Строение белков

Различают несколько уровней структуры белков: первич­ную, вторичную, третичную, а для олигомерных белков — и четвертичную структуры.

Первичная структура

Первичная структура — это последовательность аминокис­лотных остатков, связанных друг с другом пептидными связями (сл. 21).

Именно данная структура непосредственно кодируется по­следовательностью кодонов в мРНК и воспроизводится при трансляции.

Принципиально важно, что практически все 20 аминокис­лотных остатков, встречающихся в природных белках, имеют сходный план строе­ния. Они содержат трехчленный остов, со средним (α-углеродным) атомом которого связан тот или иной радикал R:

Именно радикалами и различаются аминокислотные остатки. Соединяясь друг с другом пептидными связями, остовы ос­татков формируют непрерывный остов пептидной цепи, где чередуются три типа связи (сл. 22). Вокруг одной из них (пептидной связи -СО—NH-) вращения невозможны. Зато во­круг двух остальных связей (-NH—С_αН- и -С_αН—СО-) возможно вращение. Это-то и позволяет пептидной цепи изгибаться са­мым причудливым образом, что приводит к образованию вто­ричной и третичной структур.

Вторичная структура

Вначале многие фрагменты пептидной цепи приобретают периодическую укладку того или иного типа: α-спираль или β-структуру. Этот низший уровень пространственной организации называется вторичной структурой.

Так, целиком представлены α-спиралью следующие белки: миозин, тропомиозин α- кератин. В этих белках несколько цепей с α-спиралей закруче­ны в суперспираль.

Белки же только с β-структурой – фиброин шелка и β-кератин.

Особый вид вторичной структуры в еще одном фибриллярном белке – коллагене. Он имеет общие черты и с α- спиралью, и с β- структурой и называет­ся коллагеновой спиралью.

Что же представляют собой α-спираль и β-структура?

а) α-Спиралъ (сл.23). Здесь остов пептидной цепи закручивается в спираль так, что радикалы амино­кислот обращены кнаружи от спирали.

Эта структура удерживается водо­родными связями между остовами аминокислот. Более точно, в образовании одной такой связи участвуют группа –NН– одной аминокислоты и группa –СО– другой аминокислоты, которая в пептидной цепи отделена от первой тремя другими аминокислотами.

В итоге на один виток α- спирали приходится в среднем 3,6 аминокислотных остатков.

Важно подчеркнуть, что α- спираль (как в других случаях β-структуpa) образуется только потому, что является наиболее термодинамически выгодным состоянием для данного участка пептидной цепи.

6) β-Структура (сл.24). Здесь остовы пептидных цепей не скручены в спираль, а имеют зигзагообразную конфигурацию (структура складчатого листа)

Такая структура тоже удерживается водородными связями и между теми же группами (–NН– и –СО—). Но теперь для сближения этих групп и образования связей пептидная цепь образует складки.

От чего же зависит вторичная структура того или иного бел­ка или его фрагмента? Ответ однозначен: она определяется пер­вичной структурой белка или рассматриваемого фрагмента.

Иными словами, боковые радикалы аминокислот, хотя не­посредственно и не участвуют в стабилизирующих эту структу­ру связях, тем не менее определяют, каким образом пептидная цепь может свернуться для образования таких связей и может ли свернуться вообще.

Третичная структура

О третичной структуре обычно говорят применительно лишь к глобулярным белкам.

Под ней понимают конформацию белковой глобулы, т. е. укладку в пространстве α-спи ральных, β -структурных и бес­структурных участков пептидной цепи.

В отличие от вторичной, третичная структура образуется иудерживается за счет образования связей непосредственно между радикалами аминокислот.

Конкретный характер этих связей зависит от природы ра­дикалов.

По своим физико-химическим свой­ствам радикалы всех аминокислот подразделяются на 3 группы, а образуемые между ними связи сводятся к 4-5 видам.

Одна связь является ковалентной — дисульфидная связь между остатками цистеина.

Остальные связи — нековалентные, т. е. относятся к т. н. слабым взаимодействиям. Это:

- ионные связи между разноименно заряженными (а,следовательно, гидрофильными) радикалами.

- водородные связи между полярными (как заряженными, так и незаряженными) радикалами,

- гидрофобные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия меж­ду неполярными (т. е. гидрофобными) радикалами (сл.25, 26).

Замыкание большого числа межрадикальных связей приводит к образованию термодинамически наиболее устойчивой конфигурации — нативной третичной структуры белка.

При этом взаимодействующие друг с другом радикалы мо­гут находиться в вытянутой пептидной цепи весьма далеко друг от друга. Сближение же их происходит лишь в результате слож­ных изгибов этой цепи в трехмерном пространстве.

В итоге образуется глобулярная частица, причем одни ра­дикалы находятся внутри нее, а другие — ив ее поверхности.

Вообще, формирование третичной структуры играет ре­шающую роль в приобретении белком присущей ему функцио­нальной активности.

Как правило, именно на уровне этой структуры в белке появляются т. н. активные центры (один или несколько), группы из нескольких радикалов, способные спе­цифично взаимодействовать с определенными лигандами.

Эти радикалы опять-таки на уровне первичной структуры зачастую находятся далеко друг от друга и сближаются лишь в процессе фолдинга.

Вместе с тем третичная структура обладает определенной подвижностью. Изменение конформации белков — важнейший способ изменения их биологической активности, который широко используется в клетке для peгуляции различных процессов.

Четвертичная структура

О наличии у белка четвертичной структуры говорят тогда, когда он состоит из нескольких субъединиц. Примером являет­ся гемоглобин, молекула которого включает 4 субъединицы двух видов.

Субъединицы связываются за счет взаимодействия амино­кислотных радикалов, находящихся на контактирующих по­верхностях субъединиц.Связывание субъединиц может происхо­дить лишь после образования третичной структуры.

С другой стороны, это связывание само сказывается на тре­тичной структуре субъединиц: доводит ее до функционально ак­тивного или, напротив, неактивного состояния. Поэтому такие белки обычно активны лишь в олигомерной форме (как гемогло­бин) или, наоборот, только в диссоциированном состоянии (как некоторые протеинкиназы).

Формирование нативной трехмерной структуры белков.

(Факторы, определяющие пространственную структуру белка)

Роль первичной структуры

Первичная структура бел­ка полностью определяет вторичную структуру различных его фрагментов. То же самое можно сказать и в отношении более вы­соких структур — третичной и четвертичной.

Это было показано К. Анфинсеном в 1973 г. в классическом эксперименте с рибонуклеазой (рис. 3.19).

Данная РНКаза состоит из одной пептидной цепи, включа­ющей 124 аминокислотных остатка. Среди них — 8 остат­ков цистеина (Цис), образующих попарно 4 дисульфидные связи.

Принципиальный момент: всего может быть 105 комбина­ций таких попарных взаимодействий; в каждой из них n = 8 ос­татков Цис образуют друг с другом 4 дисульфидные связи. (Со­гласно комбинаторике, количество этих комбинаций рассчитывается как произведение нечетных чисел до n: в данном слу­чае — 3x5x7 = 105.)

Из всех комбинаций в нативной РНКазе реализуется только одна — и строго определенная: 26-84, 40-95, 58- 110, 65- 72 (цифры указывают положение остатков Цис в вытянутой по­липептидной цепи). Как видно, в боль­шинстве случаев взаимодействующие радикалы Цис находятся в пептидной цепи достаточно далеко друг от друга.

Кроме дисульфидных, в третич­ной структуре РНКазы имеются и дру­гие связи— в частности, водородные.

Таким образом, вся информация о третичной структуре белка заключена в его первичной структуре, т.е. в последовательности аминокислот в пептидной цепи.

Однако, хотя первичная структура пептидной цепи, конечно, играет определенную роль в фолдинге этой цепи, но она не всегда оказывается достаточной для обеспечения фолдинга или (и) его окончательного завершения.