Базовые спектры белков

Если бы в первом приближении в спектре КД белка можно было пренебречь сопряжением между различными вторичными структурами в нем, то спектр можно было бы рассматривать как простую сумму спектральных полос, соответствующих определенным вторичным структурам. Однако применение такого эмпирического подхода не является однозначным. Можно хорошо смоделировать абсолютные интенсивности на один остаток и длины волн полос КД «идеальной» длинной a-спирали с помощью спектра a-спиральных полипептидов. Однако a-спирали в белках отличаются от идеальных, они имеют конечную длину, а структурные искажения на их концах вносят изменения в спектр. b-Вторичные структуры довольно вариабельны в зависимости от своего типа и конкретного белка. На самом деле, КД спектры b-белков могут напоминать спектры модельных полипептидных b-листов или неупорядоченных полипептидов.

КД-спектры β-структур в белках

Богатые β-структурами белки классифицируют в соответствие с их КД-спектрами как β_I и β_II. β_I –спектр схож со спектром модельных β-листов (Рис. З5.5б). β_II-спектр напоминает спектр неупорядоченных полипептидов. Этот факт можно объяснить присутствием в белках конформации Р₂. Р₂ – это конформация типа II, которую принимает полипролин (poly(Pro)II).

Структура полипролина I в двух проекциях: вид сбоку (а) и сверху (б). То же для пролина II (в и г)

Пролин не может образовывать обычные α-спирали из-за ограничений, нала­гаемых на его скелет пятичленным кольцом. Однако он может образовывать две одно-спиральные структуры, которые являются уникальными среди полипептидных вторич­ных структур, так как не содержат водородных связей. Полипролин I представляет собой левую спираль, содержащую 10 остатков на 3 витка (Рис. 1а и б). Все пептидные связи в ней находятся в цис-конформации, что довольно редко встречается в обычных пептидных структурах. Полипролин II представляет собой тоже левую спираль, и пептидные связи в ней находятся в транс-положении. Взаимопревращение этих двух форм может быть вызвано изменениями в составе растворителя. В нормальных водных буферах стабильной формой является спираль II. Она имеет 3 остат­ка на виток и смещение вдоль оси спирали 3,12 Å на остаток по сравнению с 1,5 Å в а-спирали. Структура полипролина II, изображенная на рис. 1(в и г), представляет собой бо­лее вытянутую цепь, чем а-спираль. В такой вытянутой спирали каждая боковая цепочка может быть сильно удалена от всех остальных.

Когда стали известны структуры большого числа белков, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии и ЯМР, появилась возможность не только подтвердить предсказание вторичных структур, сделанные на основе КД-спектров, но и создать базы данных на основе базисных КД-спектров семейств белков с различными вторичными структурами, с помощью которых можно проводить анализ «неизвестных» структур. Задача включает в себя анализ как самих границ структур, так и нарушений (отклонений) этих структур от идеала. В интернете существует множество таких баз данных для интерпретации КД-спектров.

Долгое время метод КД для определения вторичных структур в белках считался более удобным экспериментальным подходом, чем ИК-спектроскопия. Однако тщательный анализ показывает, что только путем сравнения спектров, полученных обеими методиками достигается идентификация «неправильно» оцененных вторичных структур в отсутствие известной структуры.

Оптимизация определения вторичных структур в белках, полученных с помощью ИК- и КД спектроскопии

КД- и ИК-спектры специально отобранных 50-ти базисных белков (Рис. З5.6) были проанализированы с помощью мультивариантного статистического анализа для оптимизации предсказания вторичных структур в растворе. Из всей всей базы данных были выбраны структурно разнообразные белки. В результате исследования были сделаны следующие выводы:

1) использование небольшой базы данных ведет к неудовлетворительным результатам;

2) наилучшие результаты получаются по большой базе белков;

3) наилучшее предсказание относительной доли и типа вторичной структуры «неизвестного» белка достигается при совместном использовании двух методов (ИК-, КД-спектроскопии);

4) полоса амид-III в ИК-спектре очень чувствительна к вторичной структуре и, наряду с полосой амид-I, может использоваться для предсказания вторичной структуры (Oberg et al., 2004)