Конформация глобулярных белков. Вторичная, третичная, четвертичная структуры

Термин конформация применительно к белкам используется для описания пространственного расположения (всей целиком или отдельных участков) полипептидной цепи, способной изменять свое положение в пространстве без разрыва ковалентного скелета благодаря свободному вращению вокруг углерод-углеродных связей.

Вторичная структура- это упорядоченное пространственное расположение (конформация) отдельных участков полипептидной цепи. Она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами, т.е. между водородом иминогруппы и кислородом карбонильной группы. Вторичная структура представлена такими регулярными структурами как a-спираль, b-складчатые слои, b-изгиб. Часть полипептидной цепи не имеет упорядоченной структуры, такие участки называют аморфными или бесструктурными областями. Тот или иной вид вторичной структуры определяется первичной структурой данного участка полипептидной цепи и является термодинамически наиболее выгодным при заданных биологических условиях.

a-спираль характеризуется предельно плотной упаковкой полипептидной цепи. Туго скрученный хребет полипептидной цепи образует стержень. Радикалы аминокислотных остатков обращены наружу и расположены по разные стороны от ее оси (рис.1.1).

Неполярные радикалы аминокислотных остатков обычно группируются на одной стороне a-спирали, образуя неполярные дуги: это создает условия для сближения разных спиральных участков. В природных белках существуют лишь правозакрученные a-спирали, что вызвано наличием в белках аминокислот L-ряда.

a-спираль стабилизируется водородными связями, возникающими между кислородом карбонильных групп и водородом иминогрупп, расположенных на соседних витках спирали. Каждая карбонильная группа образует водородную связь с четвертой по ходу NН- группой. В a-спирали все водородные связи примерно параллельны оси спирали. Способствуют образованию a-спирали ГЛУ, АЛА, ЛЕЙ. Удельный вес спирализованных участков в белках различен. Так, полипептидные цепи миоглобина на 80% представлены в виде a-спирали, в инсулине спирализовано лишь 50% цепей, химотрипсин их не содержит совсем

Рис 1.1 Участок a-спиральной структуры белка

b-структура. Л.Полинг и Кори открыли другой вариант периодической структуры, который они назвали b-складчатыми слоями. Этот вариант вторичной структуры отличается тем , что имеет плоскую, а не стержневидную форму. Полипептидные цепи в b-складках почти полностью вытянуты, а не туго скручены, как в a-спирали. Складчатые участки ППЦ стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, формируя складчатые слои или ленты.

Большинство складчатых структур содержит менее 6 слоев. Прилежащие участки ППЦ в складчатом слое могут иметь одинаковую векторность (параллельный b-слой) или идти в противоположных направлениях ( антипараллельный b-слой). Радикалы аминокислотных остатков перпендикулярны плоскости слоев, причем эти радикалы ориентированы то по одну, то по другую стороны этой плоскости. Формированию b-структуры способствуют такие аминокислоты как МЕТ, ВАЛ, ГЛИ, ПРО.

b-изгиб- это поворот ППЦ на 180 градусов. Он образуется за счет водородной связи в результате взаимодействия кислорода карбонильной группы одного остатка и водорода иминогруппы другого аминокислотного остатка. Глобулярные белки имеют компактную шарообразную конформацию благодаря тому, что ППЦ делает много b-изгибов. Формированию b-изгибов способствуют остатки пролина.

Аморфные (бесструктурные, неупорядоченные области) это участки ППЦ, характеризующиеся нерегулярной структурой, которая также удерживается благодаря водородным связям.

Супервторичная структура. a -спиральные и b-структурные участки в белках могут взаимодействовать друг с другом и между собой, образуя ансамбли. Пространственное строение таких ансамблей вторичной структуры называют сверх- или супервторичной структурой. Например, - суперспирализованная a-спираль, в которой две a-спирали накручены одна на другую.

Домены. Они представляют собой структурно и функционально обособленные области молекулы, соединенные друг с другом короткими участками полипептидной цепи, которые называются шарнирными участками.

Третичная структура характеризует пространственное расположение упорядоченных и аморфных областей ППЦ в целом, т.е. описывает пространственную укладку (конформацию) всей белковой молекулы, если она представлена одной ППЦ. Третичная структура обусловлена сближением и взаимодействием радикалов аминокислотных остатков, далеко отстоящих друг от друга в линейной последовательности ППЦ.

Глобулярные белки характеризуются компактной упаковкой ППЦ. При этом неполярные радикалы аминокислотных остатков, не имеющие сродства к воде, локализованы в основном внутри глобулы и формируют одну или несколько гидрофобных областей (ядер) в центре белковых глобул. Большинство полярных радикалов находится на поверхности глобулы в гидратированном состоянии и обращено в сторону водного окружения. На поверхности глобулы может находиться также небольшое количество неполярных радикалов, где они, скапливаясь, образуют гидрофобные кластеры или "липкие" зоны. Таким образом, в целом поверхность белковой глобулы мозаична: в основном гидрофильна, но содержит и неполярные участки.

Третичную структуру стабилизирую следующие виды связей:

1 Ковалентные связи (дисульфидные)

2 Нековалентные

а) гидрофобные связи

б) водородные связи

в) ионные связи

1. Дисульфидная связь (дисульфидный мостик) образуется за счет взаимодействия (окисления) SН-групп радикалов ЦИС внутри одной полипептидной цепи (внутрицепочная дисульфидная связь) или между различными полипептидными цепями (межцепочечная дисульфидная связь).

НЕКОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ, ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ.

1. Гидрофобные взаимодействия между сближенными гидрофобными (неполярными) радикалами аминокислотных остатков (ала, вал, лей, иле, три, фен, про, гли, мет). (рис.1.2)

2. Солевые или ионные связи возникают между боковыми радикалами аминокислотных остатков, имеющими противоположные заряды вследствие диссоциации карбоксильной группы и протонирования аминогрупп. В качестве основных (положительно заряженных) групп могут выступать e-аминогруппа лиз, гуанидиновая группа арг, имидазольная группа гис, (один из атомов азота имидазольной группы обладает основными свойствами, другой - кислотными). Помимо гистидина в качестве кислотных (отрицательно заряженных групп) выступают свободные карбоксильные группы асп и глу.

Нативная конформация наиболее энергетически выгодное состояние. Третичная структура определяется первичной структурой ППЦ, таким образом можно говорить о генетической детерминированности третичной структуры.

Рис. 1.2 Связи, стабилизирующие третичную структуру белка. I - ионная связь, II - водородная связь, III - гидрофобные связи, IU - дисульфидная связь.

Четвертичная структу описывает взаимную ориентацию двух или нескольких ППЦ в молекуле белка, синтезируемых независимо друг от друга. Белки с четвертичной структурой называются олигомерами, а составляющие их полипептидные цепи - протомерами или субъединицами. Субъединицы олигомерных белков могут быть одинаковыми или разными. Они имеют буквенное обозначение, чаще всего в состав олигомеров входит четное число протомеров. Четвертичная структура зависит от первичной, вторичной и третичной структур составляющих ее субъединиц. Формирование четвертичной структуры происходит по типу самосборки без участия ферментов.

Четвертичная структура стабилизируется в основном гидрофобными связями, благодаря наличию на поверхности субъединиц гидрофобных «липких» зон. Белками с четвертичной структурой являются гемоглобин (4 субъединицы), иммуноглобулины (две легкие и две тяжелые цепи), сократительный белок миозин (2 тяжелые и 4 легкие цепи). Ферменты с четвертичной структурой выполняют особую регуляторную функцию.

Присутствие большого числа различных олигомерных белков внутри клетки снижает осмотическое давление в ней и вязкость. Олигомерные белки хорошо регулируются различными эффекторами. Биологический смысл олигомерности белков связан также с тем, что для их кодирования требуется меньше генетического материала, если все или некоторые субъединицы молекулы являются идентичными. У олигомерных белков существует меньшая вероятность возникновения дефектных молекул.