности, — повторы рисунков). Ведь в реальных лекциях невозможны отсылки типа "смотри рисунок 2 и формулу 3 в пред-предыдущей лекции"; однако я приложил все старания к тому, чтобы такие повторы были минимальны.

По ходу курса я не упущу возможности изложить те физические идеи и, в частности, те элементы статистической физики и квантовой механики, которые, с моей точки зрения, абсолютно необходимы для понимания строения и функционирования белков, — и которые "нормальный" студент-биолог либо прочно забыл к четвертому курсу, либо не знал никогда.
А вот из моря информации о функциях белков я зачерпну только то, что абсолютно необходимо для иллюстрации роли, играемой пространственными структурами белков в их биологической — точнее, биохимической — деятельности.

Эти лекции, безусловно, отражают мои личные вкусы и пристрастия.
В них много теории и физических проблем — и лишь необходимый минимум экспериментальных фактов (и почти нет экспериментальной техники). Поэтому они никак не заменяют обычные биофизические и биохимические "белковые" курсы и не должны использоваться как справочник. Говоря о конкретных белках, я даю лишь важнейшие (надо ли говорить — с моей точки зрения!) примеры; таблицы включают лишь абсолютно необходимые данные; рисунки — намеренно схематичны; все цифры — округлены, и т.д.

Кроме того, я не упущу возможности отметить то, что сделали по физике белка мы — в Институте белка РАН. Это, конечно, усилит "личный элемент" лекций — и, я думаю, немного оживит их...

При подготовке компьютерного издания лекций (декабрь 1999 — август 2000) их текст был заново отредактирован.

* * *

Я приношу свою глубокую благодарность О.Б.Птицину, разработавшему курс лекций по физике белков и читавшему его на московском Физтехе: его конспекты лежат в основе многих лекций предлагаемого вашему вниманию Курса.
Я очень благодарен О.Б.Птицину, А.С.Четверину, Ю.В.Митину, Г.И.Гительзону, Д.С.Рыкунову, А.В.Скугареву и Д.И.Иванкову за чтение рукописи и многочисленные полезные замечания, а также Г.А.Морозову, Д.С.Рыкунову, А.В.Скугареву, Д.И.Иванкову, М.Ю.Лобанову, Н.Ю.Марченко, А.Э.Жумаеву и А.А.Финкельштейну за помощь в оформлении рисунков и текста лекций.
Я благодарен А.А.Шумилину, М.Г.Дашкевичу и Г.И.Гительзону за помощь в оформлении компьютерного издания этих лекций и, наконец, — last but not least — Российскому Фонду Фундаментальных исследований и Программе "Интеграция" за финансовую поддержку их компьютерного издания, а также Медицинскому Институту Ховарда Хьюза, поддержавшего мою работу предоставлением мне Международного исследовательского научного гранта.

Дата добавления: 2015-07-16