6.Принципы организации четвертичной структуры белков. Кооперативные изменения конформации субъединиц. Примеры реализации кооперативных эффектов.

Четвертичная структура белка-это количество и взаиморасположение полипептидных цепей Белки, состоящие из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру (лизоцим, пепсин, миоглобин, трипсин).Их называют мономерами. Цепи белков соединенные ковалентными связями (например дисульфидными)поэтому инсулин мономерный белок.

Для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей, характерна четвертичная структура.

Под четвертичной структурой понимают объединение отдельных полипептидных цепей с третичной структурой в функционально активную молекулу белка. Каждая отдельная полипептидная цепь называется протомером и чаще не обладает биологической активностью.Олигомерные белки содержат от 2(гексокиназа)до 312(пируватдегидрогеназа)пртомеров.Специфичность связывания протомеров за счет зависит от совокупности радикалов третичной структуры и определяется комплементарностью протомеров.

Комплементарность-пространственное и химическое соответствие взаимодействующих поверхностей.В молекуле белка может быть несколько протомеров, которые при объединении образуют олигомер или мультимер.Для белков с четвертичной структурой характерно понятие субъединицы.Субъединица – это функционально активная часть молекулы белка.    Примером белка с четвертичной структурой является гемоглобин, состоящий из 4 протомеров : 2 α  и 2 β - цепей.Взаимодействие полипептидных цепей при формировании олигомера происходит за счет полярных групп аминокислотных остатков. Между полярными группами образуется ионная, водородные связи, гидрофобные взаимодействия. Активные центры возникают при образовании четвертичной структуры.В молекуле белка имеются прочные (ковалентные) связи, а также слабые, что обеспечивает с одной стороны стабильность молекулы, а с другой лабильность. Альфа спирали в протомере обозначают латинскими буквами от A  до  H, начиная с N конца

Кооперативные изменения конформации протомеров.

Кислород связывается с протомерами гемоглобина чере железо(2),который соединен с 4 атомами азота пиррольных колец  и атомом азота Гис F8 белковой части протомера.Связывание кислорода с оставшейся координационной связью  железа происходит по другую сторону от плоскости гема. Гис Е7 обеспечивает оптимальные условия.Присоединение  кислорода к атому железа одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема,за ним перемещаются остаток Гис F8 и полипептидная цепь.Так как протомер связан с остальными протомерами,а белки обладают конформационной лабильностью,происходит изменение конформации всего белка.Конформационные изменения ,произошедшие в других протомерах,облегчают присоединение следующей молекулы кислорода ,что вызывает новые конформационные изменения в белке и ускорение связывания следующей молекулы кислорода .Четвертая молекула кислорода присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче первой.Изменение конформации(а следовательно и функциональных свойств) всех протомеров олигомерного белка при присоединение лиганда только к одному из них носит название Кооперативные изменения конформации протомеров.Аналогичным образом в тканях диссоцифция каждой молекулы кислорода изменяет конфоормацию всех протомеров и облегчает отщепление последующих молекул кислорода.

Регуляция за счет кооперативных эффектов — один из типов регуляции активности фермента. Кооперативные эффекты характерны для мультисубъединичных белков, в том числе и для ферментов. Если имеет место кооперативный эффект, то кинетические свойства фермента уже не описываются уравнением Михаэлиса-Ментен. При наличии кооперативного эффекта небольшое увеличение концентрации субстрата будет приводить к значительному возрастанию скорости реакции. Для объяснения этого эффекта были предложены различные модели, из которых наиболее известны модели Моно, Уаймена и Шанжё (симметричная модель), а также Кошланда, Немети и Филмера (последовательная модель).

Симметричная модель - одна из двух моделей, объясняющая кооперативный механизм регуляции активности ферментов. В симметричной модели предполагается, что каждый мультимерный ферментный комплекс может существовать, по крайней мере, в двух разных состояниях с неодинаковой четвертичной структурой, причем в каждом состоянии все субъединицы имеют одинаковую третичную структуру. В простейшей модели рассматриваются два состояния, находящиеся в равновесии друг с другом. В одном из них белок имеет высокое сродство к субстрату R-состояние, от англ. relax - ослаблять), а в другом - низкое (T-состояние, от англ. tense - напрягать). Добавленный субстрат будет предпочтительно связываться с R-конформерами фермента, а связывание его с T-конформером приведет к возникновению напряжения в субъединицах фермента, что вызовет одновременный переход всех субъединиц в R-состояние (в котором напряжение отсутствует). При таком согласованном переходе сохраняется молекулярная симметрия каждой мультимерной молекулы, При дальнейшем добавлении субстрата все больше и больше молекул будет переходить из T- в R-состояние. Такой сдвиг равновесия в присутствии субстрата представляет собой эффект положительной кооперативности.

Последовательная модель — одна из двух моделей, объясняющая кооперативный механизм регуляции активности ферментов. В последовательной модели предполагается, что отдельные субъединицы мультимерной молекулы могут в одно и то же время иметь разные третичные структуры. При этом связывание субстрата одной субъединицей может вызывать изменение третичной структуры соседней субъединицы (или соседних субъединиц) и в результате увеличивать (положительная кооперативность) или уменьшать (отрицательная кооперативность) их сродство к субстрату.