Физика белковых молекул

Аннотация

Предлагаемая книга обобщает результаты фундаментальных исследований и — в частности — исследований ее авторов по проблемам биофизики белков. Она охватывает разнообразные аспекты физики белковых молекул: от классификации и принципов устройства пространственных структур белков (мембранных, фибриллярных и, в особенности, лучше всего изученных водорастворимых глобулярных белков) — до принципов функционирования белков и устройства их активных центров; от элементарных взаимодействий в белках и их (белков) взаимодействия со средой — до конформационных переходов в белках, полипептидах и синтетических полимерах. Большое внимание уделено самоорганизации белков (как и in vivo, так и, в особенности, in vitro), интермедиатам (типа открытой О. Б. Птицыным и его сотрудниками «расплавленной глобулы») и ядрам сворачивания белков, а также белковой инженерии и дизайну и принципам кодирования структуры белка его аминокислотной последовательностью. Книга предназначена для широкого круга студентов, аспирантов и научных сотрудников — биологов, медиков, биохимиков, биофизиков.

Содержание

Предисловие, благодарности и предварительные замечания 

ГЛАВА 1. Введение 

ГЛАВА 2. Аминокислотные остатки и полипептидные цепи
Аминокислотные остатки 
Валентные связи и атомы 
Карты Рамачандрана 

ГЛАВА 3. Вторичные структуры полипептидных цепей 
Строение вторичных структур 
Флуктуирующий клубок
Экспериментальное наблюдение вторичных структур 
Аминокислотные остатки и вторичные структуры 
Термодинамика образования α- и β-структур из клубка
Кинетика образования α- и β-структур из клубка 

ГЛАВА 4. Фибриллярные белки 
α и β-структурные фибриллярные белки 
Коллаген
«Ошибочное» сворачивание фибриллярных белков и болезни

ГЛАВА 5. Мембранные белки
Устройство и работа мембранных белков
Туннельные переходы 

ГЛАВА 6. Водорастворимые глобулярные белки 
β-структурные глобулярные белки
α-структурные глобулярные белки
Глобулярные белки типа α/β и α+β
Правовинтовой ход перемычек, соединяющих β-участки 

ГЛАВА 7. Типичные структуры глобулярных белков и квазислучайные аминокислотные последовательности 
Классификация мотивов укладки белковых цепей
Видим ли мы эволюцию структур белков? 
«Типовые мотивы» и «дефекты» укладки белковых цепей 
Типовые структуры и «случайные» аминокислотные последовательности 
Квази-Больцмановская статистика дефектов белковых архитектур
Глобулярные белки возникли как «отобранные» случайные полипептиды? 

ГЛАВА 8. Денатурации и самоорганизации белков: структурные и термодинамические аспекты 
Кооперативные переходы при денатурации белков
Как выглядит денатурированный белок?
Расплавленная глобула
Переход глобула-клубок в обычных гомополимерах 
Почему денатурация белка происходит как переход «все-или-ничего»? 
Различия в плавлении «отобранного» гетерополимера (с энергетической щелью) и «случайного» гетерополимера 

ГЛАВА 9. Кинетические аспекты денатурации и самоорганизации белков 
Образование структуры белка in vivo 
Самоорганизация структуры белка in vitro 
Механизмы, помогающие образованию структуры белка in vivo 
Загадочность спонтанной самоорганизации белков. Парадокс Левинталя 
Стадии и интермедиаты в самоорганизации белков 
Одностадийное сворачивание небольших белков 
Ядро сворачивания нативной структуры белка

ГЛАВА 10. Теория самоорганизации глобулярных белков 

ГЛАВА 11. Предсказание и дизайн белковых структур 
Предсказание структур белков по их аминокислотным последовательностям 
Белковая инженерия
Конструирование белковых молекул 

ГЛАВА 12. Физические основы функционирования белков 
Функция белка и его структура
Ферменты — белки, катализирующие биохимические реакции
Сочетание ферментативных функций 
Относительная независимость структуры белка от его элементарной ферментативной активности 
Сопряжение элементарных функций белка и гибкость его структуры. Индуцированное соответствие и подвижность доменов белка
Аллостерия — взаимодействие активных центров 
Механохимические функции белков 

Приложения 
(а) Электростатические взаимодействия в водном окружении 
Заряды в неоднородной среде 
Заряды в корпускулярной среде 
Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии 
Дополнительные замечания 
(б) Водородные связи
Водородные связи белковой цепи в водном окружении 
(в) Дисульфидные и координационные связи 
(г) Гидрофобные взаимодействия 
Элементы термодинамики 
Гидрофобность: феноменология 
Физический смысл гидрофобного эффекта 
Доступная воде поверхность молекул и их гидрофобность
(д) Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия: отталкивание и притяжение атомов 
(е) Конформационные превращения: термодинамика и статистическая физика 
Не-фазовые и фазовые переходы 
(ж) Конформационные превращения: кинетика
(з) «Свободный пробег» и диффузия
(и) Теория переходов «спираль-клубок» в гомополимерах
(к) Модель случайных энергий 
«Энергетическая щель» в модели случайных энергий 
(л) Теория переходов «глобула-клубок» в гомополимерах 
(м) Математический аппарат статистической физики одномерных систем и динамическое программирование 
Одномерные системы: статистическая физика и поиск энергетического минимума 
Динамическое программирование и поиск оптимального выравнивания последовательностей