Вторинна структура білка.

Строго лінійний поліпептидний ланцюг притаманний вкрай обмеженому числу білків. Навіть у фібрилярних білках, не кажучи вже про глобулярні, дуже рідко вдається виявити повністю розтягнуті поліпептидні ланцюги.

Перші рентгенограми розтягнутих і нормальних волокнистих білків (зокрема кератину волоса), отримані ще в 1941 році У. Астбюрі і Ф. Беллом дозволили встановити наявність в білках поряд з лінійним поліпептидним ланцюгом ділянок, певним чином скручених.

Л. Полінг і Р. Корі (1949-1951) висунули критерії умов побудови моделі, що відображає можливий конформаційний стан поліпептидного ланцюга в білковій молекулі.

Під вторинною структурою білка розуміють просторову конфігурацію поліпептидного ланцюга, тобто спосіб укладання (згортання, скручування) поліпептидного ланцюга у просторі в спіральну або будь-яку іншу конформацію, стабілізовану водневими зв'язками між пептидними СО- і NH-групами.

Цей процес протікає не хаотично, а відповідно до програми, закладеної в первинній структурі.

Детально вивчені дві основні конфігурації поліпептидних ланцюгів, що відповідають структурним вимогам і експериментальними даними: α-спіралі і β-структури.

α-Спіральна структура.

Одна з головних канонічних форм поліпептидного ланцюга була вперше виявлена Л. Полінгом і Р. Корі в 1951 р. і названа α-спіраллю (рис. 2.6). У загальному випадку спіральна структура виникає, коли у всіх ланках поліпептидного ланцюга кути обертання навколо простих зв'язків мають однакові величину і знак, що і призводить до поступового закручування ланцюга.

Рис. 2.6. Модель α-спіральної конформації поліпептидного ланцюга.

Просторове розташування α-спіралізованого поліпептидного ланцюга можна уявити, ніби він обвиває деякий циліндр (рис. 2.7).

Бічні радикали амінокислотних залишків знаходяться на периферії утвореного спіраллю циліндра, і спрямовані трохи назад (вгору на моделі), тобто відхилені в бік початку поліпептидного ланцюга.

Ці радикали можуть, залежно від характеру амінокислотних залишків, забезпечувати гідрофобну або гідрофільну природу цієї циліндричної поверхні.

У структурі α-спіралей присутній ряд закономірностей (рис. 2.8.):

• На кожен виток (крок) α-спіралі приходиться 3,6 амінокислотних залишки;

• Крок α-спіралі (Р) (відстань між витками вздовж осі) дорівнює 0,54 нм на виток;

• Висота α-спіралі (d), зміщення на один амінокислотний залишок складає 0,15 нм;

• Площини двох сусідніх пептидних груп розташовуються під кутом 108°;

• Радіус (r) α-спіралі становить 0,23 нм;

• Кут підйому витка α-спіралі 26°;

• Через 5 витків спіралі (18 амінокислотних залишків) структурна конфігурація поліпептидного ланцюга повторюється. Це означає, що період повторюваності (або ідентичності) α-спіральної структури, тобто довжина відрізку спіралі, що повністю повторюється по її ходу, становить 2,7 нм (18 амінокислотних залишків).

Як і будь-яка інша спіраль, α-спіраль може бути правою чи лівою. Враховуючи різні види обмежень обертання навколо σ-зв'язків, Л. Полінг і Р. Корі розрахунковим шляхом показали, що для поліпептидного ланцюга однією з найбільш вигідних конформацій є розташування в просторі у вигляді правозакрученої α-спіралі.

У природних білках існують лише правозакручені α-спіральні конформації поліпептидних ланцюгів, що пов'язане з наявністю в білкових молекулах амінокислот тільки L-ряду (за винятком особливих випадків).

Найважливішу роль у формуванні та підтримці α-спіральної конфігурації поліпептидного ланцюга відіграють внутрішньомолекулярні водневі зв'язки (рис. 2.7). І хоча енергія цих зв'язків невелика, їх велика кількість приводить до значного енергетичного ефекту, в результаті чого α-спіральна конфігурація досить стійка і жорстка.

Водневі зв'язки в α-спіралі утворюються між карбонільним атомом кисню кожного першого і атомом водню NH-групи кожного п'ятого α-амінокислотних залишків, розташованих на сусідніх витках спіралі.

Водневі зв'язки спрямовані майже паралельно осі α-спіралі і утримують ланцюг в закрученому стані.

Таким чином, стабільність вторинної структури забезпечується в основному водневими зв'язками (певний внесок вносять також пептидні і дисульфідні зв'язки).

Поряд з α-спіраллю можливе існування та інших спіралей, що мають інші параметри, - містять меншу (наприклад, так звана 3₁₀-спіраль) або більша (-спіраль) число залишків на виток (рис. 2.9).

У α-спіралі кожна NH-група поліпептидного остова з'єднується водневим зв'язком з групою СО четвертого від неї амінокислотного залишку (5 → 1 зв'язок), утворюючи 13-членний цикл. Оскільки в один виток α-спіралі входить 3,6 амінокислотного залишку, то її можна позначити як 3,6₁₃-спіраль. Аналогічним чином, з урахуванням розмірів Н-пов'язаних циклів, позначаються й інші теоретично можливі типи спіралей (рис. 2.10).

Спіраль 2,2₇ (2,2 залишку на виток, семічленний Н-зв'язаний цикл) виявляється досить напруженою і в природних поліпептидах і білках не реалізується. Спіраль 3₁₀, хоча і є напруженою, проте існує в природі, зокрема знайдена в міоглобіні і лізоцимі. Спіралі 4,4₁₆, або -спіралі, в білках практично не зустрічаються. Параметри спіральних структур наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1. Параметри спіральних структур

Параметри спіралі	Спіраль 310	α-спіраль	-Спіраль	Поліпролін I	Поліпролін II
Число амінокислотних залишків на виток	3,0	3,6	4,4	3,3	3 (лівообертаюча спіраль)
Висота спіралі на один амінокислотний залишок, (нм)	0,2	0,15	0,11	0,19	0,31
Висота спіралі на один виток (крок спіралі), (нм)	0,6	0,54	0,5	0,57	0,93

Зазвичай білкові ланцюги спіралізують не повністю, а лише частково (табл. 2.2). Для кожного білка характерна певна ступінь спіралізації його поліпептидного ланцюга. Ступінь спіралізаціі встановлюють шляхом вимірювання питомого обертання площини поляризованого світла. Зміна останнього знаходиться в прямій залежності від ступеня спіралізаціі білкової молекули.

Наприклад, α-кератин є повністю α-спіралізованим білком. У міоглобіні і гемоглобіні вміст α-спіралі становить 75%, а в альбуміні сироватки - 50%. У багатьох же інших білках частка спіральних ділянок в ланцюзі може бути невеликою, в лізоциму - 42%, в пепсин - всього 28%. З іншого боку, є білки, в яких α-спіральні ділянки відсутні (наприклад, нейротоксини змій), або їх вміст невеликий. Так, у ферментах рибонуклеазу А і хімотрипсин частка α-спіралей становить 17 і 8% відповідно.

Таким чином, в білкових молекулах спіралізовані ділянки поліпептидного ланцюга закономірно чергуються з лінійними.

Отже, спіральна конформація, це просторове скручування поліпептидного ланцюга у правозакручену спіраль за рахунок внутрішньоланцюгових водневих зв’язків, що виникають між СО- і NH-групами, розташованими на сусідніх витках спіралі.

Таблиця 2.2. Ступінь спіралізаціі поліпептидного ланцюга

Білок	Доля спіральної конфігурації, %
Параміозин	100
Міоглобін	75
Гемоглобін	75
Альбумін сироватковий свині	50
Альбумін курячого яйця	45
Лізоцим курячого яйця	35
Вірус табачної мозаїки (субодиниця)	30
Пепсин	28
Рибонуклеаза	17
Хімотрипсиноген	11

β-Складчаста структура.

Першою описаною просторовою конфігурацією поліпептидного ланцюга була β-структура, запропонована У. Астбері в 1941 р на підставі рентгеноструктурних досліджень β-кератину. Через 10 років Л. Полінг і Р. Корі встановили, що β-структура, або «складчастий лист» (рис. 2.11), - це стабілізована межцепочечних водневими зв'язками асоціація витягнутих, зигзагоподібних пептидних ланцюгів.

Лінійна конформація пептидних ланцюгів утримується завдяки виникненню водневих зв'язків між паралельно розміщеними і зближеними на відстань 0,272 нм (відповідно довжині водневого зв'язку між СО- і NH-групами) ділянками поліпептидних ланцюгів (рис. 31).

У більшості випадків складчастий лист включає не більше шести поліпептидних ланцюгів.

Рис. 2.11. Конформація β-складчастого листа.

Прикладом білків природного походження з β-структурою є фіброїн шовку. По суті, гранична витягнутість β-структури і визначає велику міцність шовкової нитки, її малу розтяжність. З іншого боку, оскільки окремі «шари» її пов'язані один з одним лише за рахунок ван-дер-Ваальсових взаємодій, шовк надзвичайно еластичний.

Бічні радикали R розташовуються в регулярному порядку вище і нижче деякої площини, проведеної через складчастий лист (рис. 2.11).

Залежно від взаємної орієнтації ланцюгів розрізняють паралельні і антипаралельні β-структури (рис. 2.12).

Якщо ланцюги паралельні, тобто мають однаковий напрямок від N- до С-кінця, то утворюється паралельний складчастий лист (рис. 2.12, а).

Якщо ланцюги антипаралельні, то виникає структура антипаралельного складчастого листа (рис. 2.12, б).

Рис. 2.12. Паралельна (а) та антипаралельна (б) β-складчаста структура.

Структура антипаралельного складчастого листа може також виникати у однієї поліпептидного ланцюга, коли ця ланцюг вигинається «сам на себе» і в просторі зближуються дві її ділянки.

Таким чином β-структура - це два або більше лінійних поліпептидних ланцюги, розташованих паралельно або, частіше, антипаралельно, міцно зв'язаних міжланцюговими водневими зв'язками між NH- і СО-групами сусідніх ланцюгів, що утворюють структуру типу складчастого листа.

Здатність до утворення водневих зв'язків, які є рушійною силою при виникненні α- і β-структур в білковій молекулі, притаманна різним амінокислотам неоднаковою мірою.

Серед них виділяють групу спіралеутворюючих амінокислот, куди входять ала, глі, глн, лей, ліз, мет і гіс. Якщо залишки перерахованих амінокислот сконцентровані в якійсь частині поліпептидного ланцюга або превалюють в її складі, то α-спіралізація здійснюється дуже легко.

Навпаки, такі амінокислоти, як вал, іле, тре, тир і фен, сприяють утворенню β-шарів поліпептидного ланцюга.

Глі, сер, асп, асн і про мають відношення до переважного виникненню невпорядкованих фрагментів у його складі.