1.4. Четвертичная структура белка – высший уровень организации

Когда глобулы состоят из двух и более полипептидных цепей, ассоциированных между собой нековалентными (непептидными и недисульфидными) связями, то это свидетельствует, что они обладают четвертичной структурой. Подобные белки называются олигомерами, а их индивидуальные цепи – протомерами (мономерами, субъединицами). Если их молекулы содержат 2 протомера, это димеры, если 4 - тетрамеры и т.д. Их число всегда чётное (от 2 до 24).

Например, гемоглобин А (HbА) – белок эритроцитов, связывающий кислород, состоит из четырёх субъединиц  (2 α- и 2 β) (Рис.5). Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – фермент, принимающий активное участие в окислении и синтезе глюкозы, также включает 4 протомера – Н (heart) и М (muscle) в разных сочетаниях: Н₄, Н₃М₁, Н₂М₂, Н₁М₃, М₄. Креатинкиназа – энзим, используемый в регенерации АТФ при мышечном сокращении, имеет только две субъединицы – В (brain) и М (muscle) в разных сочетаниях: ВВ, ВМ или ММ. Взаимодействие протомеров друг с другом осуществляется по принципу комплементарности, т.е. их поверхность подходит друг другу по геометрической форме и по функциональным группам аминокислот (возникновение ионных и водородных связей).

Стабилизируется с помощью добавочных связей.

Биороль: отвечает за проявление специфических функций белка, выполнение которых обеспечивает только мультимер; его диссоциация приводит к снижению или потере активности протеина.

Особенности строения обуславливают свойства белков.

2. Свойства протеинов

2.1. Физико - химические свойства биополимеров

1. Высокая молекулярная масса и большие размеры. Мr белков колеблется от 6000 – 1 млн. Дальтон и выше. Это зависит от количества а/к остатков и числа протомеров.

2. Различная форма молекул. Выделяют глобулярные (globula - шар), фибриллярные (fibrille - нить) и смешанные белки.

3. Их растворимость в воде зависит, в первую очередь, от следующих факторов:

а) Аминокислотного состава: чем больше гидрофильных (полярных) а/к, тем лучше это свойство.

б) Уровня организации белковой молекулы. Протеины, обладающие вторичной структурой (фибриллярные), содержат гидрофобные и гидрофильные а/к остатки, обращённые наружу, следовательно, данные полимеры плохо растворимы в воде (кератин волос, коллаген соединительной, эластин покровных тканей). Белки, компактно сложившиеся в пространстве (имеющие третичную и четвертичную структуры - глобулярные), хорошо растворимы, т.к. гидрофобные радикалы аминокислот находятся внутри глобулы, а полярные - направлены наружу, благодаря чему молекула приобретает заряд и способна притягивать диполи воды, образующие вокруг неё гидратную оболочку.

Врезультате одноимённо заряженные частицы (подавляющее количество природных протеинов - кислые) отталкиваются, а гидратная оболочка отделяет их друг от друга и не даёт им склеиваться. Отсюда наличиезаряда и гидратной оболочки – ключевые факторы стабильности белковых растворов (Рис.6).

в) Значений рН

В физиологических условиях в тканях человека рН = 7,35 – 7,40 (слабощелочная). Это оптимальная среда для работы протеинов. Если изменять этот показатель так, что заряд мицеллы будет приближаться к нулю (ИЭТ), то их молекулы будут сближаться, склеиваться и выпадать в осадок. В сильнокислой и сильнощелочной средах белки также осаждаются, так как происходит их денатурация (см. ниже).

4. Способность протеинов к осаждению применяют в клинике для диагностики патологий и разделения белков плазмы крови на фракции. Его осуществляют двумя способами денатурацией и высаливанием.

Высаливание (ренатурация) – это обратимое осаждение белков, под действием высаливающих реагентов, которые лишают мицеллу гидратной оболочки или/и уменьшают величину заряда. К ним относятся: соли щелочных металлов, аммония, разбавленные растворы кислот и щелочей.

Но так как внутрь мицеллы они не проникают и структуру протеина не нарушают, то при добавлении воды (восстановлении гидратной оболочки) можно вернуть нативность полимеру (возвратить растворимость).

Денатурация – необратимое осаждение белков, вызванное повреждением структуры и последующей за этим потерей физико-химических и биологических свойств молекул.

Среди денатурирующих реагентов можно выделить:

- физические: высокая t⁰ (свыше 43⁰) усиливает амплитуду колебаний и движения атомов, нарушает их взаимодействие, что приводит к разрыву связей; при низкой t⁰ кристаллизуются молекулы воды, разрывая острыми краями мицеллу протеина; излучение (УФО, ,β,-лучи) – источник добавочной энергии, которая разрушает связи в белке; изменение давления повреждает структуру, сдавливая протеин.

- химические: концентрированные кислоты и щёлочи резко изменяют рН и вызывают перераспределение электронной плотности, потерю заряда и разрыв, в первую очередь, ионных связей; соли тяжёлых металлов (Cu, Ag, Hg, Pb и т.д.) вступают в прочные контакты с важными функциональными группами белков, изменяют их конформацию и т.д.

Такие реагенты вначале повреждают гидратную оболочку протеина, изменяют заряд (производят высаливание), затем проникают вглубь мицеллы, разрушая добавочные связи. Это приводит к потере нативной конформации белка (вторичной, третичной и четвертичной структур), сопровождающейся утратой специфических функций молекулы. При денатурации не происходит разрыва пептидных связей, т.е. первичная структура сохраняется. Её распад осуществляется только с помощью гидролиза.

Это свойство белков используется в медицине для стерилизации инструментов и материалов (хранение под спиртом, автоклавирование), помещений (кварцевание), обеззараживания раневых поверхностей (с помощью антисептиков), остановки кровотечений электрокоагуляторами при операциях и т.д.