Чет­вер­тич­ная струк­ту­ра бел­ка

В 60–70-е го­ды XX ве­ка бы­ло ус­та­нов­ле­но, что мо­ле­ку­лы мно­гих бел­ков со­сто­ят из не­сколь­ких по­ли­пеп­тид­ных це­по­чек, со­еди­нен­ных ме­ж­ду со­бой не­ко­ва­лент­ны­ми свя­зя­ми – во­до­род­ны­ми, ион­ны­ми или гид­ро­фоб­ны­ми. Та­ким об­ра­зом, ка­ж­дая мо­ле­ку­ла та­ко­го бел­ка со­сто­ит из не­сколь­ких субъ­е­ди­ниц, ко­то­рые, со­еди­ня­ясь ме­ж­ду со­бой, об­ра­зу­ют чет­вер­тич­ную струк­ту­ру бел­ко­вой мо­ле­ку­лы. Бел­ки, об­ла­даю­щие чет­вер­тич­ной струк­ту­рой, на­зы­ва­ют оли­го­ме­ра­ми (ди­ме­ра­ми, тет­ра­ме­ра­ми и т.д.). Клас­си­че­ский при­мер та­ко­го бел­ка – ге­мо­гло­бин. Его мо­ле­ку­ляр­ная мас­са 64500, и мо­ле­ку­ла со­сто­ит из че­ты­рёх по­ли­пеп­тид­ных це­по­чек, при­чем од­на па­ра (-це­пи) име­ет пер­вич­ную струк­ту­ру, от­лич­ную от дру­гой па­ры (-це­пи). Ка­ж­дая по­ли­пеп­тид­ная цепь свя­за­на с ато­мом же­ле­за, за­клю­чен­ный в цен­тре груп­пы ато­мов – ге­ма, об­ра­зую­ще­го крас­ный пиг­мент, спо­соб­ный свя­зы­вать ки­сло­род воз­ду­ха. Субъ­е­ди­ни­цы ге­мо­гло­би­на со­сре­до­то­че­ны по уг­лам поч­ти пра­виль­но­го тет­ра­эд­ра, по цен­тру ко­то­ро­го вне­дря­ет­ся мо­ле­ку­ла ки­сло­ро­да.

Ес­ли чет­вер­тич­ная струк­ту­ра ге­мо­гло­би­на бу­дет раз­ру­ше­на, ки­сло­ро­ду бу­дет не­ку­да вне­дрять­ся. Во­об­ще же ки­сло­род в мо­ле­ку­ле ге­мо­гло­би­на свя­зан ко­ор­ди­на­ци­он­но, по­это­му лег­ко ухо­дит из не­го и пе­ре­да­ет­ся тка­ням ор­га­низ­ма, бла­го­да­ря че­му и осу­ще­ст­в­ля­ют­ся про­цес­сы тка­не­во­го и кле­точ­но­го ды­ха­ния.

Мо­ле­ку­лы бел­ков, об­ла­даю­щих чет­вер­тич­ной струк­ту­рой, при оп­ре­де­лен­ных ус­ло­ви­ях мо­гут дис­со­ции­ро­вать в рас­тво­ре на субъ­е­ди­ни­цы, ко­то­рые при дру­гих ус­ло­ви­ях мо­гут об­ра­ти­мо ас­со­ции­ро­вать, об­ра­зуя пер­во­на­чаль­ную мо­ле­ку­лу. По­доб­ная об­ра­ти­мая дис­со­циа­ция мо­жет про­ис­хо­дить тре­мя спо­со­ба­ми:

1) бел­ко­вая мо­ле­ку­ла  а по­ли­пеп­тид­ных це­по­чек;

2) бел­ко­вая мо­ле­ку­ла  а субъ­е­ди­ниц  x  а по­ли­пеп­тид­ных це­по­чек;

3) бел­ко­вая мо­ле­ку­ла  а субъ­е­ди­ниц + b по­ли­пеп­тид­ных це­по­чек и да­лее а субъ­е­ди­ниц  x  а по­ли­пеп­тид­ных це­по­чек.

По­ми­мо ге­мо­гло­би­на и не­ко­то­рых дру­гих бел­ков, чет­вер­тич­ную струк­ту­ру име­ют мно­гие фер­мен­ты, и это име­ет боль­шое зна­че­ние для ре­гу­ли­ро­ва­ния их дей­ст­вия в клет­ке.

XII. Де­на­ту­ра­ция и ре­на­ту­ра­ция бел­ков

Прак­ти­че­ски все бел­ки при нор­маль­ных фи­зио­ло­ги­че­ских ус­ло­ви­ях име­ют так на­зы­вае­мую на­тив­ную кон­фор­ма­цию, обес­пе­чи­вае­мую ко­ва­лент­ны­ми и до­пол­ни­тель­ны­ми свя­зя­ми, при­даю­щи­ми струк­ту­ре бел­ко­вой мо­ле­ку­лы оп­ре­де­лен­ную же­ст­кость, ком­пакт­ность и упо­ря­до­чен­ность. В этой на­тив­ной кон­фор­ма­ции бе­лок, осо­бен­но, ес­ли это фер­мент, наи­бо­лее при­спо­соб­лен к вы­пол­няе­мой им функ­ции. Из­ме­не­ние на­тив­ной кон­фор­ма­ции бел­ко­вой мо­ле­ку­лы, не со­про­во­ж­даю­щее­ся раз­ры­вом ко­ва­лент­ных свя­зей, на­зы­ва­ет­ся де­на­ту­ра­ци­ей. В об­щем пред­став­ле­нии де­на­ту­ра­ция за­клю­ча­ет­ся в раз­вёр­ты­ва­нии оп­ре­де­лен­ным об­ра­зом уло­жен­ной в про­стран­ст­ве по­ли­пеп­тид­ной це­поч­ки и об­ра­зо­ва­нии бес­по­ря­доч­но­го клуб­ка.

Де­на­ту­ра­ция бел­ка в за­ви­си­мо­сти от её сте­пе­ни со­про­во­ж­да­ет­ся на­ру­ше­ни­ем вто­рич­ной, тре­тич­ной и чет­вер­тич­ной струк­ту­ры и из­ме­не­ни­ем оп­ти­че­ских (спек­траль­ных) свойств, из­ме­не­ни­ем ре­ак­тив­но­сти от­дель­ных хи­ми­че­ских груп­пи­ро­вок, оп­ре­де­ляю­щих свой­ст­ва бел­ка, на­при­мер, ка­та­ли­ти­че­скую ак­тив­ность фер­мен­та. Де­на­ту­ра­ция бел­ка мо­жет про­ис­хо­дить под дей­ст­ви­ем раз­лич­ных фак­то­ров – по­вы­шен­ной тем­пе­ра­ту­ры, ор­га­ни­че­ских рас­тво­ри­те­лей, ульт­ра­фио­ле­то­вой или ио­ни­зи­рую­щей ра­диа­ции, ки­слой или ще­лоч­ной ре­ак­ции сре­ды, ио­нов тя­жё­лых ме­тал­лов, де­на­ту­ри­рую­щих ве­ществ (мо­че­ви­ны или гуа­ни­дин­хло­ри­да), вы­зы­ваю­щих раз­рыв во­до­род­ных свя­зей.

По­сколь­ку де­на­ту­ра­ция бы­ва­ет об­ра­ти­мой и не­об­ра­ти­мой, в прин­ци­пе бел­ки спо­соб­ны к ре­на­ту­ра­ции – вос­ста­нов­ле­нию на­тив­ной кон­фор­ма­ции бел­ко­вой мо­ле­ку­лы, со­про­во­ж­даю­ще­му­ся ре­ге­не­ра­ци­ей его чет­вер­тич­ной, тре­тич­ной и вто­рич­ной струк­тур и об­ре­те­нию уте­рян­ных био­ло­ги­че­ских свойств. Ре­на­ту­ра­ция, как пра­ви­ло, про­те­ка­ет при пре­кра­ще­нии воз­дей­ст­вия де­на­ту­ри­рую­ще­го фак­то­ра или аген­та и воз­мож­на толь­ко в том слу­чае, ко­гда в ре­зуль­та­те де­на­ту­ра­ции не дос­ти­га­ет­ся кри­ти­че­ский уро­вень по­вре­ж­де­ния бел­ко­вой мо­ле­ку­лы.

Из­ме­не­ния, по­доб­ные де­на­ту­ра­ции и ре­на­ту­ра­ции, на­зы­ва­ют­ся кон­фор­ма­ци­он­ны­ми флук­туа­ция­ми бел­ко­вой мо­ле­ку­лы и иг­ра­ют важ­ную роль в ре­гу­ли­ро­ва­нии био­хи­ми­че­ских про­цес­сов в жи­вой клет­ке.