1.5.2. Конформация белковых молекул

В клетках живого организма при определенных температуре, pH и концентрации физиологической среды белковые молекулы образуют тер-модинамически наиболее устойчивую в этих условиях пространственную структуру, обеспечивающую выполнение белком его биологической функ-ции. Такую пространственную структуру называют нативной конформа-цией белковой молекулы.

При изменении физиологических условий молекулы белков могут обратимо перестраивать свою нативную конформацию, при этом меняется и их биологическая активность. Обратимые изменения нативной конфор-мации белков (перестройка их пространственной структуры) имеют важ-ное значение для регуляции ферментативной активности, транспорта ионов и метаболитов через биологические мембраны, регулирования проницаемости клеточных мембран.

Как указывалось ранее, образование пространственной структуры белков определяется генетически детерминированной последователь-ностью соединения аминокислотных остатков в полипептидных цепях белковых молекул. Следовательно, нативная конформация белков зависит от их первичной структуры. Но вместе с тем для формирования нативной конформации белков требуется и весь набор факторов внутренней физио-логической среды данной клетки (определенное значение pH, присутствие тех или иных ионов и других кофакторов).

Построение пространственной структуры белковой молекулы проис-ходит в процессе ее синтеза по мере удлинения полипептидной цепи, что и предопределяет последовательность взаимодействия атомных группировок аминокислотных остатков при формировании вторичной и третичной структуры синтезируемого полипептида. В специальных опытах показано, что в белковой молекуле содержатся аминокислотные остатки, которые являются активными инициаторами нековалентных взаимодействий, об-легчающих формирование промежуточных структур в процессе перехода белка к нативной конформации.

В правильном построении пространственной структуры белковых молекул участвуют специализированные белки – шапероны. Особенно много таких белков синтезируется в стрессовых условиях. Они образуют комплексы с полипептидными цепями, предотвращая их агрегацию в процессе формирования вторичной и третичной структуры.

Известны и другие белки – катализаторы формирования простран-ственной структуры полипептидов. Так, в клетках высших организмов обнаружен фермент протеиндисульфидизомераза, катализирующий пра-вильное образование дисульфидных связей при формировании третичной структуры полипептидов. Он прелставляет собой димерный белок, содер-жащий в активном центре остатки аминокислоты цистеина.

Лимитирующей стадией в построении нативной конформации белков может быть переход группировок пептидных связей из цис- в транс-конфигурацию. Особенно медленно проходит цис-транс-изомери-зация группировок пептидных связей, образованных иминогруппой проли-на. Для ускорения таких превращений в клетках организмов имеется спе-циальный фермент пролил-цис-транс-изомераза.

Характерные особенности пространственной конфигурации гомоло-гичных белковых молекул, выполняющих одну и ту же функцию у разных организмов, определяются наличием одинаковых аминокислотных остат-ков в ключевых положениях, сильно влияющих на конформацию молеку-лы, тогда как в других положениях могут находиться разные амино-кислотные остатки. Но они слабее влияют на пространственную структуру молекулы.

Весьма характерное строение имеют мембранные белки, которые, как правило, содержат трансмембранные фрагменты в виде α-спиралей; от них отходят внемембранные полипептиды, обеспечивающие связь с окру-жающей физиологической средой. Трансмембранные полипептидные фрагменты могут быть образованы и в виде b-структур. Основные функ-ции мембранных белков – транспорт молекул и ионов через мембраны, межклеточные взаимодействия, образование ионных каналов, передача внешних сигналов в клетку и др.

Под влиянием сильнодействующих факторов (высокая температура, экстремальные значения pH, присутствие в окружающей среде катионов тяжелых металлов, применение органических растворителей и детерген-тов) может происходить разупорядочивание системы водородных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий в молекулах белков, что вызывает существенное изменение их вторичной и третичной структу-ры, приводящее к утрате нативной конформации. При этом белок уже не может выполнять свойственную ему биологическую функцию. Необрати-мое изменение пространственной структуры белковых молекул, которое сопровождается потерей их нативных свойств, называют денатурации-ей белков.

Наглядным примером денатурации является тепловая денатурация белков. При повышении температуры возрастает амплитуда колебаний атомов, что приводит к разрыву водородных связей и ослаблению элек-тростатических взаимодействий в молекулах белков, в результате чего происходит необратимое свертывание и осаждение белков из раствора. Большинство белков подвергаются денатурации при температуре 70–80˚C. Однако некоторые белки отличаются довольно высокой термостабиль-ностью. Так, например, ферменты термофильных бактерий сохраняют каталитическую активность при температуре 80˚C.

Известны вещества, стабилизирующие нативную конформацию бел-ковых молекул, и их присутствие в физиологической среде повышает температуру денатурации белков. К таким веществам относятся водорас-творимые соли, содержащие катионы кальция (Ca²⁺).

Денатурация белков может происходить в сильнокислой или сильно-щелочной среде. В сильнокислой среде практически полностью подавля-ется диссоциация карбоксильных групп аминокислотных радикалов моно-аминодикарбоновых кислот и заряд белковой молекулы определяется по-ложительными зарядами радикалов диаминомонокарбоновых кислот, вза-имное отталкивание которых вызывает разрыв водородных связей и ослаб-ление электростатических взаимодействий, стабилизирующих третичную структуру молекулы. В результате белки утрачивают нативную конфор-мацию и подвергаются коагуляции (осаждению).

В сильнощелочной среде (pH > 11) утрачивается положительный заряд радикалов диаминомонокарбоновых кислот и заряд белковой моле-кулы определяется отрицательными зарядами карбоксильных групп ради-калов моноаминодикарбоновых кислот, взаимное отталкивание которых вызывает разрыв водородных связей и ослабление электростатических взаимодействий в молекуле, вследствие чего происходит существенное изменение пространственной структуры и денатурация белка.

Сильным денатурирующим действием обладают катионы тяжелых металлов, трихлоруксусная, хлорная, вольфрамовая и некоторые другие кислоты, которые образуют с белками нерастворимые соли.

Некоторые органические растворители (спирт, ацетон, формамид) способны взаимодействовать с гидрофобными радикалами аминокислот-ных остатков белков и с молекулами воды, вызывая ослабление гидро-фобных взаимодействий и разрыв водородных связей, стабилизирующих третичную структуру полипептидов, в результате чего происходит денату-рация белковых молекул.

В денатурированном состоянии наблюдается ухудшение или потеря белками растворимости, снижается их гидрофильность и водопоглоти-тельная способность, а также способность к набуханию, в результате чего белки уже не могут выполнять свои биологические функции. Например, при длительном хранении семян вследствие уменьшения гидрофильности белков понижается их способность к прорастанию.

Установлено, что денатурация белков в растворе или во влажной среде происходит значительно легче и быстрее, чем в высушенном состоя-нии, и это используется при разработке технологий сушки биологического материала и различных растительных продуктов (зерна, макарон, овощей и фруктов). Сведения о денатурации белков также учитывают при выпечке хлеба и кондитерских изделий, производстве консервов и других пищевых продуктов.