Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков
Дифференциация белков
Морфологическое сходство глобинов и цитохромов b

Гомология цитохромов, находящихся в различных цепях электронного переноса, может указывать на гомологию цепей переноса.

В настоящее время получены некоторые данные о том, что глобины родственно связаны с определенными цитохромами b-типа*; в этом отношении наиболее интересны цитохромы b2, b5 и b562. Данные об этих цитохромах приведены в табл. 9.6. Как было предсказано по спектрам протонного магнитного резонанса [556] и установлено сравнением аминокислотных последовательностей [557], цитохром b5-гсф (гем-связывающий фрагмент) и цитохром b2-гсф представляют собой гомологичные белки с различием последовательностей около 72% (185 РАМ). Подобие оказывается еще более разительным, если сопоставить последовательность b2-гсф с известной кристаллической структурой b5-гсф [297, 557]. Гомологические связи цитохромов b2-гсф и b5-гсф показывают, что не только эти два белка, но и все цепи, осуществляющие электронный транспорт (табл. 9.6), могут происходить от одного предшественника.

* Цитохромы классифицируют по их спектру поглощения в области длин волн между 400 и 600 нм. Эти спектры зависят от типа гема (цитохром b, например, содержит протогем IX) и от способа соединения гема с полипептидной цепью. Согласно этой номенклатуре, отнесение белков к цитохромам b-типа, не означает, что они имеют общее с ними свертывание цепи [509. 561].

Таблица 9.6 Свойства цитохромов b2, b5 и b562

Цитохром b2 из митохондрий дрожжей [561], идентичный L-лактатдегидрогеназе (КФ 1.1.2.3) дрожжей

Цитохром b6 из эндоплазматического ретикулума (микросом) печени теленка [561]

Цитохром b562из Escherichia coli [561, 609]

Белок в целом

Растворимый тетрамерный белок; каждая субъединица (молекулярная масса 58 000) состоит из одного FMN-содержащего домена и одного гем-содержащего домена

Связанный с мембраной мономерный белок (молекулярная масса 16 700). способный к агрегированию in vivo. 40 из 50 С-концевых остатков находятся в мембране

Мономерный белок (молекулярная масса 12 000) из растворимой фракции экстрактов Е. coli

Возможная функция всего белка

b2 переносит электроны от L-лактата к цепи дыхания по следующему пути:

L-лактат → b2 (FMN-содержащий домен) гем-содержащий домен b2 цитохром с

b5 переносит электроны от NADH к некоторым функциональным звеньям метаболизма (например, к «десатуразе жирных кислот» [610]); путь электрона: NADH FAD-содержащий белок → гем-содержащий домен b5 → «цианид-чувствительный фактор»

Неизвестна

Гем-связывающий участок

b2-гсф (ядро цитохрома b2), гем- связывающий фрагмент, получен специфическим протеолизом b2; содержит 95 аминокислотных остатков

b5-гсф, гем-связывающий фрагмент, получен специфическим протеолизом b5; содержит 93 аминокислотных остатка

Гемопротеид содержит 110 аминокислотных остатков

Известные структурные свойства гем-связывающего участка

Аминокислотная последовательность b2-гсф [557] гомологична последовательности гем-связывающего фрагмента b5 [611, 612] и может быть сопоставлена с известной третичной структурой b5-гсф

Аминокислотная последовательность b5-гсф [611, 612] гомологична последовательности гем-связывающего фрагмента b2 [557]. Третичная структура b5-гсф известна [297]

Аминокислотная последовательность b562 [613] может быть гомологична последовательности миоглобнна кита [554]. Начат анализ третичной структуры b562 [563]

Структурное подобие цитохромов b-типа и глобинов. Аминокислотная последовательность цитохрома b562 отличается от последовательностей b2-гсф и b5-гсф, но, по-видимому, гомологична последовательности миоглобина [558]. Эти данные, а также результаты некоторых других исследований [559], показавших возможность существования непрерывного набора гомологичных структур в интервале от цитохромов b-типа до глобинов, дали толчок к сравнительным исследованиям [406, 560] известных* пространственных структур b5-гсф и ß-цепи гемоглобина. Это сопоставление показало 1560], что из 85 остатков цитохрома b5-гсф, пространственное расположение которых известно, 51 остаток имеет свой аналог в глобине. При совмещении обеих структур атомы железа гема оказываются на расстоянии, меньшем 1,4 Å, а угол между нормалями составляет около 10°. Это отвечает величинам, найденным при сравнении эритрокруорина (гемоглобин насекомого) с миоглобином [277] и при сравнении восстановленного цитохрома с с окисленным цитохромом с [273, 564]. Железокоординирующий гистидин и две соседние спирали гемоглобина соответствуют гистидину и соседним спиралям цитохрома bа-гсф.

Хотя ориентации нормалей к гемам близки, сравнение цитохрома b5-гсф и гемоглобина [560] выявило поворот кольца гема на 53° вокруг этой нормали. Авторы рассматривают это различие как энергетически минимальное и консервативное, поскольку боковые цепи гема непосредственно не вовлечены в функции какого-либо из белков: последнее положение нуждается в дополнительной проверке (ср. разд. 10.3). Таким образом, сопоставления структур гем-содержащих белков могут помочь в выяснении роли боковых цепей гема [565—568].

Итак, между глобином и цитохромом b5-гсф существует подобие, распространяющееся на части спиралей А, В, Е, F и G (рис. 8.4) и на расположение гема. Однако остается нерешенным вопрос о том, относится ли это подобие к гомологии, т. е. объясняется дивергентной эволюцией от общего предшественника, или к аналогии, т. е. возникло в результате конвергентной эволюции к физически предпочтительной пространственной структуре для невалентного связывания гема [569]. По-видимому, к решению этого вопроса может привести определение третичной структуры цитохрома b562 [563], которое восстановит недостающее в генеалогической связи звено (табл. 9.6). Вопросы выявления очень отдаленных взаимосвязей обсуждаются в разд. 9.6.

* Рентгеноструктурное исследование цитохрома b2 [562] и b562 [563] в настоящее время продолжается.