Пространственная структура белков

Полипептидная цепь нативного белка (белка, сохранившего структуру присущую ему в живой клетке) в нормальных биологических условиях - обычная температура и нейтральные значения рН имеет, как правило, одну к о н ф о р м а ц и ю, называемую н а т и в н о й (натуральной, естественной). Эта нативная конформация достаточно устойчива. Существуют первичная, вторичная, третичная и, введенная в 1958 г. Берналом, четвертичная структура белковой молекулы. Рассмотрим каждую из этих структур.

П е р в и ч н а я с т р у к т у р а - это число и последовательность расположения аминокислотных остатков, образующих полипептидную цепь белковой молекулы. Для первичной структуры характерны только ковалентные связи (включая и дисульфидные мостики) и поэтому ее обозначают как ковалентную структуру.

Белки отличаются друг от друга по первичной струтуре. Соединяя аминокислоты в различном порядке, можно получить почти бесконечное число последовательностей и, значит, почти бесконечное множество разнообразных белков. также идентичны цитохромы С коровы, овцы и свиньи. Следовательно, первичная структура гомологичных белков может быть применена в качестве критерия для установления родства между отдельными видами живых существ.

Первичная структура белков - основа для определения более высоких уровней их пространственной организации.

В т о р и ч н а я с т р у к т у р а - это способ укладки остова (стержня, хребта) полипептидной цепи без учета укладки радикалов. Она включает два различных типа регулярных структур, встречающихся во многих белках: спиральные структуры и структуры складчатого слоя (листа).

Из спиральных структур признанной является a-спираль (спираль Полинга и Кори). Она стабилизирована водородными связями, образованными между находящимися поблизости СО- и NH-группами пептидных связей данной полипептидной цепи. При этом кислород каждой СО-группы образует водородную связь с водородом четвертой по ходу цепи NH-группой. Благодаря a-спирали белковая молекула напоминает растянутую пружину (рис 2.1). Один виток спирали включает 3,6 остатка аминокислот (11 атомов полипептидной цепи), высота одного витка по оси (шаг спирали) равна»0,54 нм, вертикальный прирост, соответствующий одному аминокислотному остатку, составляет 0,15 нм; внутренний диаметр спирали равен 1,01 нм. Водородные связи приблизительно параллельны оси спирали.

Другой тип вторичной структуры - b-структура (или структура складчатого листа) стабилизирован водородными связями, возникающими между СО- и NH-группами прилегающих друг к другу различных полипептидных цепей или различных участков одной и той же полипептидной цепи.

В пространственном представлении b-структура обнаруживает “плиссированность” (складчатость), причем радикалы аминокислотных остатков стоят попеременно с разных сторон складчатого листа (рис 2.2). В зависимости от взаимного положения атомов в разных цепях или участках одной цепи возможно существование двух типов складчатого листа. Если обе цепи направлены в одну сторону, такое расположение называют п а р а л л е л ь н ы м, если цепи направлены в противоположные стороны - а н т и п а р а л л е л ь н ы м.

Т р е т и ч н а я с т р у к т у р а - это способ компактного расположения в пространстве всех атомов и групп полипептидной цепи, имеющей вторичную структуру. Эта структура трехмерна и характеризует конформацию молекулы белка в целом. В стабилизации третичной структуры участвуют водородные связи как между пептидными группами, так и радикалами аминокислотных остатков, ионные дисульфидные связи, гидрофобное взаимодействие и некоторые другие связи (рис 2.3).

Важное значение в формировании третичной структуры белковой молекулы имеют последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи, размер, форма и полярность радикалов аминокислотных остатков. При формировании третичной структуры большая часть гидрофобных радикалов располагается внутри белковой молекулы; полярные (гидрофильные) радикалы находятся на ее поверхности, т.е. поверхность молекулы белка преимущественно гидрофильна.

Ч е т в е р т и ч н а я с т р у к т у р а. Белки, имеющие молекулярную массу более 50000 состоят из двух или нескольких отдельных полипептидных цепей и называются л и г о м е р н ы м и. Ранее указывалось, что отдельные полипептидные цепи в таких белках называют п р о т о м е р а м и, а функциональные части - с у б ъ е д и н и ц а м и. Субъединицы могут состоять из одной или более полипептидных цепей. Каждая из полипептидных цепей, образующих субъединицу, характеризуется своей первичной, вторичной и третичной структурами.

Наиболее часто в составе олигомерных белков содержится 2 или 4 протомера, реже - от 6 до 12 или 24 и в редчайших случаях их число может быть нечетным. Между собой отдельные протомеры соединяются водородными, ионными, гидрофобными и другими нековалентыми связями.

Способ совместной упаковки и укладки в пространстве полипептидных цепей олигомерного белка вего нативной конформации называют ч е т в е р т и ч н о й с т р у к т у р о й. Эта структура олигомерных белков определяется первичной структурой, входящих в их состав протомеров.

Классическим примером белка, для которого методом рентгено-структурного анализа М.Перуц и его сотрудники установили третичную и четвертичную структуры, является г е м о г л о б и н. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей - двух a-цепей (по 141 остатку) и двух b-цепей (по 146 остатков аминокислот), каждая из которых связана с небелковым железосодержащим веществом - г е м о м (рис 2.5). При образовании единой молекулы гемоглобина одинаковые цепи (a - a и b - b) мало соприкасаются и между ними осуществляется лишь ион-ионное взаимодействие конце-вых групп. В то же время между a- и b-цепями образуется большое число неполярных и водородных связей. При этом в образовании связей меж-ду a1 и b1 (a2 и b2) димерами участвуют 34 боковых остатака, а между a1 и b2 (a2 и b1) - лишь 19 остатков.

То обстоятельство, что крупные молекулы белков состоят обычно из нескольких полипептидных цепей, а не из одной очень длинной цепи, дает ряд преимуществ: при их биосинтезе требуется значительно меньшая генетическая информация (меньший участок структурного гена ДНК), чем при большой одноцепочечной молекуле; сводятся к минимуму появления случайных ошибок при их биосинтезе, становятся возможными регуляторные взаимодействия

Фолдинг белков.

В биохимии и молекулярной биологии фо́лдингом белка (укладкой белка, от англ. folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную натевидную пространственную структуру (так называемая третичная структура).

Каждая молекула белка начинает формироваться как полипептид, транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки аминокислот. У полипептида нет устойчивой трёхмерной структуры (пример в левой части изображения). Однако все аминокислоты в цепочке имеют определённые химические свойства: гидрофобность,гидрофильность, электрический заряд. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами.

В редких случаях нативными могут быть сразу две конформации белка (т. н. конформеры). Они могут сильно различаться, и даже выполнять различные функции. Для этого необходимо, чтобы в разных областях фазового пространства белковой молекулы существовали два примерно равных по энергии состояния, каждое из которых будет встречаться в нативной форме с соответствующей вероятностью.

Для стабилизации третичной структуры многие белки в клетке подвергаются посттрансляционной модификации. Весьма часто встречаются дисульфидные мостики между пространственно-близкими участками полипептидной цепи.

Для корректной работы белков весьма важна правильная трёхмерная структура. Ошибки сворачивания обычно приводят к образованию неактивного белка с отличающимися свойствами (более подробно это описано в статье Прионы). Считается, что некоторые болезни происходят от накопления в клетках неправильно свёрнутых белков.^[1]

В фолдинге участвуют белки-шапероны. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие.

Механизм сворачивания белков до конца не изучен. Экспериментальное определение трёхмерной структуры белка часто очень сложно и дорого. Однако аминокислотная последовательность белка обычно известна. Поэтому учёные пытаются использовать различные биофизические методы, чтобы предсказать пространственную структуру белка из его первичной аминокислотной последовательности