2. Первичная и вторичная структура белка

Первичная структура белка — последовательность распо­ложения аминокислотных остатков в полипептиде. Для определения первичной структуры белка с помощью гидро­лиза выясняют количественное соотношение аминокислот в молеку­ле белка. Затем определяют химическую природу концевых амино­кислот полипептидной цепи, которая содержит по одной свободной NH₂- и COOH-группе. Для определения N-концевой аминокислоты используются метод Сэнджера и фенилгидантоиновый метод, для определения С-концевой аминокислоты — метод Акабори.

Первичная структура белка характеризуется рядом осо­бенностей.

1. Первичная структура белка генетически детерминирована и уникальна, замена аминокислот внутри полипептидной цепи приводит к изменению структуры и функции белка.

2. Первичная структура белка стабильна, что обеспечивается дипептидными и в меньшей степени дисульфидными связями.

3. Число комбинаций аминокислот в полипептиде очень ве­лико, повторяющиеся последовательности аминокислот редки. Идентичные последовательности аминокислот могут встречать­ся в области активных центров ферментов.

4. Первичная структура белка детерминирует вторичную, третичную и четвертичную структуру белковой молекулы.

Вторичная структура белка — конфигурация полипептид­ной цепи, более компактная ее упаковка в спиральную или ка­кую-либо другую конформацию. Процесс конфигурации идет в соответствии с программой, заложенной в первичной струк­туре белка. Существует две основных конфигурации полипеп­тидной цепи: α-спираль и β-сладчатый слой.

Действующим началом образования α- и β-структуры явля­ется способность аминокислот образовывать водородные связи. Стабильность вторичной структуры обеспечивается в основном водородными и в меньшей степени пептидными и дисульфидными связями.

Водородная связь — слабое электростатическое взаимодействие между электроотрицательным атомом (O или N) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электро­отрицательным атомом. Основные типы водородных связей:

между ОН-группой серина и пептидной связью

Структуре α-спирали присущ ряд закономерностей. На каждый шаг спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, шаг спирали равен 0,54 нм на виток и 0,15 нм на один аминокислотный остаток. Угол подъема спирали 26°, через каждые пять витков повторяется структурная конформация полипептида. При образовании β-структуры две или более линейные полипептидные цепи, расположенные параллельно либо антипараллельно, связываются между собой во­дородными связями между пептидными связями. В природе встре-чаются белки, вторичная структура которых не является ни α-, ни β-структурой (например, коллаген). В настоящее время дока­зано существование двух промежуточных уровней организации белковой молекулы между вторичной и третичной структурой — надвторичные структуры и структурные домены.

3. Третичная и четвертичная структура белка

Третичная структура белка — это пространственная ориен­тация полипептидной спирали, следующий за вторичной струк­турой способ компактизации белковой молекулы. Процесс укладки полипептидной цепи — фолдинг.

Пространственная структура белков зависит от ионной силы и pH раствора, температуры и иных факторов. В стабилизации простран­ственной структуры белков наряду с ковалентными связями (пептид­ными и дисульфидными) принимают участие так называемые нековалентные связи, к которым относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, вандерваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов амино­кислот, гидрофильно-гидрофобные взаимодействия и др. При этом нековалентные связи играют основную роль. Третичная структура белка формируется самопроизвольно и полностью детерминирует­ся первичной структурой белка. Основным движущим моментом в возникновении трехмерной структуры является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды, состоящее в том, что гидрофобные радикалы аминокислот ориентируются внутрь мо­лекулы белка, в то время как гидрофильные радикалы ориентируются наружу. В результате образуется термодинамически наиболее вы­годная конформация молекулы белка, характеризующаяся наимень­шей свободной энергией. Конформации белков стабильны, основ­ные формы конформаций — T-форма (tensed — «напряженная») и R-форма (relaxed — «расслабленная»). Трехмерная структура бел­ка содержит функциональную информацию, определяющую все биологические свойства белков. Нарушение третичной структуры белка влечет за собой потерю его биологических свойств.

Четвертичная структура белка — пространственная ориента­ция нескольких полипептидных цепей, обладающих собственной первичной, вторичной или третичной структурой, с образованием макромолекулярного образования.

Отдельные полипептидные цепи — протомеры (мономеры, су­бъединицы) — не обладают биологической активностью и приобре­тают ее при определенном способе пространственного объединения. Образовавшаяся молекула является олигомером (мультимером).

Четвертичная структура стабилизируется за счет нековалентных связей между контактными площадками протомеров, компле­ментарных друг другу. Четвертичная структура обнаружена у нес­кольких сотен белков. Молекула гемоглобина представляет собой тетрамер — состоит из двух α- и двух β-цепей. Фермент фосфорилаза a состоит из двух идентичных субъединиц по две пептидные це­пи. Фермент лактатдегидрогеназа содержит два типа полипепти­дных цепей — M (muscle — «мышца») и B (brain — «мозг») и может существовать в пяти формах, называемых изоферментами, или множественными формами ферментов.