8. Уровни организации белковой молекулы (первичная, вторичная, третичная, четвертичная).

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Последовательность соединения аминокислот в полипептидных цепях белковой молекулы принято называть первичной структурой белка. Она определяется последовательностью нуклеотидов конкретного участка ДНК, кодирующего данный полипептид и называемого геном.

Замена даже одной аминокислоты в структуре белка может существенно изменить его функцию. Поэтому полипептиды можно рассматривать как "отпечатки" кодирующих их генов и использовать для распознавания генотипов, а также установления между ними генетического родства. Так, например, в короткой полипептидной цепи инсулина человека в положениях 8, 9 и 10 находится последовательность аминокислот 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 одной аминокислоты на другую вызывает нарушение физиологической функции этого белка, которое приводит к серьезным клиническим последствиям для организма человека.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Полипептидная цепь, включающая последовательность аминокислотных остатков, характерную для данного белка, формирует вполне определённую пространственную структуру, которую обычно называют конформацией белковой молекулы.

Пространственное 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 последовательности в полипептидной цепи. Как уже было отмечено, атомные группировки 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 поворота по каждой из этих связей для каждого аминокислотного остатка вполне определенный, зависящий от строения аминокислотного радикала. Если на конкретном участке молекулы полипептида группируются аминокислотные 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═

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Порядок размещения в пространстве всех атомных группировок полипептидной цепи принято называть третичной структурой белковой молекулы. Впервые понятие о третичной структуре белков было сформулировано в 1958 г. Д. Кендрью на основе рентгеноструктурного анализа пространственной конфигурации белка миоглобина, в результате чего удалось выяснить трёхмерную структуру этого белка.

В процессе дальнейших исследований было установлено, что в построении третичной структуры белка важную роль играют не ковалентные взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков, находящимися на поверхности вторичных структур, а также дисульфидные связи, возникающие в результате взаимодействия сульфгидрильных групп

(-SH) остатков аминокислоты цистеина. При формировании третичной структуры реализуются три типа не ковалентных взаимодействий: образование водородных связей, электростатические и гидрофобные взаимодействия.

Водородные связи соединяют между собой функциональные группы

боковых цепей аминокислотных остатков:

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

׀ ׀ ׀ ׀ ׀

ОHН НNН₂Н

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 белкового раствора.

Между заряженными группировками аминокислотных остатков возникают силы электростатического взаимодействия:

R-COO‾....H₃N⁺-R

Формированию компактной пространственной структуры в значительной степени способствуют гидрофобные взаимодействия между неполярными 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, находятся на поверхности белковой глобулы, они образуют водородные связи с молекулами воды и стабилизируют пространственную структуру белка.

К аминокислотам, имеющим гидрофобные радикалы, относятся глицин, лейцин, изолейцин, валин, аланин, фенилаланин, цистеин, метионин. Гидрофильные радикалы имеют аминокислотные остатки треонина, серина, триптофана, тирозина, аспарагина и аспарагиновой кислоты, глутамина и глутаминовой кислоты, лизина, гистидина.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКОВ. Многие белки представляют собой сложные молекулы, образующиеся при не ковалентном взаимодействии двух или нескольких полипептидов, каждый из которых имеет свою третичную структуру. Такие белки принято называть олигомерами, а образующие их полипептиды - полипептидными субъединицами белка. Способ совместной упаковки и размещения в пространстве полипептидных субъединиц олигомерных белков называют четвертичной структурой белка.

Впервые четвертичную структуру белка установили методом рентгеноструктурного анализа при изучении пространственной конфигурации молекул гемоглобина (Перутц М., 1959). В этих исследованиях было определено, 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 гемоглобина размещаются в пространстве симметрично, занимая вершины тетраэдрической структуры.

В молекуле гемоглобина наблюдается более сильное взаимодействие между разными субъединицами и относительно слабее выражена связь между одноименными субъединицами, вследствие чего формируются довольно устойчивые димеры разных субъединиц (ab), из которых уже формируется структура тетрамерной молекулы за счет более слабых взаимодействий. Такой порядок взаимодействия субъединиц гемоглобина приводит к образованию совершенно однотипных молекул a₂b, тогда как другие сочетания субъединиц неустойчивы.

Если характер взаимодействия между всеми субъединицами олигомерного белка одинаковый, то возможно возникновение молекул с разным набором полипептидов. Так, например, у тетрамера, молекулы которого образуются из двух типов субъединиц А и Б, формируются олигомеры следующего состава: А₄, А₃Б, А₂Б₂, АБ₃, АБ₄. Все они представляют собой структурно близкие белки, выполняющие одну и ту же функцию 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 группировки:

-CОOH, -OH, =NH, -NH₂.

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 формирование четвертичной структуры белков. Причем у некоторых белков гидрофобные взаимодействия являются главными факторами формирования их четвертичной структуры. Так, например, у ряда регуляторных белков имеются характерные последовательности аминоислотных 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, соединяющей данные субъединицы в одну молекулу. Такой тип гидрофобного взаимодействия между полипептидами белка получил название "лейциновых петель".

Важными факторами формирования четвертичной структуры белков являются электростатические взаимодействия между заряженными группировками соседних субъединиц, представленными 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 молекулы белка.

Наиболее часто четвертичная структура белков представлена димерами, тримерами, тетрамерами и гексамерами, хотя и известны 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 белку большую лабильность, способность выполнять конкретную биологическую функцию, возможность совмещения в одной пространственной структуре несколько функционально активных центров.