Роль вторинної структури в утворенні глобули

Розглядаючи структури глобулярних білків (на сьогодні їх установлено понад 40 тис.), можна сформулювати кілька загальних правил.

1. Каркас глобули завжди складається з ділянок вторинної структури (α-спіралей та/або β-структурних шарів), гідрофобні поверхні яких, взаємодіючи між собою, утворюють гідрофобне ядро. Чому саме з ділянок регулярної вторинної структури? Це стає зрозумілим, якщо брати до уваги полярність / неполярність елементів поліпептидного ланцюга. Неполярні амінокислотні залишки прагнуть всередині глобули внаслідок гідрофобного ефекту їхній контакт з водою є дуже невигідним енергетично. Але разом з ними в неполярному оточенні мають опинитися полярні пептидні групи остова. Втрата їхніх водневих зв’язків із молекулами води є енергетично дуже невигідною (енергія водневого зв’язку є дуже високою). Єдиний вихід для пептидних груп утворити водневі зв’язки між собою, а це можливо тільки в складі ділянок регулярної вторинної структури. Отже, насичення пептидних груп водневими зв'язками у складі вторинної структури є необхідною передумовою утворення всередині глобули гідрофобного ядра. Петлі й перемички між ділянками вторинної структури знаходяться в нерегулярній конформації й залишаються на поверхні глобули, їхні пептидні групи при цьому зберігають контакт з водою.

2. Сегменти вторинної структури протягнуті від одного краю глобули до іншого. Перемички між ділянками вторинної структури залишаються на поверхні й ніколи не занурюються всередину глобули.

Обидва правила мають ясний фізичний сенс і могли б бути сформульованими, виходячи із загальних фізичних міркувань.

Стабілізація глобули

Як зрозуміло з викладеного вище, головною рушійною силою утворення глобулярної структури є гідрофобні взаємодії. Але, щоб здійснювати певні функції, білок повинен мати дуже стабільну просторову структуру, яку гідрофобні взаємодії не можуть забезпечити: для їхньої реалізації достатньо просто витіснити воду з інтерфейсу між гідрофобними поверхнями. При цьому поверхні, тобто сегменти вторинної структури, яким вони належать, будуть зберігати певну свободу руху. Саме така ситуація і спостерігається для проміжного стану, який реалізується при укладці білка − так званої розплавленої глобули (рис. 8). Першим етапом укладання є одночасне й досить швидке утворення вторинної структури та злипання сегментів вторинної структури за рахунок гідрофобних взаємодій. Загальна архітектура розплавленої глобули − така сама, як у нативного функціонального білка, але спостерігаються значні рухи ділянок вторинної структури одна відносно одної − розплавлена глобула нагадує краплю рідини, де елементами, що рухаються, є ділянки вторинної структури. На другому етапі реалізується щільна упаковка глобули за рахунок вандерваальсових взаємодій − точна взаємна підгонка амінокислотних залишків з утворенням численних контактів між ними, без порожнин усередині глобули. Результатом є нативна глобула, яка є вже не краплею рідини, а твердим тілом.

Рис. 8. Схема укладання глобулярного білка.

Твердість − найбільш характерна та важлива ознака білка, вона забезпечує наявність стабільної специфічної робочої поверхні, яка й виконує певну функцію. Решта молекули − лише каркас, який утримує цю робочу поверхню. Твердість забезпечує також надійність роботи білка, дозволяє уникнути розмивання специфічності. Адже молекула білка поводить себе як тверде тіло при зміні умов: витримує зовнішні зміни до певних меж, не змінюючись сама, а за цими межами руйнується як одне ціле − за принципом − усе або нічого.

Головні взаємодії, що стабілізують білкову глобулу:

• Гідрофобні взаємодії між неполярними амінокислотними залишками, розташованими в межах сегментів вторинної структури.

• Водневі зв’язки між пептидними групами в межах тих самих сегментів, які підтримують їхню структуру і, головне, забезпечують можливість занурення пептидних груп у гідрофобне ядро.

• Вандерваальсові контакти всередині глобули, які забезпечують остаточне огранювання структури та надають їй жорсткості.

Додаткову роль у стабілізації можуть відігравати: водневі зв’язки всередині глобули за участю певних амінокислотних залишків; електростатичні взаємодії на поверхні глобули; ковалентні дисульфідні зв’язки між залишками Cys (наближеними один до одного внаслідок реалізації головних факторів укладання); взаємодії з певними невеликими молекулами небілкової природи − лігандами, простетичними групами, іонами металів тощо.