1.10. РОЛЬ КОНФОРМАЦИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ БЕЛКОВ

Конформационная подвижность необходима для функционирования молекул биополимеров, двойная спираль ДНК должна расплестись, чтобы могла быть считана информация, содержащаяся в ней. Форма молекулы фермента должна изменяться в процессе взаимодействия с субстратом, чтобы мог осуществиться каталитический акт. Это же справедливо для белков, формирующих ионные каналы, мембранных рецепторов, белков сократительного аппарата мышц.

Каков физический смысл конформационных переходов в процессе выполнения белком своей функции?

Рассмотрим механизм мышечного сокращения. Известно, что скольжение друг относительно друга актиновых и миозиновых нитей сократительного аппарата вызывается изменением конформации мостиков, посредством которых эти нити взаимодействуют друг с другом. В состоянии покоя мостики образуют прямой угол с белковыми нитями. Гидролиз АТФ в области контакта актина и миозина делает конформации мостика неустойчивой. Мостик развивает усилие и нити скользят друг относительно друга.

В данном случае энергия гидролиза АТФ преобразуется в механическую энергию через посредство конформационных переходов в молекуле миозина. Следовательно, конформационный переход в молекуле миозина является тем промежуточным звеном, которое осуществляет преобразование химической энергии в механическую.

Другой пример, иллюстрирующий роль конформационных переходов, - работа натриевого насоса. Транспорт ионов натрия и калия через плазматическую мембрану осуществляется ферментом Nа,К-АТФазой. Этот интегральный белок плазматической мембраны связывает на внутренней поверхности мембраны 3 иона Nа, что приводит к фосфорилированию ферментного белка. В результате этого конформация молекулы становится неустойчивой, и происходит конформационный переход. При этом 3 иона Na переносятся к внешней поверхности мембраны и там десорбируются во внешний раствор. Их место занимают 2 иона К, что приводит к дефосфорилированию белка. Происходит обратный конформационный переход, в результате которого ионы К переносятся к внутренней поверхности мембраны и там десорбируются в цитоплазму.

Таким образом, энергия АТФ преобразуется в энергию градиента электрохимического потенциала ионов Na и К. Конформационный переход и в этом случае является тем физическим процессом, который преобразует один вид энергии в другой.

Конформационные переходы играют важную роль в ферментативном катализе. Субстрат и продукт ферментативной реакции образуют с ферментом комплекс хотя и имеют, очень часто, различную структуру. Это означает, что структура активного центра фермента должна изменяться в процессе реакции.

Масштабы конформационных перестроек в активном центре в процессе катализа невелики, но они надежно регистрируются. различными физическими методами - по спектрам поглощения, спектрам флуоресценции, методами ЭПР, ЯМР и другими.

Важное значение имеют конформационные переходы в регуляции активности аллостерических ферментов. Аллостерические ферменты изменяют свою каталитическую активность в ответ на связывание молекулы модулятора в аллостерическом центре, который может находиться на значительном удалении от активного центра. Это означает, что связывание регуляторной молекулы в аллостерическом центре вызывает конформационный переход, изменяющий структуру активного центра.

Многие ферменты имеют сложную четвертичную структуру. Такие ферменты могут иметь кооперативную кинетику. Кооперативность также предполагает участие конформационных переходов в отдельных субъединицах и влияние этих переходов на структуру соседних субъединиц.