Уровни организации белковой молекулы

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

степень упорядоченности по сравнению с развернутой поли-исптидной нитью. Спирализация линейной пептидной цепи тирачопапие вторичной структуры) уменьшает ее размеры примерно в 4 раза, а укладка в третичную структуру делает ее п шч-нтки раз более компактной, чем исходная полипептиднаяцепь.

Рис. 9. Типы химических взаимодействий, стабилизирующих структуру белка