Упорядоченная вторичная структура

a-Спираль

К основным параметрам характеризующим a-спирализацию полипептидных цепей относятся следующие:

1. a-Спираль стабилизируется водородными связями между атомами водорода NH-группы пептидной связи и карбонильным кислородом аминокислотного остатка, отстоящего от данной пептидной группы на четыре позиции вдоль цепи (Рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Принцип образования водородных связей в a-спирали.

2. На один виток a-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка и шаг спирали составляет 0,54 нм.

3. В образовании водородных связей участвуют все атомы водорода NH-групп и атомы карбонильного кислорода пептидных связей, что обеспечивает максимальную стабильность a-спирали и в значительной степени снижает гидрофильность a-спирализованных участков.

4. a-Спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии.

5. Правосторонняя a-спираль (Рис. 2.4), обычно обнаруживаемая в белках, отличается намного большей стабильностью, чем левосторонняя.

6. Стабильность a-спирали в значительной степени зависит от аминокислотного состава соответствующего участка полипептидной цепи (см. Таблицу 2.4).

Таблица 2.4 – Влияние различных аминокислот на формирование a-спирали.

Стабилизируют	Дестабилизируют	Препятствуют
Ala	Arg	Pro
Asn	Asp	Hyp
Cys	Glu
Gln	Gly
His	Lys
Leu	Ile
Met	Ser
Phe	Thr
Trp
Tyr
Val

Рисунок 2.4 – Архитектура a-спирали. Вид сбоку (а, б) и вид сверху (в).

В некоторых белках степень a-спирализованности может достигать практически 100%, другие белки вовсе лишены a-спиралей. К факторам, которые препятствуют образованию a-спиралей относят расположение подряд нескольких одноименно заряженных аминокислотных остатков (электростатическое взаимное отталкивание), или аминокислот с объемными боковыми R-группами (пространственное несоответствие). Некоторые аминокислоты в силу структурных особенной своих боковых радикалов не способны принимать участие в формировании a-спирали, благодаря чему в месте их расположения непрерывность a-спирали нарушается. К таким аминокислотам относится пролин (атом азота пролина является частью жесткой кольцевой структуры, и вращение вокруг связи С—N в кольце становится невозможным).

Складчатый b-слой

Альтернативная упорядоченная вторичная структура белка – складчатый b-слой – была предложена Полингом и Кори. В то время как в a-спирали полипептидная цепь находится в конденсированном состоянии, в складчатом b-слое цепи почти полностью вытянуты. В тех случаях, когда соседние полипептидные цепи складчатого b-слоя идут в противоположных направлениях (за положительное принимается направление от N- к С-концу), структуру называют антипараллельной. Когда соседние цепи идут в одном направлении, структуру b-слоя называют параллельной (Рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Принципы организации антипараллельного и параллельного складчатого b-слоя.

Области складчатой b-структуры присутствуют во многих белках, причем встречается как параллельная, так и антипараллельная формы. В формировании таких структур могут участвовать от двух до пяти соседних полипептидных цепей. Во многих белках одновременно присутствуют и a-спирали, и складчатая b-структура.

Неупорядоченная вторичная структура (конформация клубка)

Те участки белковой молекулы, которые не относятся ни к спирализованным, ни к складчатым структурам, обычно называют неупорядоченными. В конформации клубка может находиться значительная часть белковой молекулы. Нужно отметить, что с точки зрения биологической значимости неупорядоченные участки белка столь же важны, как a-спираль и b-структура.

Третичная структура

Третичной структурой белковых молекул называется трехмерная пространственная организация белка, формирующаяся и стабилизирующаяся за счет многих и различных по природе слабых взаимодействий между остатками аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в составе полипептидной цепи. К таким взаимодействиям относятся солевые мостики, водородные связи, гидрофобные взаимодействия, а также ковалентные дисульфидные связи (Рис. 2.6).

Рисунок 2.6 – Связи и взаимодействия в третичной структуре белка.

Гидрофобные взаимодействия. Неполярные молекулы или части молекул не способные взаимодействовать с водой называются гидрофобными. К гидрофобным группам относятся алкильные и арильные (ароматические) радикалы ряда аминокислот. Гидрофобные радикалы аминокислотных остатков избегают контактов с водным окружением и стремятся собраться вместе внутри глобулярной структуры, где они формируют гидрофобное ядро.

Электростатические взаимодействия.К ним относятся ион-ионные, ион-дипольные и диполь-дипольные взаимодействия. Эти ионные связи возникают между разноименно заряженными группами боковых цепей аминокислот. Например, при физиологических значениях рН e-аминогруппа лизина несет заряд +1, а карбоксильная группа глутаминовой кислоты в составе боковой цепи несет заряд -1. Следовательно, боковые радикалы указанных аминокислот способны взаимодействовать друг с другом электростатически, дополнительно стабилизируя структуру белка, за счет образования солевых мостиков.

Дисульфидные мостики.Третичная структура ряда белков может стабилизироваться дисульфидными мостиками (—S— S—), образующимися за счет ковалентного взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина (Рис. 2.7). Принимающие участие в образовании (—S—S—)-мостиков остатки цистеинов могут быть линейно существенно разобщены в полипептидной цепи, однако при формировании третичной структуры SH-группы таких остатков цистеина оказываются пространственно сближенными и ковалентно сшивают два участка одной полипептидной цепи (или соседних цепей).

Рисунок 2.7 – Механизм образования S—S-мостиков между SH-группами остатков цистеина линейно разобщенными в полипептидной цепи, но пространственно сближенными.

Водородные связи.В отличие от водородных связей поддерживающих вторичные структуры белков, водородные связи, участвующие в стабилизации третичной структуры более разнообразны (Рис. 2.8). В этом случае водородные связи образуются:

- между боковыми R-группами аминокислот;

- между карбонильными атомами кислорода и атомами амидного водорода, принадлежащими пептидным группам остова;

- между поверхностными остатками полярных аминокислот белка и молекулами воды, расположенными в соседних петлях полипептидной цепи;

- между, например, гидроксильной группой остатка серина в одном участке полипептидной цепи и атомом азота в кольце остатка гистидина, находящегося в соседней петле той же цепи;

- между амидной группой глутамина в одном участке полипептидной цепи и остатком тирозина в другом участке.

Рисунок 2.8 – Различные варианты формирования водородных связей в третичной структуре белка.

Четвертичная структура

Четвертичной (олигомерной) структурой обладают белки, построенные из двух и более полипептидных цепей, каждая из которых уложена в соответствующую третичную структуру. Олигомерная организация белка стабилизируется водородными связями, электростатическими и гидрофобными взаимодействиями между аминокислотными остатками, находящимися на поверхности индивидуальных полипептидных цепей. Полипептидные цепи, соответствующие каждому из олигомеров белка получили название мономеров или субъединиц. Субъединицы, формирующие четвертичную структуру олигомерного белка, могут быть одинаковыми или разными, другими словами они могут иметь одинаковую молекулярную массу и обладать одинаковой третичной организацией, а могут отличаться друг от друга по указанным параметрам. В тоже время под протомером понимают наименьшую повторяющуюся часть олигомера. Многие олигомерные белки состоят из двух или четырех субъединиц и называются, соответственно, димерами или тетрамерами. Однако довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех субъединиц. Это особенно характерно для регуляторных белков.

Рисунок 2.9 – Принцип формирования гомоолигомеров.

Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры способны циклически (т.е. обратимо) изменять взаимную ориентацию, что приводит к изменению свойств всего олигомера. Наиболее изученным примером олигомерного белка является гемоглобин.

Роль первичной структуры в формировании более высоких уровней структурной организации белков трудно переоценить. Действительно, вторичная и третичная структуры белков, формирующиеся самопроизвольно, определяются последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Эти процессы детерминируются химическими группами, соединенными с a-углеродными атомами аминокислотных остатков. Таким образом, можно сказать, что не существует независимого генетического контроля по формированию уровней структурной организации белков выше первичного, поскольку первичная структура специфически определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную структуры. Нативной конформацией белка, по-видимому, следует считать термодинамически наиболее устойчивую структуру в конкретных условиях.