Структура белковой молекулы. Уровни структурной организации белковой молекулы. Функции белков

Белковая молекула имеет четыре типа структурной организации – первичная, вторичная, третичная и четвертичная.

Первичная структура

Линейная структура, представляющая собой строго определенную генетически обусловленную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Основной вид связи – пептидная (механизм образования и характеристика пептидной связи рассмотрены выше).

Полипептидная цепь обладает значительной гибкостью и в результате внутри цепочечных взаимодействий приобретает определенную пространственную структуру (конформацию).

В белках различают два уровня конформации пептидных цепей – вторичную и третичную структуры.

Вторичная структура белка

Это укладка полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между атомами пептидных групп одной полипептидной цепи или смежных цепей.

При формировании вторичной структуры водородные связи образуются между атомами кислорода и водорода пептидных групп:

По конфигурации вторичная структура делится на два типа:

спиральные (α-спираль)

слоистоскладчатые (β-структура и кросс- β-форма).

α-Спираль имеет вид регулярной спирали. Формируется благодаря межпептидным водородным связям в пределах одной полипетидной цепи (рис. 1).

Рис. 1. Схема формирования α-спирали

Основные характеристики α-спирали:

– водородные связи образуются между пептидными группами каждого первого и четвертого аминокислотного остатка;

– витки спирали регулярны, на один виток приходится 3,6 аминокислотных остатков;

– боковые радикалы аминокислот не участвуют в образовании α-спирали;

– в образовании водородной связи участвуют все пептидные группы, что обуславливает максимальную стабильность α-спирали;

– поскольку все атомы кислорода и водорода пептидных групп вовлечены в образование водородных связей, то это приводит к снижению гидрофильности α-спиральных областей;

– α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипетидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии;

– препятствуют образованию α-спирали пролин и оксипролин – в местах их расположения регулярность α-спирали нарушается и полипептидная цепь легко изгибается (ломается), так как не удерживается второй водородной связью (рис.2).

Рис. 2. Нарушения регулярности α-спирали

Атом азота α-иминогруппы пролина при образовании пептидной связи остается без атома водорода, следовательно не может участвовать в образовании водородной связи. Много пролина и оксипролина в полипептидной цепи коллагена (см. классификацию простых белков – коллаген).

Высокая частота α-спирали характерна для миоглобина и глобина (белок, входящий в состав гемоглобина). В среднем глобулярные (округлые или эллипсовидные) белки имеют степень спирализации 60–70 %. Спирализованные участки чередуются с хаотическими клубками. В результате денатурации белка переходы спираль → клубок увеличиваются. На спирализацию (формирование α-спирали) влияют радикалы аминокислот, входящие в состав полипептидной цепи, например, отрицательно заряженные группы радикалов глутаминовых кислот, расположенные вблизи друг от друга, они отталкиваются и препятствуют образованию α-спирали (образуется клубок). По той же причине препятствуют образованию α-спирали близко расположенные аргинин и лизин, имеющие положительно заряженные функциональные группы в радикалах (см. пример протамины и гистоны).

Препятствуют формированию α-спирали также большие размеры радикалов аминокислот (например, радикалы серина, треонина, лейцина).

Таким образом, содержание α-спиралей в белках неодинаково.

β-Структура (слоисто-складчатая) – имеет слабо изогнутую конфигурацию полипептидной цепи и формируется с помощью межпептидных водородных связей в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи или смежных полипептидных цепей. Различают две разновидности β-структуры:

– к росс-β-форма (короткая β-структура) – представляет собой ограниченные слоистые участки, образованные одной полипептидной цепью белка (рис. 3).

Рис. 3. Кросс-β-форма белковой молекулы

Большинство глобулярных белков включают короткие β-структуры (слоистые участки). Их состав может быть представлен следующим образом: (αα), (αβ), (βα), (αβα), (βαβ).

– полная β-структура . Этот тип характерен для всей полипептидной цепи, которая имеет вытянутую форму и удерживается межпептидными водородными связями между смежными параллельными или антипараллельными полипептидными цепями (рис. 4).

Рис. 4. Полная β-структура

В антипараллельных структурах связи более стабильны, чем в параллельных.

Белки с регулярной β-структурой более прочные, плохо или совсем не перевариваются в желудочно-кишечном тракте.

Формирование вторичной структуры (α-спирали или β-структуры) обусловлено последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи (т.е. первичной структурой белка) и, следовательно, генетически предопределено. Благоприятствуют образованию β-структуры такие аминокислоты как метионин, валин, изолейцин и аспарагиновая кислота.

Белки с полной β-структурой имеют фибриллярную (нитевидную) форму. Полная β-структура встречается в белках опорных тканей (сухожилий, кожи, костей, хрящей и др.), в кератине (белок волос и шерсти) (характеристику отдельных белков см. в разделе «Белки пищевого сырья»).

Однако не все фибриллярные белки имеют только β-структуру. Например, α-кератин и парамиозин (белок запирательной мышцы моллюска), тропомиозин (белок скелетных мышц) – относятся к фибриллярным белкам а вторичная структура у них – α-спираль.

Биосинтез белковых молекул происходит в рибосомах клеток путем последовательного соединения пептидной связью аминокислотных остатков. Последовательность их расположения определяется молекулами ДНК, М-РНК и другими, несущими наследственную информацию. По мере синтеза полипептидная цепь как бы «выползает» из маленькой рибосомы в цитоплазму. В цитоплазме гибкая молекула белка принимает ту или иную форму - конформацию, или вторичную структуру, при сохранении всех ковалентных связей, обусловленных ее первичной структурой.

Сравнительная гибкость больших белковых молекул проявляется в наличии многих возможных конформаций, переходящих одна в другую при изменении внешних условий. Этим белковые молекулы существенно отличаются от малых органических молекул классической органической химии.

Одной из наиболее важных и интересных вторичных структур белковых молекул является а-спиральная структура, впервые установленная Полингом и Кори в 1953 г. . Она возникает под действием внутримолекулярных водородных связей между пептидными группами молекулы белка.

Полинг и Кори показали, что а-спиральная структура, т. е. сворачивание пептидной цепи в спираль, обусловлена тремя цепочками водородных связей (рис. 14) между пептидными группами. Первая цепь связывает водород первой пептидной группы с кислородом четвертой, водород четвертой - с кислородом седьмой и т. д. Вторая цепь водородных связей осуществляется между водородом второй пептидной группы с кислородом пятой, водородом пятой - с кислородом восьмой и т. д. Третья цепь водородных связей осуществляется между водородом третьей пентидной группы с кислородом шестой, водородом шестой - с кислородом девятой и т. д. В результате образуется правая спираль с шагом 5,6 А и диаметром 4,56 А. Период спирали 27 А. На пять оборотов спирали приходится 18 остатков аминокислот. Все радикалы располагаются с наружной стороны спирали.

Рис. 14. Три цепи водородных связей в а-спиральной молекуле белка; О - кислород; - водород; - азот; пептидные группы получают номера входящих и них атомов углерода.

Энергия образования одной водородной связи между пептидными группами порядка 0,21 эВ. Следовательно, эта водородная связь относится к типу слабых. О небольшой энергии связи свидетельствует и малое смещение характеристических инфракрасных колебаний атомов в пептидной группе. При образовании водородной связи частота колебаний и частота колебаний изменяются и становятся равными соответственно (Амид I).

Колебание Амид I имеет энергию, равную и большой электрический дипольный момент. Согласно измерениям Ю. Н. Чиргадзе и Е. П. Рашевской разработали метод количественного анализа вторичной структуры белков в водных растворах и кристаллах, основанный на измерениях поляризации и интенсивности полосы поглощения, обусловленной колебаниями Амид I.

Белки и полипептиды, радикалы которых не содержат ароматических групп, поглощают свет в далекой ультрафиолетовой области спектра. Это поглощение обусловлено квантовыми переходами -электронов пептидной группы, участвующих в образовании дополнительной связи между атомами С и N. Полосы поглощения соответствуют частотам 52 600, 60600 и

более длинноволновая из них имеет энергию возбуждения приблизительно 6,52 эВ. Квантовый переход характеризуется большим дипольным моментом перехода

В а-спиральной молекуле белка эта полоса поглощения расщепляется на две полосы с максимумами в области длин волн 1980 А и 1890 А. Они поляризованы соответственно вдоль и поперек молекулы. Моффит (J. Chem. Phys., 1956, 25, 467) показал, что это так называемое давыдовское расщепление обусловлено резонансным взаимодействием периодически расположенных в молекуле пепетидных групп. Величина расщепления порядка

Если в состав первичной структуры белка входит остаток иминокислоты - пролина (8.2), то соответствующая пептидная группа не имеет водорода, так как у пролина атом азота удерживает только один атом водорода, который отщепляется при образовании пептидной связи с выделением молекулы воды. Атом азота такой пептидной группы не может образовать водородную связь с атомом кислорода соседней группы. Поэтому в месте расположения пролина структура а-спирали нарушается - происходит «излом» спирали.

Изгибы спиральной структуры часто происходят также в местах нахождения остатка простейшей аминокислоты - глицина (Гли), радикал которого содержит только атом водорода. Такое нарушение спиральной структуры белковой молекулы наблюдается наиболее часто в окрестности остатка Гли, если с ним соседствуют остатки Сер,

Стабилизация структуры с нарушенными участками спиральной структуры (спираль с локальными изгибами) осуществляется за счет возникающих химических и водородных связей между боковыми радикалами соседних участков молекулы. Из химических связей наиболее существенна дисульфидная связь (S-S), возникающая между атомами серы двух радикалов. Такая связь может возникнуть при сближении и окислении (потеря атома водорода) цистеиновых остатков, содержащих группы SH. Возможны также связи между радикалами, содержащими карбоксильные группы, и другими радикалами, содержащими группы ОН и NH.

В образовании вторичной структуры белка существенную роль играют и электростатические взаимодействия между радикалами, несущими электрические заряды. Отрицательные заряды получают радикалы остатков аспарагиновой и глутаминовой аминокислот при диссоциации в воде. Положительно заряжены остатки основных аминокислот! гистидил, лизил, аргинил. Процесс диссоциации зависит от pH среды.

Электрические взаимодействия между удаленными зарядами в значительной степени экранируются водой. Однако при сближении

Бета-структура белковых молекул, состоящая из четырех антипараллельных цепей.

противоположно заряженных радикалов их гидратные оболочки разрушаются и возникают так называемые солевые связи. Выигрыш свободной энергии Гиббса при образовании солевых мостиков обусловлен как кулоновским взаимодействием, так и «вменением структуры воды при разрушении гидратных оболочек.

Большинство белков при физиологическом значении pH несет суммарный отрицательный заряд. Некоторые белки в хромосомах содержат много лизина и аспаргинила, поэтому при физиологических условиях они заряжены положительно.

При изгибах полипептидной цепи и последующем сближении отдельных ее участков возможно образование поперечных водородных связей между пептидными группами, а не продольных связей, приводящих к а-спиральной структуре. В этом случае оба участка полимерной цепи выстраиваются параллельно или антипараллельно друг другу (рис. 15). Такой тип водородных связей между пептидными группами называют -формой. Он характерен для параллельно и антипараллельно уложенных полипептидных структур в белковых глобулах и в искусственно образованных полимерах: нейлоне, капроне и др.

В образовании стабильной формы белковой молекулы с нарушенными участками а-спиральной структуры существенную роль играют ее гидрофобные и гидрофильные взаимодействия с водой. Эти взаимодействия приводят к тому, что молекула сворачивается в клубок - глобулу, у которой на поверхности в основном располагаются участки с гидрофильными радикалами (глутамин, тирозин и др.), а внутри - с гидрофобными радикалами (лейцин, аланин, фенилаланин и др.).

Некоторые авторы к вторичной структуре белковой молекулы относят структуру, обусловленную только взаимодействиями между группами атомов внутри пептидной цепи (водородные, химические, ионные связи, дисульфидные мостики и т. д.). Конформацию всей молекулы белка, обусловленную ее взаимодействием с водным окружением, они относят к третичной структуре. Нам кажется такое разделение весьма условным.

В общем случае вторичная и третичная структуры белковой молекулы обусловлены ее первичной структурой, т. е. составом

и расположением аминокислотных остатков вдоль ее полипептидной цепи. Такая структура устанавливается после окончания синтеза всей белковой молекулы на рибосоме. Другими словами, в одинаковых внешних условиях белки с разной первичной структурой имеют и разные вторичную и третичную структуры - конфигурацию или конформацию х. Такая конформация соответствует минимуму свободной гиббсовской энергии системы, состоящей из белковой молекулы и ее окружения. Поскольку форма белковой молекулы существенно зависит от ее взаимодействия с внешней средой (вода, другие молекулы), то один и тот же белок может иметь различную конформацию в разных внешних условиях.

В работах О. Б. Птицына и ряда других авторов предложен метод предсказания вторичной структуры белка по его первичной структуре. Той же проблеме посвящены и исследования В. Лима . В результате этих исследований установлено, что образование длинных спиралей возможно внутри глобулы из участков, содержащих гидрофобные группы. Спиральными будут также участки молекулы, расположенные на поверхности глобулы, если их гидрофобные радикалы направлены внутрь глобулы, а гидрофильные находятся в контакте с водой.

В некоторых случаях несколько пептидных цепей объединяются за счет дисульфидных мостиков, водородных и ионных связей и вандерваальсовых взаимодействий в единую молекулу. Таковы, например, молекулы гемоглобина, «ходящие в состав красных кровяных телец (эритроцитов) крови. Они состоят из четырех пептидных цепей (см. п. 9.1). В этом случае говорят о четвертичной структуре белковой молекулы.

К молекулам, обладающим четвертичной структурой, относятся многие ферменты, катализирующие биологические реакции в клетках (см. § 9). Например, фермент фосфорилаза, ответственный

за занесение и деградацию гликогена в клетках, состоит из двух пептидных цепей с молекулярной массой 96 000 дальтон. А фермент аспартилтранскарбомилаза, входящий в систему, синтезирующую цитидинтрифосфат (ЦТФ), состоит из 12 полимеров. Шесть из них имеют молекулярную массу 35 000 дальтон, а шесть других - 17 000 дальтон. Наличие белков с четвертичной структурой исключительно важно для их физиологической активности (см. п. 9.3).

Белковые молекулы иногда объединяются в более сложные структуры. Например, а-спиральные белковые молекулы часто скручиваются попарно во вторичные спирали. Глобулярные белковые молекулы могут сами образовывать спиральные структуры. Такова, например, структура актиновых нитей в мышечных волокнах (см. п. 19.2).

Вторичная и более высокого уровня структуры обусловлены слабыми водородными связями, гидрофобными, гидрофильными и вандерваальсовыми взаимодействиями. Поэтому эти структуры нарушаются при нагревании до 60-70° С. Для разрушения первичной структуры без участия ферментов необходимы более высокие температуры.

Процесс разрушения вторичной и более высокого уровня структур, при сохранении первичной структуры молекулы, называется денатурацией белков. Вареная и жареная пища содержит денатурированные белки. Денатурация белковых молекул может происходить и при ультрафиолетовом облучении, воздействии солей тяжелых металлов и некоторых органических соединений. При денатурации белок теряет свои биологические функции.

Возможно также значительное изменение структуры белковой молекулы («частичная денатурация») на поверхности воды и в местах раздела водной и неводной среды. Попав на поверхность воды, глобулярная молекула меняет свою форму. Она «развертывается» в двумерную структуру так, чтобы неполярные группы выступили из воды, а полярные и заряженные остались в воде. В результате такой «поверхностной денатурации» молекула глобулярного белка становится более реакционно способной, так как обнажаются группы, скрытые ранее в воде. Вообще говоря, изменение формы белковой молекулы будет происходить и на границе между водой и другой крупной молекулярной структурой, например ферментом.

Обусловленное гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями выстраивание белковых молекул происходит в биологических мембранах на границе между водной средой и двойным липидным (жировым) слоем (см. § 12).

При рассмотрении структуры белковой молекулы при­нято различать четыре уровня ее организации: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.

Первичная структура белка. Под первичной структурой понимают число и последовательность аминокислотных ос­татков в полипептидной цепи (рис. 6). Она определяется: 1) природой входящих в белок аминокислот; 2) количеством каждой аминокислоты; 3) строго определенной аминокис­лотной последовательностью полипептидной цепи.

Небелковые (простетические) группы также включаются в первичную структуру белка. Основным типом химической связи первичной структуры является пептидная связь. Ряд бел­ков имеет небольшое число дисульфидных связей.

Каждый белок характеризуется уникальной первичной структурой, определяемой на генетическом уровне. В настоя­щее время установлено, что биологическая активность белка и его общая конформация определяются аминокислотной последовательностью. Замена аминокислоты в полипептид­ной цепи может привести как к структурным изменениям молекулы белка, так и к из­менениям его физико-хими­ческих свойств и биологичес­ких функций.

Рис.7. Модель и схема α-спирали.

Вторичная структура бел­ка. Под вторичной структурой полипептидной цепи понима­ют упорядоченное простран­ственное расположение отдель­ных ее участков. В природных белках определяется два основ­ных типа вторичной структуры: а-спираль и (3-структура (склад­чатые слои) (рис. 7). Основной химической связью, поддержи­вающей вторичную структуру, является водородная связь. В а-спирали диполи соседних пеп­тидных связей (каждая - С=О-группа имеет водородную связь с четвертой по ходу цепи - NН-группой) образуют обширную систему внутримолекулярных кооперативных водородных свя­зей, стабилизирующих спираль­ную конформацию полипеп-тидиой цепи. Боковые цепи аминокислот в а-спирали на­правлены кнаружи от центральной оси. р-Структура также ста­билизируется кооперативными межпептидными водородными связями в пределах отдельных участков одной полипептидной цепи (в глобулярных белках) или между смежными цепями (в фибриллярных белках).

В большинстве природных белков высокоструктурирован­ные участки цепи чередуются с участками без выраженной вто­ричной структуры. Например, на долю спирализованной части гемоглобина приходится 75 96, яичного альбумина - 45 %, а пепсина - лишь 28 %. Следовательно, для каждого белка характерна определенная сте­пень упорядоченности (структурированности) его полипептидной цепи. Спиральные и складча­тые структуры имеют важное значение для обеспечения прочности и устойчивости белковых молекул, их функциони­рования.

Третичная струк­тура белка. Третичная структура полипептид­ной цепи определяет характер укладки спи­ральных и линейных участков в данном объе­ме (рис. 8). Укладка цепи

в пространстве происходит с большой точностью: та или иная полипептидная цепь при определенных условиях свертывает­ся только одним-единственным способом, приобретая ту фор­му, которая характерна для молекул данного нативного (при­родного) белка. Благодаря такой строгой закономерности белок может полностью выполнять свое функциональное на­значение.

Форма молекул белка бывает разной: от шарообразной до нитевидной; по этому признаку белки делятся на глобу­лярные и фибриллярные (нитевидные). У глобулярных -- тре­тичная структура характеризуется достаточно плотной упа­ковкой цепи в виде клубка. Образование специфической укладки данного белка - кооперативный процесс, основан­ный на различных типах химических взаимодействий. Схема­тически они изображены на рисунке 9. Главную роль при этом играют гидрофобные взаимодействия, возникающие между неполярными остатками аминокислот. Большинство гидро­фобных группировок находится внутри глобулы, а гидрофиль­ные (полярные) остатки аминокислот локализуются на внеш­ней поверхности. Эти полярные группы гидратируются, что способствует хорошей растворимости белка.

Четвертичная структура белка. Четвертичная структура характерна для тех белков, молекула которых состоит из двух и более полипептидных цепей (субъединиц). Причем чаще всего встречаются димеры, тримеры и тетрамеры. Ста­билизацию четвертичной структуры обеспечивают некова-лентные взаимодействия между аминокислотными остат­ками, расположенными вблизи поверхности каждой глобулы. Из белков такого типа наиболее изучен гемогло­бин (рис. 10).

Молекула белка в четвертичной структуре - это взаим­ное пространственное расположение глобул, представляю­щих собой единое целое в структурном и функциональном смысле.

Четвертичной структуре принадлежит важная роль в ре­гуляции биологической активности белков, так как она очень чувствительна к внешним воздействиям, которые вызывают изменение взаиморасположения субъеди­ниц и, как следствие,- изменение актив­ности белка.

Изучение строения различных белков показало, что для каждого белка харак­терна своя пространственная структура - конформация. В ее формировании веду­щая роль принадлежит первичной струк­туре, определяемой хранящейся в ДНК информацией. Нативные структурирован­ные белковые молекулы имеют большую

Принято выделять четыре уровня структурной организации белковой молекулы: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Рассмотрим особенности каждого из этих уровней.

2.1.1. Первичной структурой белка называют последовательность чередования аминокислот в полипептидной цепи. Эту структуру формируют пептидные связи между α-амино- и α-карбоксильными группами аминокислот (см. 1.4.2). Имейте в виду, что даже небольшие изменения первичной структуры белка могут значительно изменять его свойства. Примером заболеваний, развивающихся в результате изменения первичной структуры белка, являются гемоглобинопатии (гемоглобинозы) .

В эритроцитах здоровых взрослых людей присутствует гемоглобин А (Hb А) . В крови некоторых людей содержится аномальный (изменённый) гемоглобин - гемоглобин (Hb S). Единственное отличие первичной структуры Hb S от Hb A - замена гидрофильного остатка глутаминовой кислоты на гидрофобный остаток валина в концевом участке их β-цепей:

Как известно, основная функция гемоглобина -транспорт кислорода к тканям. В условиях пониженного парциального давления О2 снижается растворимость гемоглобина S в воде и его способность связывать и переносить кислород. Эритроциты принимают при этом серповидную форму, быстро разрушаются, вследствие чего развивается малокровие (серповидно-клеточная анемия] .

Установлено, что последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи белка несёт в себе информацию, необходимую для формирования пространственной структуры белка. Установлено, что каждой полипептидной последовательности соответствует только один стабильный вариант пространственной структуры. Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную трёхмерную структуру получил название фолдинг.

До последнего времени считалось, что формирование пространственной структуры белка происходит самопроизвольно, без участия каких-либо компонентов. Однако сравнительно недавно обнаружилось, что это справедливо только для сравнительно небольших белков (порядка 100 аминокислотных остатков). В процессе фолдинга более крупных белков принимают участие специальные протеины - шапероны, которые создают возможность быстрого формирования правильной пространственной структуры белка.

2.1.2. Вторичная структура белка представляет собой способ свёртывания полипептидной цепи в спиральную или иную конформацию. При этом образуются водородные связи между СО-и NH-группами пептидного остова одной цепи или смежных полипептидных цепей. Известно несколько типов вторичной структуры пептидных цепей, среди которых главными являются α-спираль и β-складчатый слой.

α-Спираль - жёсткая структура, имеет вид стержня. Внутреннюю часть этого стержня создаёт туго закрученный пептидный остов, радикалы аминокислот направлены наружу. При этом СО-группа каждого аминокислотного остатка взаимодействует с NH-группой четвёртого от него остатка. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а шаг спирали составляет 0,54 нм (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. α-Спираль.

Некоторые аминокислоты препятствуют свёртыванию цепи в α-спираль, и в месте их расположения непрерывность спирали нарушается. К этим аминокислотам относятся пролин (в нём атом азота входит в состав жёсткой кольцевой структуры и вращение вокруг связи N - Сα становится невозможным) , а также аминокислоты с заряженными радикалами, которые электростатически или механически препятствуют формированию α-спирали. Если в пределах одного витка (примерно 4 аминокислотных остатка) находятся два таких радикала (или более), они взаимодействуют и деформируют спираль.

β-Складчатый слой отличается от α-спирали тем, что имеет плоскую, а не стержневидную форму. Образуется при помощи водородных связей в пределах одной или нескольких полипептидных цепей. Пептидные цепи могут быть расположены в одном направлении (параллельно) или в противоположных направлениях (антипараллельно) , напоминая меха аккордеона. Боковые радикалы находятся выше и ниже плоскости слоя.

Рисунок 2.2. β-Складчатый слой.

Обратите внимание на то, что тип вторичной структуры белка определяется его первичной структурой. Например, в месте расположения остатка пролина (атомы пирролидинового кольца в пролине лежат в одной плоскости) пептидная цепь делает изгиб, и водородные связи между аминокислотами не образуются. Поэтому белки с высоким содержанием пролина (например, коллаген) не способны образовывать а-спираль. Радикалы аминокислот, несущие электрический заряд, также препятствуют спирализации.

2.1.3. Третичная структура белка - это распределение в пространстве всех атомов белковой молекулы, или иначе говоря, пространственная упаковка спирализованной полипептидной цепи. Основную роль в образовании третичной структуры белка играют водородные, ионные, гидрофобные и дисульфидные связи, которые образуются в результате взаимодействия между радикалами аминокислот.

По форме молекулы и особенностям формирования третичной структуры белки делят на глобулярные и фибриллярные.

Глобулярные белки - имеют сферическую или эллипсовидную форму молекулы (глобула). В процессе образования глобулы гидрофобные радикалы аминокислот погружаются во внутренние области, гидрофильные радикалы располагаются на поверхности молекулы. При взаимодействии с водной фазой полярные радикалы образуют многочисленные водородные связи. Белки удерживаются в растворённом состояния за счёт заряда и гидратной оболочки. В организме глобулярные белки выполняют динамические функции (транспортную, ферментативную, регуляторную, защитную). К глобулярным белкам относятся:

• Альбумин - белок плазмы крови; содержит много остатков глутамата и аспартата; осаждается при 100%-ном насыщении раствора сульфатом аммония.
• Глобулины - белки плазмы крови; по сравнению с альбумином оббладают большей молекулярной массой и содержат меньше остатков глутамата и аспартата, осаждаются при 50%-ном насыщении раствора сульфатом аммония.
• Гистоны - входят в состав ядер клеток, где образуют комплекс с ДНК. Содержат много остатков аргинина и лизина.

Фибриллярные белки - имеют нитевидную форму (фибриллы) , образуют волокна и пучки волокон. Между соседними полипептидными цепями имеется много поперечных ковалентных сшивок. Нерастворимы в воде. Переходу в раствор препятствуют неполярные радикалы аминокислот и сшивки между пептидными цепями. В организме выполняют главным образом структурную функцию, обеспечивают механическую прочность тканей. К фибриллярным белкам относятся:

• Коллаген - белок соединительной ткани. В его составе преобладают аминокислоты глицин, пролин, гидроксипролин.
• Эластин - более эластичен, чем коллаген, входит в состав стенок артерий, лёгочной ткани, в его составе преобладают аминокислоты глицин, аланин, валин.
• Кератин - белок эпидермиса и производных кожи, в его структуре преобладает аминокислота цистеин.

2.1.4. Четвертичная структура белка - размещение в пространстве взаимодействующих между собой субъединиц, образованных отдельными полипептидными цепями белка. Четвертичная структура - высший уровень организации белковой молекулы, к тому же необязательный - более половины известных белков её не имеют. Белки, обладающие четвертичной структурой, называют также олигомерными белками, а полипептидные цепи, входящие в их состав, - субъединицами или протомерами. В некоторых белках такие субъединицы одинаковы или имеют сходное строение, а другие белки состоят из субъединиц с цепями разных типов.

Каждый из протомеров синтезируется в виде отдельной полипептидной цепи, которая сворачивается в глобулу и затем объединяется с другими путём самосборки. Каждая субъединица содержит участки, способные взаимодействовать с соответствующими участками других субъединиц. Эти взаимодействия осуществляются посредством водородных, ионных и гидрофобных связей между радикалами аминокислот, входящих в состав разных цепей.

Олигомерные белки могут существовать в виде нескольких устойчивых конформаций и обладают аллостерическими свойствами, то есть способны переходить из одной конформаций в другую с изменением своей функциональной активности. Примерами олигомерных белков могут служить эритроцитарный белок гемоглобин, фермент фосфофруктокиназа и многие другие.

Более подробно структурная организация и функционирование олигомерных белков будут рассмотрены в следующей теме на примере гемоглобина (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Пространственное строение гемоглобина. В состав его молекулы входят четыре попарно одинаковые субъединицы, обозначаемые буквами α и β. Небелковая часть гемоглобина — гем — показана синим цветом.

Известны также белки, модекула которых состоит из двух или более полипептидных цепей, соединённых дисульфидными связями (инсулин, тромбин). Подобные белки нельзя олигомерными. Такие белки образуются из единой полипептидной цепи в результате частичного протеолиза - локального расщепления пептидных связей. Аллостерическими свойствами, характерными для олигомерных белков, такие белки не обладают.

Структура белковой молекулы

По форме молекулы и особенностям пространственной структуры белки подразделяют на глобулярные , форма молекулы которых близка к сферической или эллиптической (отношение короткой и длинной осœей до 1:50), и фибриллярные , молекула которых имеет более удлинœенную форму и может образовывать многомолекулярные нитевидные структуры – фибриллы.

Глобулярные белки состоят из одной полипептидной цепи или нескольких, плотно свернутых за счёт нековалентных и ковалентных связей в компактную частицу – глобулу. Эти белки, разнообразные по составу аминокислотных остатков и биологическим функциям, обычно хорошо растворимы в воде. Многие глобулярные белки являются ферментами. Почти всœе их полярные R-группы находятся на поверхности молекулы и гидратированы, гидрофобные R-группы находятся внутри молекулы.

Фибриллярные белки состоят из вытянутых или скрученных в спирали полипептидных цепей, расположенных параллельно и связанных многочисленными связями нековалентной и ковалентной природы. Как правило, это белки, образующие прочные жесткие структуры, они нерастворимы в воде и более однородны по составу аминокислотных остатков, преимущественно гидрофобных, в полипептидных цепях.

Молекула балка имеет сложную пространственную организацию. Различают: первичную, вторичную, третичную, четвертичную структуру.

Первичной структурой белка называют порядок чередования (последовательность) аминокислотных остатков, соединœенных ковалентными пептидными связями, в полипептидной цепи белка. За счёт внутрицепочечных взаимодействий между белковыми R-группами полипептидная цепь белка свертывается в ʼʼнативнуюʼʼ (природную) пространственную структуру самопроизвольно.

Вторичная структура белка - ϶ᴛᴏ ориентация в пространстве аминокислотных остатков, соединœенных в полипептидную цепь. В формировании вторичной структуры участвуют водородные связи. Различают три базовых типа вторичной структуры полипептидных цепей: α-спираль, β-структура (складчатый слой) и беспорядочный клубок.

При образовании α-спирали полипептидная цепь закручивается вокруг оси. Наиболее устойчива правая α-спираль. В β-структуре (складчатом слое) пептидные цепи располагаются параллельно друг другу, образуя пространственную фигуру, подобную складчатому листу, сложенному гармошкой. Как правило, такую структуру образуют вытянутые полипептидные цепи. Стабилизация β-структуры достигается за счёт образования межцепочечных водородных связей, в которых принимают участие всœе пептидные связи.

Вторичная структура белковой молекулы определяется ее первичной структурой. По этой причине, выяснив аминокислотную последовательность в полипептидной цепи, можно предсказать ее вторичную структуру, так как аминокислоты существенно различаются по способности образовывать α-спираль или β-структуру.

При различных технологических процессах α-спирали или β-структуры белков могут переходить друг в друга. Этим, в частности, объясняется уменьшение размеров шерстяных вещей при стирке их в горячей воде.

Третичная структура белка определяет пространственную организацию белковой молекулы. Образуется самопроизвольно и зависит от размера, формы и полярности аминокислотных остатков, их последовательности расположения в полипептидной цепи, ᴛ.ᴇ. от первичной структуры белка, а также от типа ее вторичной структуры, определяя пространственную организацию белковой молекулы. Она возникает в результате взаимодействия между цепочками полипептидов и поддерживается дисульфидными и ионными связями, гидрофобными и электростатическими взаимодействиями.

Третичная структура, так же как и вторичная, обусловлена аминокислотной последовательностью в полипептидной цепи, но если вторичная структура определяется взаимодействием аминокислот в близлежащих участках цепи, то третичная структура зависит от аминокислотной последовательности далеко расположенных друг от друга участков цепи.

В результате множества сравнительно слабых связей всœе части пептидной цепи белка оказываются фиксированными относительно друг друга, образуя компактную структуру.

Четвертичная структура - ϶ᴛᴏ ассоциация нескольких полипептидных цепей, которая образуется посредством нековалентных связей (водородных, ионных, гидрофобных взаимодействий, электростатического притяжения). Каждая полипептидная цепь, участвующая в образовании четвертичной структуры, принято называть субъединицей, или протомером. Молекулы белков, обладающие четвертичной структурой, при определœенных условиях могут диссоциировать на субъединицы – протомеры , а при других условиях вновь ассоциировать, образуя димеры, а затем первоначальную олигомерную молекулу.

Ошибочное соединœение протомеров в олигомерном белке или соединœение с другими белками невозможно (комплементарность).

Комплементарные взаимодействия лежат в базе практически всœех биохимических процессов в живых организмах, включая ферментативные процессы переноса соединœений через мембраны, защитные реакции белков и множество других процессов, происходящих с участием белковых молекул.

Т.о. белки состоят из аминокислотных остатков, связанных между собой пептидными связями и образующих полипептидные цепи, которые за счёт дисульфидных, водородных, ионных связей, а также гидрофобных взаимодействий располагаются в пространстве определœенным образом, ᴛ.ᴇ. имеют при данных условиях определœенную конформацию. Нативная конформация возникает при нормальных физиологических условиях.

Структура белковой молекулы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Структура белковой молекулы" 2014, 2015.