4.3. Домени й третинна будова білків

Третинна структура білків являє собою термодинамічно найбільш стабільну форму згорнутого й укладеного поліпептидного ланцюга. Виникає питання, як відбувається згортання білка, яким чином інформація в послідовності амінокислот реалізується в інформацію для створення стабільної просторової структури? Експерименти з денатурації й ренатурації білка показали, що процеси розгортання і створення компактної третинної структури відбуваються достатньо швидко – нуклеаза стафілококу повторно згортається після денатурації за 1 с, метміоглобін – за 10 с.

Рис. 4.8. Схема згортання білкової глобули:

1 – розгорнутий поліпептидний ланцюг з локально сформованими структурами; 2 і 3 – два можливі шляхи згортання білкової глобули; 4 – асоціація сусідніх ділянок, завдяки чому утворюються стабільні упорядковані мікродомени (заштриховані циліндри); 5 – інтермедіат, який лімітує швидкість процесу згортання; 6 – згорнута глобула білка

Для пояснення процесу згортання білків використовується нуклеаційна модель. Так, припускається, що на першому етапі короткі сегменти поліпептидного ланцюга дуже швидко згортаються незалежно один від одного, а далі вони зближуються, формуючи компактну тривимірну структуру (рис. 4.8). Сегменти білка утворюють -спіралі й -структури дуже швидко. Експериментально показано, що переходи спіраль – клубок відбуваються за час від 10^-8 до 10^-6 с. Після швидкого утворення локально упорядкованої вторинної структури відбувається компактизація білка за різними шляхами, але кількість їх є обмеженою. На рис. 4.8 показано два шляхи (2 і 3) згортання білкової глобули. На цьому етапі деякі з упорядкованих сегментів взаємодіють і стабілізують один одного, утворюючи упорядковані стабільні мікродомени. Відбувається трансформація конформації макромолекули в напрямку більшої структурної організації, коли виникають контакти між початково віддаленими упорядкованими сегментами поліпептидного ланцюга. Характерною особливістю цієї моделі є те, що вона припускає значний внесок гідрофобних взаємодій у формування третинної структури білка. Сформовані стабілізовані мікродомени прискорюють асоціацію інших ділянок ланцюга. На кожному шляху згортання утворюється один чи дкілька інтермедіатів, які лімітують швидкість процесу згортання, але в підсумку формується одна й та сама кінцева згорнута конформація білка.

Останнім часом у білках виявлено ще один важливий рівень структурної організації. Аналіз карт електронної густини білків з молекулярною масою більше 20 кДа показав, що білки складаються з кількох глобулярних ділянок, які слабо зв’язані між собою. Ці глобулярні ділянки отримали назву домени. Індивідуальні домени часто виділяють з білків, використовуючи протеолітичні ферменти (метод обмеженого протеолізу) без втрати доменами функціональних властивостей. Під доменом розуміють певну ділянку поліпептидного ланцюга чи кількох таких ланцюгів, на основі якої в обмеженому об'ємі білка утворюється компактна структура. Домени – це такі структурно-функціональні блоки білка, які згортаються й розгортаються в ньому незалежно один від одного.

Домен розглядається як відносно автономна структурна одиниця. За допомогою диференційної скануючої мікрокалориметрії у складних білках виявлено окремі структурні блоки, які характеризуються кооперативними S-подібними переходами при тепловій денатурації. Виявилось, що в багатьох випадках такі кооперативні структурні блоки добре відповідають виділеним протеолітичним фрагментам білка. Часто виділені протеолітичні фрагменти мають структурні властивості такі самі, як і в структурних доменах білків, тобто збігаються їх температури плавлення й ентальпії переходів, а також вони зберігають функціональні характеристики нативних білків. Домени сполучені між собою невеликою кількістю пептидних зв’язків амінокислотних залишків, які порівняно легко розриваються під дією протеолітичних ферментів. За допомогою різних методів, зокрема диференційної скануючої мікрокалориметрії, рентгенографії, електронної мікроскопії, люмінесцентного аналізу, протеолітичного розщеплення, встановлено доменну будову багатьох білків (імуноглобулін G, міозин, актин, фібриноген та ін.).

Домени являють собою важливі проміжні утворення у процесі згортання нативної структури білків. Завдяки цьому білки, які складаються з доменів, мають більш гнучку структуру, ніж білки, в яких різні ділянки скріплені між собою великою кількістю зв’язків. Можливо, оборотні конформаційні зміни, які визначають функцію ферментів, зумовлено міждоменними перебудовами без зміни структурної стабільності самих доменів.

Завдяки вивченню рекомбінантних ДНК було зроблено важливе відкриття, що гени еукоріотів є дискретними й складаються з екзонів, що кодують окремі ділянки амінокислотних послідовностей, та інтронів (некодуючих ділянок). Виявилось, що межі доменів у поліпептидному ланцюзі білка точно відповідають межам екзонів у структурних генах. Екзони – це геномні еквіваленти білкових доменів.