ли в контакт и могли осуществить определенное взаимодействие — выполнить специфическую функцию.

Скорости молекулярных движений исследуются с помощью различных методов спектроскопии. Этими методами установлено, что полипептидные макромолекулы в цитоплазме постоянно меняют конформации, изгибаются, вращаются и сталкиваются с соседями. Частота диффузионных столкновений полипептидов с низкомолекулярными компонентами пропорциональна концентрации диффундирующих молекул. Например, при обычной концентрации АТФ в клетке порядка 1 мМ каждая пептидная цепь подвергается случайным столкновениям с АТФ с частотой 106 в секунду (Alberts et al., 1994). Если иметь в виду, что эти молекулярные взаимодействия и химические реакции происходят в объеме 4 ¦ 103 мкм3, т. е. в масштабах, очень далеких от условий лабораторной пробирки, то становится более понятной высокая эффективность энзиматических реакций in vivo. Результатом «удачного» столкновения с центром связывания может быть или образование межмолекулярного комплекса, или ферментный гидролиз. Это зависит от природы центра связывания.

Каталитический центр можно представить как некоторую фрактальную поверхность. Тогда скорость химической реакции (v) при диффузионном лимитировании представляется уравнением

v = к - [А]х,

где [А] — концентрация взаимодействующих структур; к — константа скорости; X — показатель степени, указывающий концентрационный порядок реакции:

X = 1 + 2/Ds,

где Ds — фрактальная размерность каталитического центра (Kopelman, 1992).

В модельной системе молекулы А - IJ случайно сталкиваются с центром связывания и немедленно превращаются в два молекулярных фрагмента / и У. Затем они могут двигаться по поверхности (или поверхность может двигаться под ними), в результате чего происходит рекомбинация фрагментов и возникает продукт У/, который немедленно диссоциирует от каталитического центра. Самая большая

48

скорость такой реакции достигается, когда центром связывания является не поверхность, а одномерная цепь (Ds = 1, X = 3). В этом случае из-за уменьшения топологических ограничений она может создавать рекомбинации для осуществления реакций с тремя молекулярными столкновениями (Kopelman, 1992).

Эта умозрительная модель находит подтверждение при экспериментальном исследовании взаимосвязи коиформации пептидной цепи с ее каталитической функцией. Установлено, что, если определенная конформация пептидной цепи сближает боковые группы с низкой реакционной способностью, эта их способность многократно усиливается именно за счет сближения. Такая конформация пептидной цепи, которая обеспечивает биохимически активное сближение боковых групп пептида, называется нативной.

Например, в пептидной цепи химотрипсина у гистиди-нового остатка His57 атом азота N1 пространственно сближен с карбоксильной группой остатка аспарагиновой кислоты Asp102, а атом азота N" — с боковой группой серина Ser195. Карбоксильная группа аспарагина принимает на себя протон от имидазольного кольца, в котором смещается электронная плотность, и атом азота N" активирует гидро-ксильную группу серина, отнимая у нее протон, так что она образует ковалентную связь с карбонильной группой другого пептида (субстрата), разрывая тем самым его пептидную связь (Alberts et al., 1994). По этой схеме осуществляют гидролиз пептидной связи все сериновые протеиназы. Амфи-фильный характер пептидов и определенное чередование в их структуре гидрофильных и гидрофобных боковых групп приводят к дополнительным особенностям конформацни пептидов в растворе. Они возникают в соответствии с правилом минимизации свободной энергии поверхности раздела пептида и водного окружения. Эта минимизация достигается пространственным разделением гидрофильных и гидрофобных боковых групп в форме р-листа или а-спирали (Kaiser, Kezdy, 1984). Схемы такой сегрегации представлены на рис. 4, А. Особенности а-спиральных структур с характерным расположением гидрофильных и гидрофобных групп на противоположных сторонах а-спирали были обнаружены еще в 1967 г. и с тех пор называются «колесами Эдмундсо-на», или спиральными колесами (Schiffer, Edmundson, 1967). В одиночной а-спирали боковые группы первой и четвертой аминокислот располагаются близко друг к другу на внешней цилиндрической поверхности молекулы. Это чередование

49

Рис. 4. Схемы Р-листовой структуры гонадолиберина (А) и части скрученной а-спирали (суперспирали) тимопоэтина (Б), демонстрирующие пространственное разделение гидрофильных и гидрофобных (затемненные) аминокислотных остатков. Схема В представляет поперечное сечение жгута ассоциированных суперспиралей и конформационный переход, в результате которого образуется внутренний канал между суперспиралями.

повторяется с периодом 7 остатков, что соответствует двум оборотам а-спирали. Если в этих положениях находятся аминокислоты с гидрофобными боковыми группами, то образуется гидрофобное «ребро» а-спирали. Гидрофобные взаимодействия вдоль этого ребра дополнительно упрочняют систему водородных связей вдоль основной цепи пептида и общую структуру спирали. Кроме того, если гидрофобные боковые группы пептида попадают «в рифму» 1—4, то в силу особенности гидратации они имеют повышенные парциальные объемы, а гидрофобное ребро в этом случае приобретает более длинный период оборота по сравнению с обычной а-спиральной конформацией. На рис. 4, Б изображена в виде семигранного цилиндра скрученная спираль последовательности 16—32 иммуностимулятора тимопоэтина. Природный тимопоэтин — пептид из 49 аминокислотных остатков (см. табл. III Приложения), содержащий «активный центр» — пептидную последовательность 32—36. Химически синтезированный пентапептид идентичной структуры проявляет активность целой молекулы, за что и был назван тимопентином (табл. 3, строка 2). Предшествущий «актив-

50

ному центру» и следующий за ним участки цепи (16—32 и 37—49 соответственно) могут образовывать спиральные «колеса».

В составе представленного участка в позициях 19 и 26 находятся остатки лейцина. Нужно отметить, что лейцин играет особую роль в формировании и упрочнении спиральных структур. В структурных исследованиях сформировалось представление о «лейциновой застежке» (Leucine zipper — имеется в виду застежка-молния). Она представляет собой сравнительно короткие последовательности со средней длиной 24 аминокислотных остатка, среди которых в позициях 2, 5, 7, 12, 16, 21 и 24 находятся остатки лейцина, формирующие гидрофобные грани спирали. Такие структуры, характерные для трансмембранных участков мембранных белков, участвуют в межмолекулярных взаимодействиях белок—белок и белок—ДНК. В последнем случае конфигурация «лейциновой застежки» определяет контакт пептида с поверхностью двойной спирали ДНК (см. раздел 3.2).

Подобные ос-спиральные блоки были обнаружены в цепях некоторых пептидных гормонов: кальцитонина, сома-толиберина, кортиколиберина, аполипопротеина А, р-эн-дорфина (Kaiser, Kezdi, 1984). Этот принцип чередования аминокислотных остатков вдоль основной цепи был использован при конструировании и химическом син