1.5. Белки

Белки – важнейшие химические компоненты любой живой клетки, которые обеспечивают и поддерживают ее жизнедеятельность. Молекулы белков представляют собой биополимеры, построенные из остатков опре-деленного набора аминокислот, называемых протеиногенными, и двух амидов – аспарагина и глутамина. Кроме аминокислот и указанных ами-дов в состав белковых молекул могут входить другие химические группи-ровки неаминокислотной природы. В белках содержится, %: углерода – 50–55, кислорода – 20–24, водорода – 7, серы – 0,5–3; в состав некоторых белков могут также входить фосфор и различные металлы.

Огромное структурное разнообразие белков и широкий диапазон изменения их физико-химических свойств позволяют этим биополимерам выполнять в организмах разнообразные жизненно важные функции. Все биохимические реакции в клетках организмов происходят с участием каталитически активных белков – ферментов. Структурная основа биоло-гических мембран цитоплазмы и внутриклеточных органелл также постро-ена с участием белков, выполняющих в данном случае структурную функцию. Защитную функцию выполняют белковые антитела и стрессо-вые белки, образующиеся под воздействием стрессовых факторов. Важные функции выполняют в растительных клетках регуляторные и транспорт-ные белки.

В семенах и других органах растений откладываются запасные бел-ки, которые в значительной степени определяют питательную и кормовую ценность растительной продукции. Много белков накапливается в зерне зернобобовых культур – 20–30 %, в сое и люпине – 30–45 %, в семенах масличных культур – 15–30 %, семенах древесных растений – до 30 %. Содержание белков в другой растительной продукции составляет, %: зер-новки злаковых растений – 6–18; клубни картофеля – 1–3; корнеплоды – 0,5–2; овощи, плоды и ягоды – 0,5–1,5; цветная и брюссельская капуста – 1–4; чеснок – 4–6; вегетативная масса мятликовых трав – 3–9, бобовых трав – 9–15 (последние два показателя даны в расчете на сухую массу).

1.5.1. Строение белковых молекул

Основополагающий вклад в разработку теории строения белков внесли работы Э. Фишера, который в 1901 г. предположил и затем экспе-риментально обосновал положение о том, что белковые молекулы построе-ны из аминокислот, остатки которых соединены пептидными связями. Об-разующиеся таким путем полимеры обычно называют полипептидами, а учение о построении белковых молекул из остатков аминокислот, соеди-ненных пептидными связями, – полипептидной теорией строения белков.

В образовании пептидной связи участвуют α-аминокислоты, которые взаимодействуют своими аминными и карбоксильными группами, при этом высвобождаются молекулы воды. У диаминомонокарбоновых кислот пептидную связь может образовать только аминогруппа, находящаяся в α-положении по отношению к карбоксильной группе, а у моноаминодикар-боновых кислот – карбоксильная группа, имеющая в α-положении амино-группу. Углеводородные группировки аминокислотных остатков, соеди-ненных пептидными связями, остаются в виде боковых радикалов. Так, например, из аланина, аспарагиновой кислоты и лизина образуется трипептид:

Название пептида составляется из названий образующих его амино-кислот, при этом название аминокислоты, содержащей свободную карбок-сильную группу, не участвующую в образовании пептидной связи, запи-сывается в его конце, а в названиях других аминокислот окончание изме-няют на "ил" и перечисляют их в названии пептида в том порядке, в кото-ром они расположены в структурной формуле полученного соединения. В соответствии с этим представленный ранее трипептид называется аланил-аспарагиллизин.

Пептидная связь может располагаться в пространстве в цис- или транс-конфигурации:

Атомные группировки пептидной связи расположены в одной плос-кости, образуя у природных полипептидов преимущественно транс-кон-фигурацию относительно связи C–N, которая в значительной мере имеет характер двойной связи, и вращение группировок атомов вокруг этой связи сильно ограничено. В целом пространственное построение полипептидной цепи можно представить как последовательность плоскостных структур, образуемых элементами пептидной связи, которые соединены через α-уг-леродные атомы аминокислотных радикалов. Поскольку связи у α-углерод-ных атомов не являются двойными, вокруг них возможно вращение рас-положенных в плоскости пептидной связи группировок.

Чаще всего в состав белковых полипептидов могут входить 100–400 аминокислотных остатков, которые, соединяясь в определенном порядке пептидными связями, могут давать большое число изомерных молекул, способных выполнять разнообразные биологические функции. В общем виде строение полипептида можно выразить следующей формулой:

В этой формуле аминокислотные остатки соединены связями –СО–NH–, которые называют пептидными, а R₁, R₂, R₃...Rn – радикалы амино-кислотных остатков, содержащие различные группировки атомов и обра-зующие боковые ответвления в молекуле полипептида, соединенные с α-углеродными атомами амннокислотных остатков.

На противоположных концах полипептидной цепи имеются свобод-ная аминная и свободная карбоксильная группы, по которым определяют направленность присоединения аминокислотных остатков в молекуле по-липептида. Аминокислотный остаток на конце полипептидной цепи со сво-бодной аминогруппой в α-положении называется N-концевым, а амино-кислотный остаток на противоположном конце полипептида, содержащий свободную карбоксильную группу, не использованную для образования пептидной связи, – C-концевым. Определение N- и C-концевых аминокис-лотных остатков имеет важное значение для выяснения строения белковой молекулы, оно позволяет установить в ней число полипептидных цепей.

Большинство известных белков содержат в молекуле более одной полипептидной цепи и этим существенно отличаются от обычных пепти-дов, имеющих одну полипептидную цепь и более низкую молекулярную массу. Нижний предел полимерности известных белков составляет не ме-нее 50 аминокислотных остатков в одной молекуле. Вместе с тем известны некоторые белки, молекулы которых насчитывают свыше 1000 аминокис-лотных остатков.

Пептиды представляют собой важные промежуточные продукты обмена веществ, многие из них выполняют регуляторные функции и отно-сятся к физиологически активным соединениям. Из растительных пепти-дов наиболее хорошо изучен глютатион, структура которого была уста-новлена в 1945 г. Ф.Гопкинсом. Молекула глютатиона включает остатки трех аминокислот – глутаминовой, цистеина и глицина. Глицин и цистеин соединены пептидной связью, а цистеин и глутаминовая кислота – псевдо-пептидной, которая образуется в результате взаимодействия аминогруппы цистеина с карбоксильной группой глутаминовой кислоты, не содержащей в α-положении аминогруппу и обычно находящейся в белковых полипеп-тидах в составе бокового радикала.

H₂N–CH–CH₂–CH₂–CO–NH–CH–CO–NH–CH₂–COOH

│  │

COOH   CH₂SH

глютатион

Высокая биологическая активность глютатиона обусловлена его спо-собностью участвовать в восстановительных реакциях, так как под дей-ствием фермента в его молекуле может легко отщепляться водород от сульфгидрильной группы (–SH) с образованием окисленной формы в виде димеров, связанных дисульфидными (–S–S–) связями. Схематически обра-зование димеров глютатиона можно представить следующим образом:

фермент

R–SH + HS–R ¾¾® R–S–S–R + фермент–H₂

Глютатион содержится во всех растительных клетках и оказывает влияние на активность многих ферментов, катализирующих превращения белков.

После того как была сформулирована и экспериментально подтвер-ждена полипептидная теория строения белков, следующим этапом стало определение структурных формул белков, показывающих последователь-ность соединения аминокислотных остатков в белковых молекулах. Впер-вые это удалось осуществить в 1954 г. Ф. Сенгеру, применившему новые подходы в химической идентификации концевых аминокислотных остат-ков у различных пептидов, которые могут быть получены при частичном гидролизе полипептидов изучаемого белка.

Сопоставление последовательностей аминокислотных остатков пере-крывающихся фрагментов полипептидных цепей гормона поджелудочной железы человека инсулина позволило ученому с достаточно высокой точностью определить последовательность соединения аминокислотных остатков в молекуле этого белка. Как оказалось, молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей, в одной из которых содержится 30 аминокислотных остатков, в другой – 21. Полипептидные цепи в двух положениях соединены дисульфидными связями, которые образуются при взаимодействии сульфгидрильных групп (–SH) остатков аминокислоты цистеина точно по такому же механизму, как и у димеров глютатиона. Положение этих цистеиновых остатков в полипептидных цепях инсулина показано на рисунке 1.4.

С

Рис. 1.4. Первичная структура

молекулы инсулина

ледует учитывать, что нумерацию аминокислотных остатков в полипептидах принято исчислять в направлении от N-кон-цевого к С-концевому. В короткой цепи инсу-лина образуется еще одна дисульфидная связь между остатками цистеина в 6-м и 11-м поло-жениях. В длинной цепи N-концевой остаток – аминокислоты фенилаланина, С-концевой остаток – аминокислоты аланина; в короткой цепи N-концевой остаток – аминокислоты глицина, С-концевой – аспарагина. Таким об-разом, на примере инсулина мы видим, что молекула белка может быть построена не из одного полипептида и разные полипептидные цепи в молекуле белка могут соединяться дисульфидными связями за счет цистеиновых остатков.

Вслед за инсулином были расшиф-рованы аминокислотные последовательности различных пептидов и бел-ков: окситоцина, вазопрессина, РНК-полимеразы, пепсина, трипсина, лизо-цима, цитохромов, гемоглобина, папаина и др. В настоящее время работа по определению аминокислотного состава белков почти полностью авто-матизирована и число белков с известной последовательностью аминокис-лотных остатков уже значительно превышает 20 тысяч.

Первичная структура белков. Последовательность соединения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковой молекулы принято называть первичной структурой белка. Она определяется после-довательностью нуклеотидных остатков конкретного участка молекулы ДНК, кодирующего данный полипептид и называемого геном.

Замена даже одного аминокислотного остатка в структуре белка может существенно изменить его функцию. Поэтому белковые полипеп-тиды можно рассматривать как "отпечатки" кодирующих их генов и ис-пользовать для распознавания генотипов, а также установления генети-ческого родства между ними. Так, например, в короткой полипептидной цепи инсулина человека в положениях 8, 9 и 10 находится последова-тельность аминокислотных остатков Thr–Ser–Ile, в инсулине овцы – Ala–Gly–Val, в инсулине коровы – Ala–Ser–Val, в инсулине собаки – Thr–Ser–Ile, то есть такая же аминокислотная последовательность, как и у человека, что свидетельствует о меньшем филогенетическом различии между этими организмами.

В других исследованиях, связанных с изучением аномальных форм гемоглобина, установлено, что во многих случаях замена в одной из его полипептидных цепей хотя бы одного аминокислотного остатка на другой вызывает нарушение физиологической функции этого белка, которое при-водит к серьезным клиническим последствиям для организма человека.

Вторичная структура белков. Полипептидная цепь, включающая последовательность аминокислотных остатков, характерную для данного белка, формирует вполне определенную пространственную структуру, которую обычно называют конформацией белковой молекулы. Простран-ственное же строение каждого отдельного участка полипептидной цепи представляет собой вторичную структуру белка.

Формирование вторичной структуры белковых молекул зависит от физико-химических параметров аминокислотных остатков и их последова-тельности в полипептидной цепи. Как уже было отмечено, атомные груп-пировки пептидной связи располагаются в одной плоскости, а каждая такая плоскостная структура соединяется с соседней через α-углеродные атомы аминокислотных радикалов ковалентными связями, вокруг которых возможно вращение плоскостных структур пептидных связей. Угол пово-рота по каждой из этих связей для каждого аминокислотного остатка вполне определенный, зависящий от строения аминокислотного радикала. Если на конкретном участке молекулы полипептида группируются амино-кислотные остатки с близкими углами вращения по указанным связям, то и формируется однотипная вторичная структура.

В стабилизации вторичной структуры полипептида важную роль играют водородные связи, возникающие между группировками пептидных

связей по следующей схеме:

═N–H.....O=C═

О

Рис. 1.5. Фрагмент α-спирали

полипептидной цепи

(стрелкой показано направление

полипептидной цепи)

дна из разновидностей вторичной структуры белка – α-спираль, ко-торая была установлена в 1951 г. Л. Полингом и Р. Кори методом рент-геноструктурного анализа. При формиро-вании α-спирали происходит спиралевид-ное закручивание полипептидной цепи, которое стабилизируется за счет образова-ния водородных связей, возникающих в определенном порядке между NH- и CO-группами пептидных связей, находящихся в соседних витках спирали (рис. 1.5). NH-группа пептидной связи каждого амино-кислотного остатка соединяется водород-ной связью с CO-группой пептидной связи другого аминокислотного остатка, удален-ного в полипептидной цепи от первого на 4 аминокислотных остатка, считая назад по направлению цепи (направление полипептидной цепи принято считать от N-конца к C-концу).

Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, при этом атомы кислорода, соединенные двойной связью с атомами углерода, обращены от них по спирали вперед, а атомы водорода, соединенные с атомами азота, обращены от них по спирали назад. Боковые радикалы аминокислот также ориентированы вдоль оси спирали по направлению, противоположному направлению полипептидной цепи. Внутри α-спирали не образуется полости, так как всё её внутреннее пространство полностью занято группировками пептидных связей и α-углеродных атомов. На поверхности α-спирали находятся боковые радикалы аминокислотных остатков, которые могут взаимодействовать как между собой, так и с компонентами окружающей физиологической среды.

Большинство известных белков образуют α-спираль, у которой спи-ралевидное закручивание полипептидной цепи происходит по направле-нию движения часовой стрелки. Расчеты показывают, что на каждый виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, а ход спирали при удли-нении цепи на один аминокислотный остаток равен 0,15 нм. Диаметр ус-ловной цилиндрической поверхности, на которой находятся α-углеродные атомы аминокислотных радикалов, составляет 1,01 нм.

Спиралевидная конфигурация вторичной структуры является основ-ной для фибриллярных белков, например белка волос, шерсти, перьев, рогов – кератина. Однако длина спирализованных участков глобулярных белков небольшая и обычно составляет несколько витков (3–4 оборота α-спирали). Спирализация полипептидной цепи возникает в том случае, когда на определенном её участке группируются аминокислотные остатки α-аланина, лейцина, фенилаланина, тирозина, триптофана, цистеина, мети-онина, гистидина, аспарагина, глутамина, валина.

Довольно часто в структуре глобулярных белков встречаются изгибы и петли, поворачивающие полипептидную цепь на определенный угол. Наиболее характерной формой такой структуры является так называе-мый b-изгиб, поворачивающий пептидную цепь на 180˚. Обычно b-изгиб включает 3–4 аминокислотных остатка, ключевой из которых – остаток аминокислоты глицина.

Остатки иминокислоты пролина вызывают излом образующейся α-спирали с отклонением от её оси на угол 20–30˚, такую структуру называ-ют пролиновым изгибом. Поворот полипептидной цепи в пролиновом изгибе объясняется тем, что азот пролина, входящий в структуру пептид-ной группировки, не связан с атомом водорода и поэтому не образует водородной связи. Изгиб полипептидной цепи при образовании пептидной связи с участием иминокислоты пролина можно представить следующим образом:

R

∕

О NН

ǁ ∕

Н₂С ― СН₂ С

| | ∕

Н₂С СН

\ /

N

/

О=С

/

R

Есть аминокислоты (серин, изолейцин, треонин, лизин, аргинин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые, в соответствии со строением радикала формируют другой тип вторичной структуры, его называют b-структурой. В этой структуре водородные связи образуются между CO- и NH-группами, находящимися в соседних отрезках полипеп-тидной цепи, которые имеют параллельную или противоположную направ-ленность; в соответствии с этим и b-структуры называют параллельными или антипараллельными.

участок антипараллельной b-структуры

участок параллельной b-структуры

(стрелками показаны направления полипептидных цепей)

В двух смежных цепях, формирующих b-структуру, в образовании водородных связей участвует половина CO- и NH-групп, что связано с че-редованием пространственного расположения аминокислотных радикалов. Боковые радикалы соседних аминокислотных остатков находятся в транс-положении по отношению к пептидной группировке, поэтому в образова-нии водородных связей с соседней полипептидной цепью участвует каж-дая вторая пептидная группа. Оставшиеся свободными СО- и NН-группы могут образовывать водородные связи с аналогичными группами еще одной цепи с противоположной стороны, а она со следующей пептидной цепью и т. д. Таким образом, с помощью водородных связей могут быть соединены несколько полипептидных цепей (2–10) протяженностью до восьми аминокислотных остатков вдоль каждой из цепей, а у некоторых даже больше.

Отходящие в противоположные стороны от каждой полипептидной цепи радикалы аминокислотных остатков образуют поверхности, имею-щие складчатое строение. Складки этих поверхностей определяются угла-ми связей α-углеродных атомов аминокислотных остатков (рис. 1.6). Очень часто поверхность b-структуры закручивается под определенным углом, образуя уже супервторичную структуру.

Рис. 1.6. Схематическое изобра-жение трёх полипептидных це-пей, образующих β-структуру в виде складчатого слоя

(над и под поверхностью складчатого слоя находятся радикалы аминокис-лотных остатков)

Вторичная структура полипептидов в виде α-спирали и b-структур относится к структурам, которые периодически повторяют в пространстве свои конфигурации, в связи с чем их называют регулярными структурами. Однако практически в каждой белковой молекуле имеются участки с впол-не определенной пространственной конфигурацией, но она не повторяется в других участках. Такие разновидности вторичной структуры белков принято называть нерегулярными структурами.

Каждый белок в зависимости от первичной структуры, определяю-щей набор и последовательность аминокислотных остатков в его полипеп-тидных цепях, содержит вполне определенные группировки аминокислот на отдельных участках молекулы, которые в зависимости от их физико-химических параметров способны формировать тот или иной тип вторич-ной структуры. Поэтому в данном белке в соответствии с последователь-ностью соединения аминокислотных остатков на каждом участке его полипептидных цепей реализуется совершенно определённый тип вторич-ной структуры.

Известно очень мало белков с одинаковой вторичной структурой на всех участках молекулы. К таким белкам относятся кератин (структурный белок шерсти, перьев, рогов) и коллаген (белок сухожилий), имеющие конфигурацию молекулы в виде α-спирали, а также белки шелка (фиброин) и семян канавалии (конканавалин А), образующие преимущественно b-структуры. Большинство же белков формируют смешанный тип вторичной структуры, включающий на конкретных участках молекулы и α-спираль, и b-структуры, и нерегулярные структуры. Так, например, в белке миогло-бине 79 % составляющих его аминокислотных остатков образуют вторич-ную структуру в виде α-спирали, 16 % приходится на участки с нерегуляр-ной структурой и 5 % участвуют в образовании b-изгибов. В растительном белке папаине 28 % вторичной структуры представлено α-спиралями, 14 – b-структурами, 17 – b-изгибами и 41 % – нерегулярными структурами.

Третичная структура белков. Порядок размещения в пространстве всех атомных группировок полипептидной цепи принято называть третич-ной структурой белковой молекулы. Впервые понятие о третичной струк-туре белков было сформулировано в 1958 г. Д. Кендрью на основе рентге-ноструктурного анализа пространственной конфигурации молекулы мио-глобина, в результате чего удалось выяснить трёхмерную структуру этого белка.

В процессе дальнейших исследований было установлено, что в построении третичной структуры белков важную роль играют нековалент-ные взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков, находя-щимися на поверхности вторичных структур, а также дисульфидные связи, возникающие в результате взаимодействия сульфгидрильных групп (–SH) остатков аминокислоты цистеина. При формировании третичной структу-ры реализуются три типа нековалентных взаимодействий: образование водородных связей, электростатические и гидрофобные взаимодействия.

Водородные связи соединяют между собой функциональные группы

боковых цепей аминокислотных остатков, связанных с α-углеродными атомами:

R–OH....O=C–R R–O....H–N–R R–C=O....H–N–R

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

ОH Н Н NН₂ Н

Насыщенность белковой молекулы водородными связями весьма велика – не менее 90 % от возможного их образования. Важное значение для стабилизации третичной структуры белков имеют также водородные связи, которые образуют группировки полипептидов с молекулами воды, формирующими жидкую фазу физиологической среды клеток организмов.

Между заряженными группировками аминокислотных остатков возникают силы электростатического взаимодействия:

+

R–COO‾....H₃N–R

Формированию компактной пространственной структуры в значи-тельной степени способствуют гидрофобные взаимодействия между непо-лярными группировками боковых радикалов аминокислот, входящих в состав полипептидной цепи. В результате гидрофобных взаимодействий происходит отталкивание молекул воды от поверхности гидрофобных группировок и сближение последних, вследствие чего полипептидная цепь свертывается в виде глобулы. При этом большая часть гидрофобных радикалов оказывается внутри глобулы и таким образом защищается от контакта с молекулами воды, а гидрофильные радикалы, наоборот, нахо-дятся на поверхности белковой глобулы, они образуют водородные связи с молекулами воды и стабилизируют пространственную структуру белка.

К аминокислотам, имеющим гидрофобные радикалы, относятся гли-цин, лейцин, изолейцин, валин, аланин, фенилаланин, цистеин, метионин. Гидрофильные радикалы содержат аминокислотные остатки треонина, серина, триптофана, тирозина, аспарагина и аспарагиновой кислоты, глута-мина и глутаминовой кислоты, лизина, гистидина.

Образующаяся в результате гидрофобных взаимодействий простран-ственная структура полипептида имеет довольно плотную упаковку, вследствие чего её очень часто называют гидрофобным ядром белковой молекулы. Вокруг ядра формируется оболочка из гидрофильных амино-кислотных остатков, в которые могут быть включены и гидрофобные радикалы, образующие гидрофобные выходы на поверхность белковой глобулы. За счет формирования таких структур обеспечивается специфич-ность взаимодействия белковой молекулы с веществами окружающей среды. В состав гидрофильной оболочки, окружающей гидрофобное ядро, входят также молекулы воды, связанные водородными связями с полярными группировками белковой молекулы.

У многих белков важным фактором стабилизации третичной струк-туры служат дисульфидные связи, которые образуются при взаимодей-ствии остатков цистеина по такому же механизму, как и при формирова-нии димеров глютатиона (см. стр. 76). Однако образование дисульфидных связей не является обязательным условием стабильности третичной струк-туры белка, так как известно довольно много белков, формирующих устойчивую пространственную структуру только за счет нековалентных взаимодействий.

При формировании третичной структуры белка может возникать не одно, а два гидрофобных ядра и более, включающих достаточно большие участки одной и той же полипептидной цепи. Между этими ядрами образу-ются впадины и полости, играющие важную роль в функционировании белка.

Третичная структура полипептидов складывается из элементов вто-ричной структуры. Так, в составе ряда белков третичная структура пред-ставлена только α-спиралями, которые размещаются в пространстве в виде параллельных участков. Вместе с тем известны белки, молекулы которых построены в основном из b-структур, свернутых в пространстве под опре-деленным углом. Однако у многих белков пространственная конфигурация молекулы формируется в виде смешанных структур, включающих опреде-ленные сочетания α-спиралей и b-структур. При этом довольно часто внут-ренняя часть молекулы полипептида представлена b-структурами, которые на поверхности окружены α-спиралями.

На рисунке 1.7 показана третичная структура ферментных белков триозофосфатизомеразы и лизоцима. В молекуле триозофосфатизомеразы в центральной части представлены b-структуры, которые окружены α-спиралями. В лизоциме часть третичной структуры (в верхней части ри-сунка) образована в виде (-структур, а другая часть (в нижней части ри-сунка) представлена α-спиралями.

Рис. 1.7. Схема третичных структур ферментных белков

триозофосфатизомеразы (1) и лизоцима 92)

Для существующих в природе белков установлено строгое соответ-ствие между первичной и третичной структурами полипептидов. Последо-вательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи предопре-деляет ее пространственную конфигурацию. Этот принцип подтверждается в опытах по конструированию аминокислотных последовательностей по-липептидов, способных формировать пространственную структуру задан-ного типа.

Четвертичная структура белков. Многие белки представяют собой сложные молекулы, образующиеся при нековалентном взаимодействии двух или нескольких полипептидов, каждый из которых имеет свою тре-тичную структуру. Такие белки принято называть олигомерными, а образу-ющие их полипептиды – полипептидными субъединицами белка. Способ совместной упаковки и размещения в пространстве полипептидных субъ-единиц олигомерных белковых молекул называют четвертичной струк-турой белков.

В первые четвертичную структуру белка установили методом рентге-ноструктурного анализа при изучении пространственной конфигурации молекул гемоглобина (Перутц М., 1959). В этих исследованиях было опре-делено, что молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц: двух α-полипептидных цепей по 141 аминокислотному остатку в каждой и двух b-цепей по 146 аминокислотных остатков в каждой. Субъединицы гемогло-бина размещаются в пространстве симметрично, занимая вершины тетра-эдрической структуры (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема четвертичной структуры молекулы гемоглобина

(α₁, α₂, β₁, β₂ – отдельные полипептиды, образующие молекулу гемоглобина)

В молекуле гемоглобина наблюдается более сильное взаимодействие между разными субъединицами и относительно слабее выражена связь между одноименными субъединицами, вследствие чего образуются до-вольно устойчивые димеры разных субъединиц (αb), из которых уже формируется структура тетрамерной молекулы за счет более слабых взаимодействий. Такой порядок взаимодействия субъединиц гемоглобина приводит к образованию совершенно однотипных молекул a₂b₂, тогда как другие сочетания субъединиц неустойчивы.

Если характер взаимодействия между всеми субъединицами олиго-мерного белка одинаковый, то возможно возникновение молекул с разным набором полипептидов. Так, например, у тетрамерного белка, молекулы которого образуются из двух типов субъединиц А и Б, формируются олигомеры следующего состава: А₄, А₃Б, А₂Б₂, АБ₃, Б₄. Все они представ-ляют собой близкие по структуре белки, выполняющие одну и ту же функ-цию в организме. Молекулы олигомерного белка, построенные из разных полипептидных субъединиц и выполняющие одну и ту же биологическую функцию, принято называть множественными молекулярными формами, или изоформами данного белка.

Соединение полипептидных субъединиц в олигомерные молекулы происходит за счет нековалентных взаимодействий. Важную роль играют водородные связи, которые образуются между накладывающимися эле- ментами b-структур, входящих в состав белковых субъединиц, а также в результате взаимодействия радикалов аминокислот, имеющих группи- ровки:

–C–OH, –OH, =NH, –NH₂.

‖

O

При рассмотрении третичной структуры белков было показано, что в поверхностной оболочке, окружающей гидрофобное ядро, также содер-жится много гидрофобных радикалов аминокислот, которые в результате сближения поверхностей третичных структур двух субъединиц вступают в гидрофобные взаимодействия, что вносит существенный вклад в форми-рование четвертичной структуры белков. Причем у некоторых белков гидрофобные взаимодействия являются главными факторами формирова-ния их четвертичной структуры. Так, у ряда регуляторных белков имеются характерные последовательности аминокислотных остатков, в которых с определенной частотой встречается гидрофобный радикал лейцина (в одном и том же положении через каждые 2 витка α-спирали). В результате взаимодействия двух субъединиц происходит гидрофобное совмещение их спиралевидных конфигураций и образование двойной спирали, соединяю-щей данные субъединицы в одну молекулу. Такой тип гидрофобного взаимодействия между полипептидами белка получил название "лейцино-вых петель".

Важными факторами формирования четвертичной структуры белков

служат электростатические взаимодействия между заряженными груп-пировками полипептидных субъединиц белковой молекулы, представлен-ными радикалами дикарбоновых (аспарагиновая и глутаминовая кислоты) и диаминомонокарбоновых (лизин, аргинин) кислот. Таким образом, в результате совместного действия всех указанных факторов образуется достаточно устойчивая пространственная структура олигомерной молеку-лы белка.

Наиболее часто четвертичная структура белков представлена диме-рами, тримерами, тетрамерами и гексамерами, хотя известны также белки, содержащие в молекуле 8, 12, 24 и более субъединиц. Биологическая роль четвертичной структуры белков заключается в том, что путем соединения сравнительно небольших структурных элементов оказывается возможным формирование более сложных структур, обеспечивающих молекулам белка большую лабильность, способность выполнять конкретную биологи-ческую функцию, возможность совмещать в одной пространственной структуре несколько функционально активных центров.