9.1.4. Общая картина формирования вторичной и третичной структур

По роли, которую мономерные звенья (аминокислоты) играют в образовании вторичной и третичной структур, они разделяются на 1) аминокислоты, активно (или просто) содействующие образованию спиральных и β-складчатых структур; 2) аминокислоты, препятствующие образованию этих структур и 3) аминокислоты, разрушающие эти структуры. Кроме того, есть аминокислоты, безразличные к обеим структурам.

Вторичная структура

В общих чертах, образование, вторичной структуры происходит следующим образом. На участках полипептидной цепи, на которых подряд расположено необходимое для образования одного витка число кислот, активно содействующих образованию спиралей, образуется по одному витку с одной водородной связью. Так как при этом преодолевается наиболее высокий энтропийный барьер, существенную роль здесь могут играть термические флуктуации структуры полипептидной цепи, при которых остатки сближаются оптимальным образом. Затем от образовавшегося витка спирализация происходит в обе стороны по цепи с ускорением.

Ускорение связано с тем, что образование зародыша вторичной структуры существенно облегчает свертывание в спираль примыкающих участков полипептидной цепи, поскольку их движение становится ограниченным, а геометрия соответствует их подключению к спиральной структуре.

Волна спирализации распространяется до тех пор, пока не встретятся группы остатков, которые препятствуют образованию спирали. Такой процесс происходит независимо на различных участках полипептидной цепи.

Одновременно на участках цепи, содержащих расположенные подряд аминокислотные остатки, активно и просто склонные к образования β-структур, первоначальная полипептидная цепь сворачивается в гармошку, образуя складчатую β-структуру.

Третичная структура

Процесс образования β-структуры аналогичен процессу образования спиралей. Различие заключается лишь в том, что теперь связи образуются между полипептидными цепочками (тяжами) и роль «затравки» выполняют участки цепи, состоящей из трёх остатков, принадлежащих к категории, способствующей образованию β-слоя. Далее процесс образования β-слоя идет с ускорением, так как увеличение площади β-слоя приводит к всё большему выигрышу в свободной энергии.

В результате на полипептидной цепи образуются чередующиеся спирализованные, β-складчатые и ниточные (неизмененные) полипептидные структуры, составляющие все вместе вторичную структуру белка. Неизмененные участки состоят из аминокислотных остатков, «безразличных» к образованию более сложных структур.

Заметим, что в каждой из этих областей могут поодиночке или парами находиться аминокислоты, склонные к образованию структур другого типа, если они по своей структуре не относятся к «разрушающим» структуру, в которой они находятся.

Различные типы белковых структур образуют структурную иерархию, которая, по-видимому, отражает и последовательность стадий сворачивания белка из первичной полипептидной цепи. Первоначально, как уже указывалось, возникают - и -участки вторичной структуры за счет локальных взаимодействий. Эти участки затем стабилизируются в результате действия гидрофобных сил, водородных связей и диполь–дипольных взаимодействий с другими участками цепи, что приводит к образованию элементов третичной структуры.

После образования отдельных спирализованных и -складчатых фрагментов вторичной структуры, для образования нужной пространственной третичной структуры необходимо, чтобы вошли в контакт те фрагменты, которые должны быть сближены в окончательном варианте для формирования активных групп. Но для этого теперь требуется не независимое случайное перемещение всех звеньев цепи, а только перемещение образовавшихся устойчивых фрагментов как целого. Установление контактов между такими фрагментами ограничивает степени свободы движения остальных и благоприятствует дальнейшему процессу структурообразования.

Очень важно, что самосборка (самоорганизация) белка имеет кооперативный направленный характер. Она проходит через определенное ограниченное число промежуточных стадий, в результате чего образование нативной белковой глобулы осуществляется за несколько секунд. Если бы конфигурация возникала в результате перебора всех различных вариантов укладки, то на это потребовалось бы время больше времени существования человечества.

Таким образом, синтез нативной структуры — это кооперативный самоорганизующийся процесс, осуществляющийся по программе, закодированной в структуре исходных полипептидных цепей, и происходящий постепенно, в несколько стадий, с обязательным закреплением синтезированных элементов структуры в процессе синтеза (см. ниже §9.4).

Существуют данные, подтверждающие, что сворачивание спиральных мембранных белков, как и водорастворимых глобулярных, проходит через интермедиаты, наподобие расплавленных глобул. В то же время, некоторые из малых однодоменных белков, состоящих из 50÷200 аминокислотных остатков, сворачиваются без накапливающихся в эксперименте интермедиатов. Сворачивание таких белков позволило исследовать кинетику активационных межфазных переходов и само переходное состояние.

Кинетика и термодинамика конформационных переходов в самом общем виде были рассмотрим в гл.3 (с. 479-495).