научная статья по теме К ВОПPОCУ О МЕXАНИЗМАX ВЛИЯНИЯ ИМИНОКИCЛОТ НА ФИЗИЧЕCКИЕ XАPАКТЕPИCТИКИ КОЛЛАГЕНОВ Биология

Текст научной статьи на тему «К ВОПPОCУ О МЕXАНИЗМАX ВЛИЯНИЯ ИМИНОКИCЛОТ НА ФИЗИЧЕCКИЕ XАPАКТЕPИCТИКИ КОЛЛАГЕНОВ»

БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.5, c.910-912

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМАХ ВЛИЯНИЯ ИМИНОКИСЛОТ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ХАР АКТЕР И СТИКИ КОЛЛАГЕНОВ

© 2008 г. М.А. Рубин, Е.И. Тиктопуло*, В.А. Намиот**, В.Г. Туманян, Н.Г. Есипова

Институт молекулярной биологии им. В .А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32; *Институт белка РАН, 142290, Пущино Московской области; **Институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119992,

Москва, Воробьевы горы Поступила в p едакцию 04.04.08 г.

П p иводятся результаты анализа влияния иминокислот на тер модинамические хар актеристики структур коллагенового типа в коллагенах из различных источников. Показано, что основной механизм увеличения энтр опии системы белок-вода при увеличении содержания иминокислот в полипептидной цепи состоит в изменении числа кооперативных участков, выявляющихся при плавлении фибр илляр ной макр омолекулы. Разбр о с физических характер истик кооперативных единиц определяет, в частности, разброс значений параметров водородных связей, что пр оявляется в ушир ении полос NH-валентных колебаний и ушир ении полушир ин пер еходов в постденатурационных структур ах. Таким образом, основной механизм влияния иминокислот на термодинамические хар актеристики коллагенов связан со сложным ходом процесса денатурации, при котором механизмы дегидратации-гидратации и нативного и денатурированного со стояний существенно меняются пр и замене любых аминокислот на иминокислоту.

Ключевые слова: иминокислота, коллаген, кооперативность, энтальпия и энтропия плавления.

Коллаген - системный белок, опр еделяющий многие процессы структурообразования в биологических объектах на разных уровнях их организации, прежде всего - на клеточном и тканевом. Однако, невзирая на значительное число работ, принципиальных пр орывов в понимании закономер ностей образования и стабилизации этих белковых структур до сих пор не наблюдается.

Достаточно большая неопределенность в наших знаниях о белковых структурах связана с иминокислотами, которые, как оказалось, играют ключевую р оль в стабилизации тр ехцепных макр омолекул коллагенов, они же определяют необычные физические свойства коллагеновых макр омолекул.

Как оказалось, кооперативность гидратации одиночной полипептидной цепи [1,2] зависит от содержания и последовательности расположения иминокислот. При этом количество молекул воды около полипептидной цепи падает пр и увеличении содержания иминокислот, т. е. растет энтропия одиночной полипептидной цепи [1-4]. Коллагены имеют специфическую структуру, термостабильность которой подогнана под температуру среды обитания. Эта стр уктура стабилизируется водой, причем упорядоченная гидратная оболочка образуется

на основе карбоксильных СО-гр упп полипептидной цепи, т.е. при образовании водной спирали вокруг трехцепной макр омолекулы коллагена не используются КИ-гр уппы.

Эта специфическая водная структура вокруг коллагенов - единственный пример образования кооперативной сетки воды вокруг полипептида без КИ-гр уппы как донора протонов. Кооперативная сетка воды вокруг денатурированной одиночной цепи коллагена пр инципиально другая: КИ-группы аминокислоты являются важными опор ами сетки И-связей вокруг левой спирали типа поли-1-пр олин II. Таким образом, в пр оцессе денатурации коллагена происходит перестройка спирали гидратной воды, т.е. налицо изменение геометрии и деформация симметрии спирали воды.

Каков же механизм перехода в денатурированное со стояние с участием иминокислот? Для ответа на этот вопрос полезны две группы данных: термодинамические характер истики переходов в коллагенах и изменения в спектрах водородных связей в процессах денатур ации.

Коллагены - белки с уникальной фибриллярной структурой: проекция остатка на ось спир али в коллагенах с различным аминокислотным составом, в том числе и

К ВОП РОСУ О МЕХАНИЗМАХ ВЛИЯНИЯ ИМИНОКИС ЛОТ

911

Источ- Число Q, кал/г AT, полу- АН eff, Количество коопер ативных участков, N = АН/АНeff Энтропия, ккал/ (моль-К)

ник коллагена из кожи имино-кислот АН, ккал / моль белка шир ина перехода Td, к ккал/ моль

Т p ески 155 10,65 3840 10,0 2,0 292,3 341 11,3 13,14

Мер ланга ~160 3600 12,0 2,5 294,6 278 12,9 12,22

R. temp. 165 4320 13,4 2,5 304,4 297 14,5 14,19

R. ridib. ~ 171 4824 13,6 3,0 310,5 257 18,8 15,54

Щуки 199 4896 17,0 2,5 303,2 294 16,6 16,15

К рысы 226 6120 17,2 2,3 312,9 341 18,0 19,56

Курицы 228 6192 2,5 318,1 324 19,1 19,46

содержанием иминокислот, постоянна (2,86 А). Изменение физических свойств коллагенов определяется поэтому не изменениями их пространственной структуры, но физико-химическими свойствами пептидных групп и боковых радикалов. В таблице приведены параметры тепловых переходов для макромолекул коллагенов с р азным содержанием иминокислот.

Как известно из калориметрических данных, с ростом количества иминокислот растут и энтальпия и энтропия денату-рационных переходов [5-7]. Данные работы [3] показали, что гидратация коллагена ткане-, но не видо специфична, т.е. не коррелирует с содержанием иминокислот. Из данных работы [1] следовало, что в денатур ир ованном состоянии упорядоченность систем КИ-связей (по полуширине полос КИ-валентных колебаний) падает с ростом числа иминокислот в макромолекуле, что и объясняет рост энтропии системы белок-вода. Из таблицы видно увеличение числа кооперативных единиц при плавлении коллагенов по мере увеличения количества иминокислот. Это легко понять, если иметь в виду, что первый этап процесса денатурации - это дегидратация тр ойной спир али. При этом в местах локализации иминокислот

на участках левой спирали типа поли-1-про-лин II постденатур ационная гидратация не происходит [1]. Это и приводит к разобщению участков тр ойной спир али коллагена на р аз-личные кооперативные единицы.

Рассмотрим одну из простейших моделей такого процесса. Рассмотрим длинную линейную молекулу, на которой имеются какие-либо молекулярные группы, расположенные на одинаковом расстоянии др уг от др уга, т.е. как в одномерной линейной периодической решетке. Колебательный спектр этих групп будет достаточно узок, поскольку все эти группы находятся в одинаковых условиях и неодородное уширение отсутствует. Когда из-за дегидратации части пептидных групп молекула перестает быть однородной, то разные ее части будут давать линии колебаний, сдвинутые друг относительно друга, т.е. суммарный спектр окажется ушир енным.

Таким образом, механизм роста энтропии переходов в коллагенах под влиянием иминокислот связан со следующими этапами: 1) дегидратацией пептидных групп в местах расположения иминокислот; 2) разделением кооперативных областей на несвязанные части;

БИОФИЗИКА том 53 вып.5 2008

912

РУБИН и др.

3) вариацией параметр ов КИ-валентных колебаний в различных кооперативных единицах;

4) разрывом КИ-пептидных связей; 5) лабиализацией динамики в местах расположения иминокислот.

Итак, тонкая регуляция термостабильности коллагенов иминокислотами осуществляется как за счет изменения числа кооперативных участков в еще нативной структуре, так и за счет нарушения кооперативной гидратации постденатурационной одиночной левой спирали типа поли-1-пролин II в местах включения в нее иминокислот.

Р абота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 08-04-01770а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н. Г. Есипова, Ф. Айзенхабер, Ф. Айзенменгер и В. Г. Туманян, Биофизика 37 (1), 68 (1992).

2. Н. Г. Есипова, Ю. А. Лазарев, Е. И. Тиктопуло и Ф. Айзенхабер, Биофизика 38, 203 (1993).

3. Н. Г. Есипова и Т. Ю. Щеголева, Биофизика 35 (5), 827 (1990).

4. Н. Г. Есипова, М. В. Г риголава, Т. Ю. Щеголева и др., Биофизика 26 (2), 355 (1981).

5. P. L. Privalov, Advances in Protein Chemistry 35, 1 (1982).

6. T. V. Burjanadze, Вюро1уше^ 18, 931 (1979).

7. Е. И. Тиктопуло, П. Л. Привалов, А. П. Андреева и В. Я. Александров, Молекуляр. биология 13 (3), 619 (1979).

On the Mechanisms of the Influence of Imino Acids on the Physical

Characteristics of Collagens

M.A. Rubin*, E.I. Tiktopulo**, V.A. Namiot***, V.G. Tumanyan*, and N.G. Esipova*

*Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 32, Moscow, 119991 Russia

**Institute of Protein Research, Russian Academy of Sciences, Pushchino, Moscow Region, 142290 Russia ***Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University, Vorob 'evy Gory, Moscow, 119992 Russia

The influence of imino acids on the thermodynamic characteristics of collagen type structures in various collagens has been analyzed. It was shown that the basic mechanism of entropy increase in the protein-water system consists in the alteration in the number of cooperative segments accompanying the increase in imino acids content, which can be observed during the melting of the fibrous macromolecule. The range of variation in the physical characteristics of cooperative units is determined, in particular, by the variability of hydrogen bond parameters. This is displayed in a broadening of the bands of NH-valence vibrations and the half-widths of transitions in post-denatured structures. Thus, the basic mechanism of the influence of imino acids on thermodynamic characteristics of collagens is related to the complex nature of the melting process. The dehydra-tion-hydration mechanisms of native and denatured states become significantly different upon replacement of any amino acid by an imino acid.

Kew words: imino acid, collagen, cooperative melting, enthalpy-entropy

Сдано в набор 25.07.08 Подписано к печати 15.09.08 Формат бумаги 60x88V8

Офсетная печать Усл. печ. л. 24,0 Усл. кр.-отт. 6,2 тыс. Уч.-изд. л. 23,9 Бум. л. 12,0

Тираж 254 экз. Зак. 447

Свидетельство о регистрации № 0110172 от 04.02.93 г. в Министерстве печати и информации Российской Федерации Учредители: Российская академия наук, Отделение биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений, Институт биофизики клетки РАН

Адрес издателя: 117997, Москва, Профсоюзная ул., 90

Отпечатано в ППП «Типография «Наука», 121099

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком