Все случаи взаимодействия многочисленных белков с ДНК можно разделить на две категории: неспецифическое
связывание белка с ДНК любой последовательности (характерная константа связывания K ~ 105? 106 л / моль, определения константы связывания см. В разделе 1 ) и специфическое опознания белком определенной последовательности пар оснований (с константой ~ 109? 1010 л / моль). Белки, осуществляющие такое опознание, как правило, взаимодействуют и с любой другой ДНК неспецифически. Рассмотрим на простом примере, что практически означают приведенные цифры.
Пусть в бактериальной клетке радиусом 1 мкм содержится 10 молекул определенного белка и 4 млн 600 тыс. пар оснований ДНК, где присутствует одна специфическая область (оператор). Исходя из объема клетки, можно легко рассчитать общие молярные концентрации белка и оператора (используя числом Авогадро). Концентрация комплекса с оператором определяется уравнением (1.6), где свободные концентрации белка и оператора равны их общим концентрациям минус концентрация комплекса. Откуда, если известна K, можно рассчитать концентрацию комплекса.
Если белок связывается неспецифически (K = 105 л / моль), отношение концентрации комплекса в общей концентрации оператора равна 4 • 10? 4?? оператор практически свободен от белка. Но если вместо концентрации оператора использовать общую концентрацию потенциальных сайтов связывания на ДНК (белок связывается везде), которая есть в 4 млн 600 тыс. раз выше (каждая пара оснований потенциально может быть началом сайта связывания), то отношение концентрации комплекса в общей концентрации белка равна 0,995? практически белок все время связан с ДНК.
При специфическом связывании (K = 1010 л / моль), отношение концентрации комплекса в общей концентрации оператора равна 0,97? десяти молекул белка оказывается достаточным, чтобы большую часть времени оператор был связанным. При этом с оператором в нашем примере в данный момент времени может быть связана только одна молекула белка, остальное находится не в свободном состоянии, а на ДНК, взаимодействуя с ней неспецифически. Чем определяется высокая специфичность связывания? Главное правило белково-нуклеиновой опознания? отсутствие жестких правил.
Рассмотрены различные структурные мотивы белков являются разными эволюционными решениями для специфического взаимодействия с той или иной последовательности: существует много путей для того, чтобы сформировать белковую поверхность для опознания последовательности пар оснований. Не существует и любого кода опознавания? четкого соответствия между аминокислотными остатками и парами оснований. Но есть некоторые общие закономерности, часть которых уже должна быть понятной рассмотрения ДНК-связывающих структурных мотивов. В частности, белково-нуклеиновых интерфейс чаще представлен парой ?-спираль? большой желобок благодаря хорошей пространственной соответствия между этими двумя элементами. Однако используются также ?-структура, и перемычки между элементами вторичной структуры для опознания пар оснований в большом желобке. Маленький желобок также используется для опознания последовательностей пар оснований, причем в случае взаимодействия элементов вторичной структуры белка (?-спираль или ?-структура) с маленьким желобком такое взаимодействие сопровождается раскрытием маленького желобка. Такое раскрытие становится возможным вследствие значительной деформации двойной спирали (раскрутка, изгиб, Кинки в результате нарушения стекинг-взаимодействий).