Четвертичная структура белка

В организме существуют белки, состоящие из нескольких одинаковых или разных полипептидных цепей. Каждая цепь имеет 3 уровня структурной организации и называется протомером (субъединицей). Четвертичная (IV)

Рис. 1.15. Структурные уровни белковой молекулы

структура белка - пространственное взаиморасположение нескольких полипептидных цепей (протомеров или субъединиц). Белок, имеющий IV структуру, называется олигомерным (рис. 1.15). Число протомеров в олигомере зависит от его функции и может составлять от двух (фермент гексокиназа) до нескольких десятков или даже сотен (пируватдегидрогеназный комплекс).

Взаимодействие контактных поверхностей протомеров в олигомерном белке происходит строго по принципу комплементарности. При этом между радикалами 2 протомеров образуются только слабые нековалентные связи (гидрофобная, водородная, ионная). Олигомерные белки при определенных условиях могут диссоциировать.

Все молекулы одного и того же нативного белка (nature - природа) имеют одинаковую пространственную структуру, так как информация обо всех уровнях пространственной укладки закодирована в первичной структуре белковой молекулы.

Совокупность всех пространственных уровней укладки (II, III и IV структур) получила название конформации белка. Слабые химические связи, стабилизирующие пространственную структуру, очень чувствительны к изменениям температуры, рН среды или воздействиям специфических лигандов. Их разрыв вызывает изменение конформации белка, которое обычно бывает обратимо. Такая изменчивость пространственной структуры получила название конформационной лабильности.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Физико-химические свойства белков и пептидов (заряд, масса, растворимость) определяются его аминокислотным составом.

Суммарный заряд пептида складывается из зарядов радикалов ионогенных аминокислот, входящих в него, поскольку в растворе они способны ионизироваться:

Рис. 1.16. Ионизация полярных заряженных групп радикалов аминокислот в растворе

А - карбоксильная группа в растворах при рН 7,0 депротонируется и приобретает отрицательный заряд; при рН < 7,0 происходит образование незаряженной формы;

Б - аминогруппа и другие катионогенные группы в растворе при рН 7,0 протонируются и приобретают положительный заряд; при рН >7,0 они становятся неионизированными

Заряды концевых свободных амино- и карбоксильных групп в цепях обычно компенсируют друг друга и не влияют на суммарный заряд белка. Например, суммарный заряд тетрапептида Лиз-Сер-Асп-Арг при рН 7,0 равен +1, так как складывается из заряда двух катионогенных (Лиз и Арг) и одной анионогенной (Асп) аминокислот, входящих в его состав:

Белки - высокомолекулярные соединения, их растворы обладают высокой вязкостью, способностью набухать, подвижностью в электрическом

поле. В растворе диполи воды образуют гидратную оболочку вокруг молекул белка, имеющих заряд. Если белок теряет заряд, диполи воды покидают молекулу, гидратная оболочка разрушается, образуются конгломераты белковых молекул и выпадает осадок. Таким образом, растворимость белка зависит от массы и заряда его молекулы.

Заряд белковой молекулы изменяется в зависимости от рН среды, так как при этом меняется степень ионизации групп радикалов. Например, белок сыворотки крови альбумин имеет высокий суммарный отрицательный заряд, так как в его состав входит много дикарбоксильных аминокислот. При изменении значения рН раствора альбумина от щелочного (рН >7,0) до сильнокислого (рН <<7,0) ионизация карбоксильных групп радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот будет изменяться, влияя не только на заряд, но и на растворимость белка (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Заряд и растворимость альбумина при разных значениях рН среды

А - в нейтральной среде заряд равен -1;

Б - в щелочной среде заряд молекулы альбумина

равен -2;

В - в слабокислой среде заряд молекулы альбумина равен 0 (изоэлектрическое состояние), альбумин выпадает в осадок;

Г - в сильнокислой среде заряд молекулы равен +1, осадок растворяется, альбумин переходит в раствор

При определенном значении рН заряд белковой молекулы компенсируется ионами среды и молекула белка становится электронейтральной; такое состояние белка называется изоэлектрическим состоянием. Белок теряет гидратную оболочку и выпадает в осадок. Изоэлектрическая точка (pI) - такое значение рН среды, при котором молекула белка находится в изоэлектрическом состоянии (ее заряд равен 0). Так, для сывороточного альбумина изоэлектрическая точка находится при рН < 7,0 (pI = 5,6).

рI большинства протеинов лежит в слабокислой среде, т.е. в них преобладают анионогенные аминокислоты (пепсин, альбумин), но есть и основные белки (цитохром С, лизоцим, гистоны).

На растворимость полипептида влияет также форма молекулы. Большинство белков имеют округлую, шаровидную (или приближенную к ней) форму глобулы (рис. 1.18, А), они обычно хорошо растворимы в воде. Глобулярные белки преобладают в организме, к ним относится большинство ферментов, гемоглобин, миоглобин и т.д. Реже формируются белки вытянутой, нитевидной формы - фибриллярные (рис. 1.18, Б). Например, коллаген - основной компонент соединительной ткани, выполняющий структурную функцию; кератины, содержащиеся в эпидермисе кожи, волос, ногтей. Фибриллярных белков в организме меньше, они имеют выраженные гидрофобные свойства.

Рис. 1.18. Глобулярный (А) и фибриллярный (Б) белки

Слабые химические связи, формирующие пространственную структуру белка, могут разрушаться при воздействиях различных факторов и соединений (высокая температура, ионизирующая радиация, концентрированные кислоты и щелочи, мочевина, спирты, фенол, формальдегид, соли тяжелых металлов и т.д.). Это явление получило название денатурации белка. Первичная структура при этом сохраняется, так как

стабилизируется ковалентными (прочными) пептидными связями. Молекулы денатурированного белка приобретают случайную конформацию (рис. 1.19). Биологическая активность при денатурации обычно полностью утрачивается, так как изменение структуры (II, III уровней) приводит к разрушению активного центра белка.

Рис. 1.19. Денатурация и ренативация рибонуклеазы

А - нативная конформация белка с высокой активностью.

Б - денатурированный фермент с низкой активностью.

В - регенерированная нативная конформация и высокая активность

Известен белок рибонуклеаза, который in vitro после денатурации мочевиной и последующего удаления денатурирующего фактора восстанавливает конформацию - ренативируется (см. рис. 1.19). Это подтверждает главную роль первичной структуры полипептидной цепи как источника информации для пространственной организации белковой молекулы.

В клетках (in vivo) полную денатурацию предотвращают шапероны (белки теплового шока),

синтез которых увеличивается при повышении температуры. Кроме ренативации, шапероны обеспечивают фолдинг (формирование пространственной структуры) белка при его синтезе (см. раздел 3).