2.3.2. Просторова будова поліпептидів і білків

Для високомолекулярних поліпептидів і білків поряд з первинною структурою характерні більш високі рівні організації, які прийнято називати вторинною, третинною і четвертинною структурами (рис. 2.3).

Вторинна структура описується просторовою орієнтацією основного поліпептидного ланцюга, третинна - тривимірною архітектурою всієї білкової молекули. Як вторинна, так і третинна структури пов'язані з упорядкованим розташуванням макромолекулярного ланцюга в просторі.

Вторинна структура закріплюється, як правило, за допомогою водневих зв'язків між пептидними групами, досить близько розташованими в ланцюзі α-амінокислотних залишків. Її основні види - α-спіраль і β-структура. Третинна структура стабілізується не тільки водневими зв'язками, а й іншими видами взаємодій, наприклад іонними, гідрофобними, а також дисульфідними зв'язками.

Перші три рівня характерні для структурної організації всіх білкових молекул. Четвертий рівень зустрічається при утворенні єдиних білкових комплексів, що складаються з декількох поліпептидних ланцюгів.

Визначальне значення у формуванні більш високих рівнів організації білкових молекул має їх первинна структура. Природа α-амінокислотних залишків і порядок їх з'єднання обумовлюють характер стабілізації більш високоорганізованих структур. При цьому істотну роль грає найважливіша ланка первинної структури - пептидная група.

Рис. 2.3. Чотири рівні структурної організації білкової молекули:

Первинна, вторинна, третинна і четвертинна структури. Первинна структура білка.

Під первинною структурою білка розуміють послідовність розташування амінокислотних залишків в одному або декількох поліпептидних ланцюгах, що складають молекулу білка.

Знаючи первинну структуру, місце розташування кожного залишку амінокислоти, можна точно написати структурну формулу білкової молекули, якщо вона представлена одним поліпептидним ланцюгом.

Першим білком, первинну структуру якого вдалося розшифрувати завдяки роботам Ф. Сенджера і співр. (1951 - 1953), був інсулін бика (за це в 1958 р Ф. Сенджеру була присуджена Нобелівська премія).

Субодиниця інсуліну (М = 6000) складається з 51 амінокислотного залишку, зібраних у два поліпептидних ланцюги (А і Б), які з'єднані двома дисульфідними містками.

Рис. 2.4. Первинна структура проінсуліну.

Н а рис. 2.4 представлена послідовність амінокислотних залишків проінсуліну. Видно, що молекула інсуліну (виділена темними кружками), що складається з двох ланцюгів (А - 21 і В - 30 амінокислотних залишків), утворюється з свого попередника - проінсуліна (84 амінокислотних залишки), представленого одним поліпептидним ланцюгом, після відщеплення від нього пептиду, що складається з 33 амінокислотних залишків. Будова молекули інсуліну (51 амінокислотний залишок) схематично можна представити таким чином:

Між ланцюгами А і В і всередині А-ланцюга інсуліну утворюються дисульфідні (-S-S-) зв'язки. З'ясована первинна структура більш ніж 18 інсулінів, виділених з різних джерел.

Другим білком, первинна структура якого була розшифрована С. Муром і У. Стейном, є рибонуклеаза (рис. 2.5) з підшлункової залози, що каталізує розщеплення РНК. Фермент складається з 124 амінокислотних залишків з N-кінцевим лізином і С-кінцевим валіном, між залишками цистеїну утворюються дисульфідні (-S-S-) зв'язки на чотирьох ділянках.

Рис. 2.5. Первинна структура РНКази.

Кольором виділені чотири дисульфідні зв'язки

Повністю розшифрована послідовність амінокислот поліпептидного ланцюга ферменту лізоциму, що має важливе захисне і медичне значення, оскільки він викликає лізис ряду бактерій, розщеплюючи головну речовину їх клітинної оболонки. Лізоцим білка курячого яйця містить 129 амінокислот з N-кінцевим лізином і С-кінцевим лейцином.

Більш великим білком із з'ясованою первинною структурою виявився імуноглобулін, у чотирьох поліпептидних ланцюгах якого налічується 1300 амінокислотних залишків. За цю роботу Дж. Едельман і Р. Портер були удостоєні Нобелівської премії (1972).

Аналіз даних про первинну структуру білків дозволяє зробити такі загальні висновки:

1. Первинна структура білків унікальна і детермінована генетично. Кожен індивідуальний гомогенний білок характеризується унікальною послідовністю амінокислот: частота заміни амінокислот призводить не тільки до структурних перебудов, але і до змін фізико-хімічних властивостей і біологічних функцій.

2. Стабільність первинної структури забезпечується в основному ковалентними пептидними зв'язками; можлива участь невеликого числа дисульфідних зв'язків.

3. У поліпептидному ланцюзі можуть бути виявлені різноманітні комбінації амінокислот; у поліпептидах відносно рідко зустрічаються послідовності, що повторюються.

4. У деяких ферментах, що мають близькі каталітичні властивості, зустрічаються ідентичні пептидні структури, що містять незмінні (інваріантні) ділянки і варіабельні послідовності амінокислот, особливо в областях їх активних центрів. Цей принцип структурного подібності найбільш типовий для ряду протеолітичних ферментів: трипсину, хімотрипсину та ін.

5. У первинній структурі поліпептидного ланцюга детерміновані вторинна, третинна і четвертинна структури білкової молекули, що визначають її загальну просторову конформацію.