Белки, строение, свойства, значение

Методами рентгеноструктурного анализа в настоящее время  доказано существование еще двух уровней структурной организации  белковой молекулы, оказавшихся промежуточными между вторичной и третичной  структурами. Это так называемые надвторичные структуры и структурные  домены.

Надвторичные структуры  представляют собой агрегаты полипептидных  цепей, обладающих собственной вторичной  структурой и образующихся в некоторых  белках в результате их термодинамической  или кинетической стабильности. Так, в глобулярных белках открыты (βхβ)-элементы (представлены двумя параллельными β-цепями, связанными сегментом х), βαβαβ-элементы (представлены двумя сегментами α-спирали, вставленными между тремя параллельными β-цепями) и др. В больших глобулярных белках иногда содержатся неодинаковые структурные домены, выполняющие разные функции, как и однотипные домены в пределах одного мономерного белка, образующиеся, вероятнее всего, как результат влияния генов в первом случае или дупликации генов – во втором. Домены создаются объединением и чередованием α-спиралей и β-слоев, между которыми открываются более рыхлые структуры.

Домен – это компактная глобулярная структурная единица  внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции  и подвергаться складыванию (свертыванию) в независимые компактные глобулярные  структурные единицы, соединенные  между собой гибкими участками  внутри белковой молекулы. Открыто  много белков (например, иммуноглобулины), состоящих из разных по структуре  и функциям доменов, кодируемых разными  генами.⁴ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Третичная структура  белка 

Под третичной структурой белка подразумевают пространственную ориентацию полипептидной спирали  или способ укладки полипептидной  цепи в определенном объеме. Поскольку  ни первичная структура, ни типы спиралей или сочетания спиральных и линейных участков полипептидной цепи не дают представления об объеме, форме полипептидной  цепи, перед исследователем всегда стоит необходимость определения  трехмерной или пространственной конфигурации белка. Основную роль в решении этих задач сыграл рентгеноструктурный  анализ с высокой разрешающей  способностью. Как было отмечено, метод  успешно решает две главные проблемы химии белков: закономерность последовательностей  аминокислотных остатков в полипептиде  и закономерность конфигурации молекулы белка. Межатомные расстояния в молекулах  органических веществ составляют 0,1–0,2 нм, а максимальная разрешающая способность  современных аппаратов равна 0,2 нм. Это не позволяет установить местоположение каждого атома, хотя вполне могут  быть различимы отдельные сочетания  атомов, особенно при введении в  молекулу белков атомов тяжелых металлов (последние благодаря своей высокой  электронной плотности используются в качестве точек отсчета при  математической обработке рентгенограмм).

Доменное строение глобулярных белков (по А. А. Болдыреву). 

а - β-субъединица  гемоглобина; б - константный домен  иммуноглобулина; в - флаводоксин; г - лизоцим  куриного яйца. 

Модель третичной  структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью).  

Латинскими буквами  обозначены структурные домены. 

Первым белком, третичная  структура которого была выяснена Дж. Кендрью на основании рентгеноструктурного анализа, оказался миоглобин кашалота.⁵ Основная функция миоглобина – перенос кислорода в мышцах. Полипептидная цепь миоглобина представлена в виде изогнутой трубки, компактно уложенной вокруг гема (небелковый компонент, содержащий железо).

На протяжении последних  десятилетий в связи с повышением разрешающей способности рентгеноструктурного метода была расшифрована третичная  структура более 1000 белков, в том  числе гемоглобина, пепсина, химотрипсина, рибонуклеазы, лизоцима, трипсина и  его ингибитора, ряда фрагментов иммуноглобулинов человека, цитохрома С, карбоангидразы человека, аспартатаминотрансферазы, инсулина и др. Примеры трехмерной структуры некоторых из них представлены на рисунке.

Рентгеноструктурный анализ позволяет определить конформацию  и ход полипептидной цепи в  пространстве, поэтому для каждого  белка может быть построена объемная модель, отражающая местоположение линейных и спирализованных участков. При изучении глобулярных белков было показано, что пространственная структура белков в сильной степени зависит от ряда факторов, в частности от ионной силы и рН раствора, температуры и т.д. Новейшие методы дифракции рентгеновских лучей позволили расшифровать кристаллическую структуру более 100 ферментов. Для выяснения трехмерной структуры белков в последнее время успешно применяются также методы низкотемпературной вычислительной техники, а также математические и компьютерные методы определения объемной структуры на основании данных последовательностей аминокислот. 

Пространственная  конфигурация карбоксипептидазы (а) и  рибонуклеазы (б). 

В настоящее время  получены бесспорные доказательства, что в стабилизации пространственной структуры белков, помимо ковалентных  связей (пептидные и дисульфидные связи), основную роль играют так называемые нековалентные связи. К этим связям относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные вандерваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот, так называемые гидрофобные взаимодействия и т.д.

По современным  представлениям, третичная структура  белка после завершения его синтеза  в рибосомах формируется совершенно автоматически, самопроизвольно и  полностью предопределяется первичной  структурой. Основной движущей силой  в возникновении трехмерной структуры  является взаимодействие радикалов  аминокислот с молекулами воды. При  этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы погружаются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, в то время как полярные радикалы оказываются ориентированными в сторону воды. В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная стабильная конформация молекулы. В такой форме белковая молекула характеризуется минимальной свободной энергией. Молекулы белков в водных растворах обычно принимают ряд стабильных конформаций, индуцируемых не только изменениями рН и температуры, но и низкомолекулярными соединениями. Различают две основные формы конформаций: Т-форму (от англ. tensed – напряженная) и R-форму (от англ. relaxed – расслабленная). Между этими формами осуществляются переходы, соответственно отражающиеся в биологических свойствах. 

Типы нековалентных  связей, стабилизирующих третичную  структуру белка. 

а - электростатическое взаимодействие; б - водородная связь; в - гидрофобные взаимодействия неполярных групп; г - диполь-дипольные взаимодействия; д - дисульфидная (ковалентная) связь. 

В процессе укладки  синтезированной полипептидной  цепи, получившем название фолдинга –  формирование нативной пространственной структуры, в клетках происходит отбор из множества стерически возможных  состояний одной-единственной стабильной и биологически активной конформации, определяемой, вероятнее всего, первичной  структурой. Описан ряд наследственных заболеваний человека, развитие которых связывают с нарушением вследствие мутаций процесса фолдинга (пигментозы, фиброзы и др.). Поэтому в настоящее время пристальное внимание исследователей приковано к выяснению зависимости между аминокислотной последовательностью синтезированной в клетке полипептидной цепи (первичная структура) и формированием пространственной трехмерной структуры, обеспечивающей белковой молекуле ее нативные свойства. Имеется немало экспериментальных доказательств, что этот процесс не является автоматическим, как предполагалось ранее, и, вероятнее всего, регулируется и контролируется также внутриклеточными молекулярными механизмами, детали которых пока полностью не раскрыты. Из клеток выделено несколько классов белков, названных шаперонами, или белками теплового шока, которые располагаются между N-концевым сигнальным пептидом и матричным белком. Предполагается, что основными функциями шаперонов являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, или агрегатов белков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням, создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы. Эти результаты наводят на мысль о возможности существования «второй половины генетического кода», определяя тем самым повышенный интерес исследователей к проблеме свертывания полипептидной цепи и формирования ее нативной пространственной конформации.

Таким образом, линейная одномерная структура полипептидной  цепи (т.е. последовательность аминокислотных остатков, обусловленная кодом белкового  синтеза) наделена информацией другого  типа – конформационной, которая  представляет собой образование  белковой молекулы строго заданной формы  с определенным пространственным расположением  отдельных ее частей. Другими словами, третичная – объемная – структура  белковой молекулы детерминирована  аминокислотной последовательностью  полипептидной цепи, а более конкретно  – размером, формой и полярностью  радикалов аминокислотных остатков. Эти представления могут служить  основой для предсказания конформации  белковой молекулы на основании аминокислотной последовательности. Следует указать, однако, что до сих пор представляется интригующей загадкой механизм этой тесной и тонкой связи между аминокислотной последовательностью и трехмерной структурой белковой молекулы. Оказывается, иногда полипептиды почти с одинаковыми  последовательностями образуют разные структуры и, наоборот, полипептиды  с разными последовательностями формируют одинаковую трехмерную структуру.

В свою очередь трехмерная структура белковой молекулы также  содержит информацию, но уже совершенно нового типа, а именно функциональную, которую акад. В.А. Энгельгардт назвал интрамолекулярной информацией.

Как будет показано далее, все биологические свойства белков (каталитические, гормональные, антипенные и др.) связаны с сохранностью их третичной структуры, которую принято называть нативной конформацией. Любые воздействия (термические, физические, химические), приводящие к нарушению этой конформации молекулы (разрыв водородных и других нековалентных связей), сопровождаются частичной или полной потерей белком его биологических свойств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Четвертичная  структура белка 

Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в  пространстве отдельных полипептидных  цепей, обладающих одинаковой (или разной) первичной, вторичной или третичной  структурой, и формирование единого  в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования. Многие функциональные белки состоят  из нескольких полипептидных цепей, соединенных не главновалентными связями, а нековалентными (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность третичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получившая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не обладает биологической  активностью. Эту способность белок  приобретает при определенном способе  пространственного объединения  входящих в его состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное мономерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигомером (или мультимером). Олигомерные белки  чаще построены из четного числа  протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с  одинаковыми или разными молекулярными  массами – от нескольких тысяч  до сотен тысяч. В частности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух β-полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер.  
 

 Олигомерная молекула  гемоглобина (красные диски –  группы гема). 

В определенных условиях (присутствие солей, 8М мочевины или  резкие изменения рН) молекула гемоглобина  обратимо диссоциирует на две α-и  две β-цепи. Эта диссоциация обусловлена разрывом водородных связей. После удаления солей или мочевины происходит автоматическая ассоциация исходной молекулы гемоглобина.

Классическим примером олигомерной молекулы, или надмолекулярной  структуры, является вирус табачной мозаики, представляющий собой гигантскую молекулу с мол. м. около 40•106. Он состоит  из одной молекулы РНК  и 2130 белковых субъединиц, масса каждой из которых составляет 17500. Длина вируса примерно 300 нм, ширина – около 17 нм. РНК вируса имеет спиралеобразную форму. Вокруг РНК нанизаны белковые частицы, образующие гигантскую надмолекулярную спиральную структуру, в которой насчитывается около 130 витков. Удивительной особенностью вируса является то, что после разъединения соответствующими приемами (добавление детергента) РНК и белковых субъединиц и последующего их смешивания (с предварительным удалением детергента) наблюдаются полная регенерация четвертичной структуры, восстановление всех физических параметров и биологических функций (инфективная способность вируса). Подобная точность процесса спонтанной самосборки вируса обеспечивается, вероятнее всего, информацией, содержащейся в первичной структуре молекулы РНК и белковых субъединиц. Таким образом, последовательность аминокислот содержит в себе информацию, которая реализуется на всех уровнях структурной организации белков. 

Модель гемоглобина (по Перутцу).

α-Цепи светлые; β-цепи темные; группы гема красные. 

Обратимая диссоциация  молекулы гемоглобина. 

Многие ферменты также обладают четвертичной структурой, например фосфорилаза а, состоящая из двух идентичных субъединиц, в каждой из которых по две пептидные цепи. Вся молекула фосфорилазы а, таким образом, представляет собой тетрамер. Отдельные субъединицы чаще всего не обладают каталитической активностью; вообще регуляторные ферменты имеют четвертичную олигомерную структуру. Они наделены функцией обеспечения в клетке требуемых скоростей химических реакций. 

Самосборка вируса табачной мозаики.