Рівні організації білкової молекули

При розгляді структури білкової молекули прийнято розрізняти чотири рівні її організації: первинну, вторинну, третинну і четвертинну.

Первинна структура білка. Під первинною структурою розуміють число і послідовність амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі (мал. 2.1). Вона визначається: 1) природою вхідних у білок амінокислот; 2) кількістю кожної амінокислоти; 3) строго визначеною амінокислотною послідовністю поліпептидного ланцюга.

Небілкові (простетичні) групи також включаються в первинну структуру білка. Основним типом хімічного зв'язку первинної структури є пептидний зв'язок. Ряд білків має невелике число дисульфідних зв'язків.

Кожен білок характеризується унікальною первинною структурою, обумовленою на генетичному рівні. В даний час установлено, що біологічна активність білка і його загальна конформація визначаються амінокислотною послідовністю. Заміна амінокислоти в поліпептидному ланцюзі може привести як до структурних змін молекул білка, так і до змін його фізико-хімічних властивостей і біологічних функцій.

Малюнок 2.1. Первинна структура рибонуклеази

Вторинна структура білка. Під вторинною структурою поліпептидного ланцюга розуміють упорядковане просторове розташування окремих її ділянок. У природних білках визначається два основних типи вторинної структури: -спіраль і -структура (складчасті шари). Основним хімічним зв'язком, що підтримує вторинну структуру, є водневий зв'язок. У -спіралі диполі сусідніх пептидних зв'язків (кожна -С=О-група має водневий зв'язок з четвертою за ходом ланцюга -NH-групою) утворюють велику систему внутрімолекулярних кооперативних водневих зв'язків, що стабілізують спіральну конформацію поліпептидного ланцюга. Бічні ланцюги амінокислот у -спіралі спрямовані назовні від центральної осі. -структура також стабілізується кооперативними міжпептидними водневими зв'язками в межах окремих ділянок одного поліпептидного ланцюга (у глобулярних білках) або між суміжними ланцюгами (у фібрилярних білках).

У більшості природних білків високо структуровані ділянки ланцюга чергуються з ділянками без вираженої вторинної структури.

Третинна структура білка. Третинна структура поліпептидного ланцюга визначає характер укладання спіральних і лінійних ділянок у даному обсязі (мал. 2.2). Укладання ланцюга в просторі відбувається з великою точністю: той або інший поліпептидний ланцюг за певних умов згортаються тільки одним-єдиним способом, здобуваючи ту форму, що характерна для молекул даного нативного (природного) білка. Завдяки такій строгій закономірності білок може цілком виконувати своє функціональне призначення.

Малюнок 2.2 Схематичне зображення тримірної структури міоглобіну

Форма молекул білка буває різною: від кулястої до нитковидної; за цією ознакою білки поділяються на глобулярні і фібрилярні (нитковидні). У глобулярних - третинна структура характеризується досить щільним упакуванням ланцюга у виді клубка.

Четвертинна структура білка. Четвертинна структура характерна для тих білків, молекула яких складається з двох і більш поліпептидних ланцюгів (субодиниць). Причому найчастіше зустрічаються димери, тримери і тетрамери. Стабілізацію четвертинної структури забезпечують нековалентні взаємодії між амінокислотними залишками, розташованими поблизу поверхні кожної глобули. З білків такого типу найбільш вивчений гемоглобін (мал.2.3). Він є типовим представником білків, що мають четвертинну структуру. Його молекула побудована з чотирьох попарно однакових субодиниць – двох  - та двох -поліпептидних ланцюгів, кожен з яких з’єднаний з небілковою сполукою гемом – порфіриновим похідним, що зв’язує молекулу оксигену.

Білки з четвертинною структурою можуть включати як однакові протомери (як у прикладі гемоглобіну), так і різні. У складі багатьох білків-ферментів містяться різні протомери, що виконують різні біохімічні функції (зокрема, каталітичну та регуляторну).

Малюнок 2.3. Четвертинна структура гемоглобіну

Молекула білка в четвертинній структурі - це взаємне просторове розташування глобул, що представляють собою єдине ціле в структурному і функціональному сенсі.

Четвертинній структурі належить важлива роль у регуляції біологічної активності білків, тому що вона дуже чуттєва до зовнішніх впливів, що викликають зміну взаєморозташування субодиниць і, як наслідок, - зміну активності білка. Таким чином, для кожного білка характерна своя просторова структура - конформація. У її формуванні ведуча роль належить первинній структурі, обумовленою інформацією, яка зберігається в ДНК. Нативні структуровані білкові молекули мають великий ступінь упорядкованості в порівнянні з розгорнутою поліпептидною ниткою. Спіралізація лінійного пептичного ланцюга (утворення вторинної структури) зменшує її розміри приблизно в 4 рази, а укладання в третинну структуру робить її в десятки разів більш компактною, ніж вихідний поліпептидний ланцюг.

Є домени - глобулярні утворення всередині білків із третинною структурою. Діаметр глобулярного домену дорівнює в середньому 2,5 нм; до його складу входить 100-150 амінокислотних залишків. Окремі домени є функціонально відносно автономними утвореннями в складі білкових молекул, і доменні білки в цьому відношенні подібні до олігомерних білків. Але, на відміну від білків із четвертинною структурою (олігомерів), окремі доменні глобули утворюються тим самим поліпептидним ланцюгом і, відповідно, зв’язані між собою пепетидними фрагментами (“шарнірними” ділянками). З’вязки між доменами можна розщепити тільки за допомогою протеолітичних ферментів.

Прикладами доменних білків є ферменти гліколітичного шляху окиснення глюкози, у складі яких окремі домени реалізують різні етапи складного каталітичного акту.