Пептидная саморегуляция живых систем (факты и гипотезы) - Шатаева Л. К. 2003

Пептиды в водных растворах
Регуляторные пептиды как носители молекулярной информации

Исследования соответствия между аминокислотной последовательностью и функцией полипептидной цепи интенсивно развивались в 90-х годах, когда объединенная международная база данных обеспечила условия для системного анализа связей “структура—функция”. Краткий обзор состояния дел в этой области представляется целесообразным ввиду очень большого объема литературы и многообразия эмпирических подходов на резко различающихся теоретических уровнях.

Существуют два подхода к рассмотрению структуры пептидных цепей: структурный анализ и анализ аминокислотной последовательности.

Структурный анализ является методом исследования общей “архитектуры” полипептидных макромолекул. С его помощью в макромолекуле можно выделить структурные домены — единичные элементы компактно упакованных участков цепи, связанные с прилегающими более рыхлыми и гибкими участками цепи. Структурные модули могут рассматриваться как подкласс доменов. Примером может служить структура ядерных белков высокой подвижности. Структурным анализом выделены такие элементы упаковки полипептидной цепи, как ß-бочонки (ß-barrels), трансмембранные петли рецепторов, экстра- и интрацеллюлярные модули.

Анализ аминокислотных последовательностей имеет целью рационализацию огромного объема уже имеющихся данных о первичной структуре полипептидов. Основной метод этого анализа — установление элементов сходства в структурах разных белков. Сопоставление консервативных участков цепи с функциональными характеристиками молекулы позволяет объединить многие белки в одну группу. Например, рецепторы, связанные с G-белками (мускариновые, опиоидные, адренорецепторы и др.), образуют семейство с определенными сигнальными и фармакологическими свойствами.

Сравнение многочисленных структур белков, выделенных из разных источников, позволило обнаружить общие признаки у белков, выполняющих одинаковые или близкие функции — в их структурах сохраняются консервативные участки полипептидной цепи. Эти островки постоянства в море мутационных вариаций чаще всего называют мотивами, иногда блоками или сегментами. В настоящее время анализ аминокислотной последовательности применяется для классификации и оценки принадлежности белка к тому или иному семейству (Pietrokovski et al., 1996). На протяжении всей макромолекулярной цепи, как правило, находятся не один, а несколько мотивов, характерных именно для определенного семейства белков. Обычно эти участки состоят из 10—15 аминокислотных остатков, но встречаются и более короткие. Например, центр фосфорилирования протеинкиназ С имеет последовательность (Bairoch et al., 1996):

[ST]—X—[RK],

где X — любая аминокислота. Структурное сходство ряда белков, участвующих в АТФ-зависимых процессах раскручивания нуклеиновых кислот, определяется несколькими общими мотивами, один из которых, так называемый DEAD-Ьох, характерен для большинства АТФ-связывающих белков (Pietrokovski et al., 1996):

[LІVMF](2)—D—Е—A—D—[RKEN]—X—[LIVMFYGSTN]

Статистический подход позволяет рассчитать относительную частоту появления каждого аминокислотного остатка в цепи и повторных появлений одних и тех же сочетаний аминокислотных остатков. Таким методом в некоторых белках выявляются многократно повторяющиеся регулярные последовательности. Так, например, в тропоколлагене каждый третий остаток — глицил, после которого следуют пролил или оксипролил. В a-цепи фибриногена 31% всех аминокислот — это серин, глицин и пролин в составе одних и тех же повторяющихся сочетаний. Регулярные последовательности, включающие глицин и пролин, характерны и для других белков, таких как склеропротеины, кератины, двухцепочечный фиброин шелка. С одной стороны, эти последовательности оптимальны для образования правой а-спиральной конформации цепи и упорядоченного расположения гидрофильных и гидрофобных участков на “гранях” этой спирали (см. рис. 4, раздел 1.2.3). С другой стороны, преобладание в регулярных последовательностях остатков глицина и пролина, необходимых для изгиба пептидной цепи, облегчает переход макромолекул в суперспиральную конформацию, при которой три или семь а-спиральных участков скручиваются вместе, образуя структуру, напоминающую трехжильный или семижильный кабель (Ленинджер, 1974). Все эти белки выполняют структурные (опорные) функции, а регулярные блоки в их структуре стабилизируют определенные механические свойства макромолекулы или допускают их изменения. Иными словами, взаимосвязь “структура—механическая прочность” для этих белков достаточно очевидна. Целесообразно расширить исследование (поиск) соответствий между аминокислотной последовательностью пептидной цепи и ее физиологическими функциями, которые отличаются от механических. Этой задаче посвящен статистический анализ аминокислотных последовательностей 242 регуляторных белков, относящихся к семейству факторов транскрипции (Atchley et al., 2000). В результате было обнаружено, что определенные структурные характеристики полипептидов — расстановка аминокислотных остатков, их ассоциация вдоль цепи и тавтология некоторых пептидных блоков — связаны с выполнением этими белками регуляторной функции, т. е. с инициированием транскрипции генов. Эта функция обеспечивается консервативными участками полипептидной цепи с морфологией “спираль—петля—спираль”, которые специфически связываются с промотерными сайтами ДНК. Была предложена схема информационной связи между двумя спиральными участками белка (Atchley et al., 2000). Подробнее этот механизм межмолекулярного взаимодействия пептид—ДНК будет рассмотрен в главе 3.

Ниже проводится сравнение частотных характеристик и аминокислотных последовательностей регуляторных пептидов и более высокомолекулярных регуляторных полипептидов (белков).