Белки: история исследования, химсостав, свойства, биологические функции

Спиральной считается структура, у которой все однотипные атомы лежат на одной винтовой линии. При этом спираль считается правой, если при наблюдении вдоль оси спирали она удаляется от наблюда-теля по часовой стрелке, и левой – если удаляется против часовой стрелки. Полипептидная цепь имеет спиральную конформацию, если все атомы C находятся на одной винтовой линии, все карбонильные атомы Ck - на другой, все атомы N – на третьей, причем шаг спирали для всех трех групп атомов должен быть одинаков. Одинаковым должно быть и число атомов, приходящихся на один виток спирали, неза-висимо от того, идет ли речь об атомах Ck, C или N. Расстояние же до общей винтовой линии для каждого из этих трех типов атомов свое.

Главными элементами вторичной структуры белков являются -спирали и -складки.

Спиральные структуры белка. Для полипептидных цепей известно несколько раз-личных типов спиралей. Среди них наиболее распространена правая -спираль. Идеальная -спираль имеет шаг 0,54 нм и число однотипных атомов на один виток спирали 3,6, что означает полную периодичность на пяти витках спирали через каждые 18 аминокислотных остатков. Значения торсионных углов для идеальной -спирали  = – 57  = – 47  , а расстояния от атомов, образующих полипептидную цепь, до оси спирали составляет для N 0,15 нм, для C  0,23 нм, для C k 0,17 нм. Любая конформация существует при условии, что имеются факторы, стабилизирующие ее. В случае -спирали такими факторами являются водородные связи, образуемые каждым карбонильным атомом (i+4)-го фрагмента. Важным фактором стабилизации -спирали также является параллельная ориентация дипольных моментов пептидных связей.

Складчатые структуры белка. Одним из распространенных примеров складчатой периодической структуры белка являются т.н. -складки, состоящие из двух фрагментов, каждый из которых представлен полипептидом.

-складки также стабилизируются водородными связями между атомом водорода аминной группы одного фрагмента и атомом кислорода карбоксильной группы другого фрагмента. При этом фрагменты могут иметь как параллельную, так и антипараллельную ориентацию относительно друг друга.

Структура, образующаяся в результате таких взаимодействий, представляет собой гофрированную структуру. Это сказывается на значениях торсионных углов  и . Если в плоской, полностью растянутой структуре они должны были бы составить 180, то в ре-альных -слоях они имеют значения  = – 119 и  = + 113. Для того чтобы два участка полипептидной цепи располагались в ориентации, благоприятствующей образованию -складок, между ними должен существовать участок, имеющий структуру, резко отли-чающийся от периодической.

4.2.1. Факторы, влияющие на образование вторичной структуры.

Структура определенного участка полипептидной цепи существенно зависит от структуры молекулы в целом. Факторы, влияющие на формирование участков с определенной вторичной структурой, весьма многообразны и далеко не во всех случаях полностью выявлены. Известно, что ряд аминокислотных остатков предпочтительно встречается в -спиральных фрагментах, ряд других – в -складках, некоторые аминокислоты – преимущественно в участках, лишенных периодической структуры. Вторичная структура в значительной степени определяется первичной структурой. В некоторых случаях физический смысл такой зависимости может быть понят из стереохимического анализа пространственной структуры. Например, как видно из рисунка в -спирали сближены не только боковые радикалы соседних вдоль цепи аминокислотных остатков, но и некоторые пары остатков, находящихся на соседних витках спирали, в первую очередь каждый (i+1)-й остаток с (i+4)-м и с (i+5)-м. Поэтому в положениях (i+1) и (i+2), (i+1) и (i+4), (i+1) и (i+5) -спиралей редко одновременно встречается два объемных радикала, таких, например, как боковые радикалы тирозина, триптофана, изолейцина. Еще менее совместимо со структурой спирали одновременное наличие трех объемных остатков в положениях (i+1), (i+2) и (i+5) или (i+1), (i+4) и (i+5). Поэтому такие комбинации аминокислот в -спиральных фрагментах являются редким исключением.

4.3. Третичная структура

Под этим термином понимают полную укладку в простанстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов. Полное представление о третичной структуре дают координаты всех атомов белка. Благодаря огромным успехом рентгеноструктурного анализа такие данные, за исключением координат атомов водорода получены для значительного числа белков. Это огромные массивы информации, хранящиеся в специальных банках данных на машиночитаемых носителях, и их обработка немыслима без применения быстродействующих компьютеров. Полученные на компьютерах координаты атомов дают полную информацию о геометрии полипептидной цепи, в том числе значения торсионных углов, что позволяет выявить спиральную структуру, -складки или нерегулярные фрагменты. Примером такого исследовательского подхода может служить следующая пространственная модель структуры фермента фосфоглицераткиназы:

Общая схема строения фосфоглицераткиназы. Для наглядности -спиральные участки представлены в виде цилиндров, а -складки – в виде лент со стрелкой, указывающей направление цепи от N-конца к С-концу. Линии – нерегулярные участки, соединяющие структурированные фрагменты.

Изображение полной структуры даже небольшой белковой молекулы на плоскости, будь то страница книги или экран дисплея мало информативно из-за чрезвычайно сложного строения объекта. Чтобы исследователь мог наглядно представлять простанственное строение молекул сложных веществ, используют методы трехмерной компьютерной графики, позволяющей выводить на дисплей отдельные части молекул и манипулировать с ними, в частности поворачивать их в нужных ракурсах.

Третичная структура формируется в результате нековалентных взаимодействий (электростатические, ионные, силы Ван-дер-Ваальса и др.) боковых радикалов, обрамляющих -спирали и -складки, и непериодических фрагментов полипептидной цепи. Среди связей, удерживающих третичную структуру следует отметить:

а) дисульфидный мостик ( – S – S – )

б) сложноэфирный мостик (между карбоксильной группой и гидроксильной группой)

в) солевой мостик (между карбоксильной группой и аминогруппой)

г) водородные связи.

В соответствии с формой белковой молекулы, обусловленной третичной структурой, выделяют следующие группы белков:

1) Глобулярные белки. Пространственная структура этих белков в грубом приближении может быть представлена в виде шара или не слишком вытянутого эллипсоида - глобулы. Как правило, значительная часть полипептидной цепи таких белков формирует -спирали и -складки. Соотношение между ними может быть самым различным. На-пример, у миоглобина (подробнее о нем на стр.28) имеется 5 -спиральных сегментов и нет ни одной -складки. У иммуноглобулинов (подробнее на стр.42), наоборот, ос-новными элементами вторичной структуры являются -складки, а -спирали вообще отсутствуют. В вышеприведенной структуре фосфоглицераткиназы и те и другие типы структур представлены примерно одинаково. В некоторых случаях, как это видно на примере фосфоглицераткиназы, отчетливо просматриваются две или более четко раз-деленнные в пространстве (но тем не менее, конечно, связанные пептидными мостиками) части – домены. Зачастую различные функциональные зоны белка разнесены по разным доменам.

2) Фибриллярные белки. Эти белки имеют вытянутую нитевидную форму, они выпол-няют в организме структурную функцию. В первичной структуре они имеют повто-ряющиеся участки и формируют достаточно однотипную для всей полипептидной цепи вторичнкю структуру. Так, белок -креатин (основной белковый компонент ногтей, волос, кожи) построен из протяженных -спиралей. Фиброин шелка состоит из перио-дически повторяющихся фрагментов Gly – Ala – Gly – Ser , образующими -складки. Существуют менее распростаненные элементы вторичной структуры, пример – поли-пептидные цепи коллагена, образующие левые спирали с параметрами, резко отли-чающимися от параметров -спиралей. В коллагеновых волокнах три спиральные по-липептидные цепи скручены в единую правую суперспираль:

Четвертичная структура

В большинстве случаев для функционирования белков необходимо, чтобы несколько полимерных цепей были объединены в единый комплекс. Такой комплекс также рас-сматривается как белок, состоящий из нескольких субъединиц. Субъединичная структура часто фигурирует в научной литературе как четвертичная структура.

Белки, состоящие из нескольких субъединиц, широко распространены в природе. Классический пример – четвертичная структура гемоглобина (подробнее – стр.26). субъ-единицы принято обозначать греческими буквами. У гемоглобина имеется по две  и  субъединицы. Наличие нескольких субъединиц