Пространственная структура белков

Ковалентный скелет белков состоит из сотен индивидуальных связей. Если было бы возможно свободное вращение вокруг даже части этих связей, белки имели бы почти безграничное число трехмерных структур. Однако каждый белок имеет специфическую функцию, что предполагает для него уникальную пространственную структуру. Тот факт, что белки кристаллизуются, дает убедительное доказательство наличия таких структур. Строгий молекулярный порядок в кристалле может быть реализован в том случае, если все молекулы имеют идентичную форму в кристалле.

Пространственное расположение атомов в молекуле белка называют его конформацией. Изменения конформации встречаются при вращении вокруг одинарных связей без их разрушения. В белках реализуются четыре уровня архитектуры.

Первичная структура связана с ковалентными связями между аминокислотными остатками (аминокислотная последовательность). Относительное пространственное расположение связанных аминокислот не является специфичным. Полипептидные цепи не могут иметь любые пространственные структуры по выбору. Стерические ограничения, а также множество слабых невалентных взаимодействий приводят к тому, что отдельные пространственные формы более устойчивы чем остальные.

Вторичная структура относится к регулярным расположениям соседних аминокислотных остатков в полипептидной цепи (регулярные конформации). Для вторичной структуры полипептидных цепей наиболее характерны a - спираль и b - конформация.

Третичная структура относится к пространственному расположению всех аминокислот полипептида. Связь между вторичной и третичной структурой в настоящее время не достаточно ясна. Несколько различных типов вторичной структуры часто обнаруживаются в третичной структуре большого белка.

Белки с несколькими пептидными цепями имеют еще один более высокий уровень организации: четвертичную структуру, которая относится к пространственному расположению полипептидных цепей или субъединиц в белке. Можно выделить промежуточные уровни между вторичной и третичной структурой. Устойчивый кластер из нескольких элементов вторичной структуры относят к супервторичной структуре. Еще более высокий уровень структуры представляет домен. Его относят к компактной структуре, включающей возможно от 40 до 400 аминокислот, домен представляет отчетливую единицу в большой полипептидной цепи. Многие домены складываются независимо в термодинамически устойчивые структуры. Большая полипептидная цепь может содержать несколько доменов, которые легко различимы. В некоторых случаях индивидуальные домены имеют отдельные функции.

Конформация белка стабилизируется большим числом слабых невалентных взаимодействий. Устойчивость нативной конформации белка невелика, так разность в свободной энергии сложенных и несложенных состояний в типичных белках в физиологических условиях находится в интервале от 20 до 65 кДж/моль. Энтропия и водородное связывание многих групп полипептидной цепи с растворителем (водой) приводят к раскрытым формам. К складчатым формам приводят химические взаимодействия в виде дисульфидных мостиков, а также невалентные взаимодействия: водородные связи, гидрофобные, ионные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия.

Наиболее общей вторичной структурой белков является a-спираль. В этой структуре полипептидный остов закручен относительно длинный оси молекулы, а R-группы аминокислотных остатков расположены с внешней стороны спирали. Шаг спирали составляет 0,56 нм. Вторым типом регулярной структуры в белках является b-конформация, которая способствует укладыванию полипептидных цепей в слои, при этом возможно как параллельное, так и антипараллельное расположение цепей. В некоторых белках (например в коллагене) помимо этих регулярных конформаций встречаются и другие типы вторичной структуры: b-складка и b-виток. Хотя фибриллярные белки имеют только один тип вторичной структуры, глобулярные белки могут включать несколько типов вторичной структуры для одной молекулы. Глобулярные белки, включая ферменты, транспортные белки, некоторые гормоны и иммуноглобулины, образуют складчатые структуры, более компактные чем a- и b- конформации.

Третичная структура представляет трехмерное расположение всех атомов в белке, она имеет дело с дальнодействующими взаимодействиями аминокислотных остатков. Свиной альбумин имеет 584 остатка в одной цепи.

Ниже показаны относительные размеры цепи в b-конформации, в форме a-спирали и нативной глобулярной форме.

b - конформация: 200 х 0,5 нм

a - спираль: 90 х 1,1 нм нативная глобулярная форма: 13 х 3 нм

Пространственное расположение атомов в кристаллической решетке белка определяют методом рентгеноструктурного анализа исходя из углов и интенсивности дифракций от электронных оболочек атомов. К настоящему времени этим методом установлены третичные структуры сотен глобулярных белков (миоглобин, инсулин, цитохром с, лизоцим, рибонуклеаза и т.д.).

Доля a- спиралей и b- форм в некоторых белках.

Белки могут денатурировать при нагревании, резком изменении рН, обработке органическими растворителями, солями тяжелых металлов с разрушением третичной структуры и потерей функциональной активности.

Третичные структуры не являются жесткими, в процессе синтеза белка они формируются достаточно быстро, не случайным образом. Существует несколько типов третичных структур достаточно общих для многих белков (a/b баррел, b-b сэндвич и другие).

Некоторые белки содержат две и более отдельные пептидные цепи, которые могут быть идентичны или различны по структуре. Пространственное расположение белков и его субъединиц в трехмерном комплексе представляет четвертичную структуру, которую определяют на практике методом рентгеноструктурного анализа монокристалла белка. Таким образом установлена четвертичная структура гемоглобина, который содержит четыре полипептидные цепи и четыре гемпростетические группы.

Некоторые белки образуют надмолекулярные комплексы, которые сохраняют принципы, присущие всем уровням организаций белков. Из этих надмолекулярных комплексов построены биологические машины, осуществляющие функционирование клетки (сокращение мышц, синтез белков в рибосомах, упаковка ДНК, перемещение органелл и т.д.).