Упорядоченные конформации полипептидов

 

A -Спираль

 

Основными характеристиками a-спирали являются следующие:

1. a-Спираль стабилизируется водородными связями между атомом водорода, у атома азота пептидной группы, и карбонильным кислородом аминокислотного остатка, отстоящего от данной пептидной группы на четыре позиции вдоль цепи.

2. В образовании водородной связи участвуют все пептидные группы. Это обеспечивает максимальную стабильность a-спирали.

3. В образование водородных связей вовлечены все атомы азота и кислорода пептидных групп, что в значительной мере снижает гидрофильность a-спирализованных областей и увеличивает их гидрофобность.

4. a-Спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией полипептидной цепи, отвечающей минимуму свободной энергии.

5. Правосторонняя a-спираль, обычно обнаруживаемая в белках, намного стабильнее левосторонней.

Стабильность a-спирали в значительной степени зависит от аминокислотного состава соответствующего участка полипептидной цепи (табл. 3).

Таблица 3

Влияние различных аминокислот на формирование a-спирали

Способствуют	Дестабилизируют	Препятствуют
Ala	Arg	Pro
Asn	Asp	Hyp
Cys	Glu
Gln	Gly
His	Lys
Leu	Ile
Met	Ser
Phe	Thr
Trp
Tyr
Val

 

Некоторые аминокислоты препятствуют образованию a-спирали, и в месте их расположения непрерывность a-спирали нарушается. К ним относятся пролин (атом азота пролина является частью жесткой кольцевой структуры, и вращение вокруг связи N - C_a становится невозможным), а также аминокислоты с заряженными или объемными R-группами, которые электростатически или механически препятствуют формированию a-спирали.

 

Складчатый b -слой

Альтернативная упорядоченная вторичная структура белка – складчатый b-слой – была предложена Полингом и Кори. В то время как в a-спирали полипептидная цепь находится в конденсированном состоянии, в складчатом b-слое цепи почти полностью вытянуты. В тех случаях, когда соседние полипептидные цепи складчатого b-слоя идут в противоположных направлениях (за положительное принимается направление от N- к С-концу), структуру называют антипараллельной. Когда соседние цепи идут в одном направлении, структуру b-слоя называют параллельной.

Области складчатой b-структуры присутствуют во многих белках, причем встречается как параллельная, так и антипараллельная формы. В формировании таких структур могут участвовать от двух до пяти соседних полипептидных цепей. Во многих белках одновременно присутствуют и a-спирали, и складчатая b-структура.

Неупорядоченная конформация (клубок)

Те участки белковой молекулы, которые не относятся ни к спирализованным, ни к складчатым структурам, обычно называют неупорядоченными. В такой конформации может находится значительная часть белковой молекулы. Нужно отметить, что с точки зрения биологической значимости неупорядоченные участки белка столь же важны, как a-спираль и b-структура.

 

Третичная структура

Общее расположение, взаимную укладку различных областей, доменов и отдельных аминокислотных остатков полипептидной цепи называют третичной структурой белка. Четкую границу между вторичной и третичной структурами провести сложно, однако, под третичной структурой понимают стерические взаимосвязи между аминокислотными остатками, далеко отстоящими друг от друга. Важнейшую роль в образовании третичной структуры играют гидрофобные взаимодействия между неполярными радикалами аминокислот, обращенными вглубь молекулы и взаимодействия обращенных наружу полярных групп с молекулами воды, которые окружают полипептид. Таким образом, степень «упакованности» молекулы белка, его конформация зависят от соотношения гидрофобных и гидрофильных аминокислот, а также от степени полярности растворителя.

Четвертичная структура

 

Белки, состоящие из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными связями обладают четвертичной (олигомерной) структурой. Олигомеры стабилизируются водородными связями и электростатическими взаимодействиями между остатками, находящимися на поверхности полипептидных цепей. Индивидуальные полипептидные цепи, составляющие олигомеры получили название протомеров, мономеров или субъединиц.

Многие олигомерные белки состоят из двух или четырех протомеров и называются, соответственно, димерами или тетрамерами. Однако довольно часто встречаются олигомеры, содержащие более четырех протомеров. Это особенно характерно для регуляторных белков. Олигомерные белки играют особую роль во внутриклеточной регуляции: их протомеры способны изменять взаимную ориентацию, что приводит к изменению свойств всего олигомера. Наиболее изученным примером олигомерного белка является гемоглобин.

Роль первичной структуры в формировании более высоких уровней структурной организации белков трудно переоценить. Действительно, вторичная и третичная структуры белков, формирующиеся самопроизвольно, определяются последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Эти процессы детерминируются химическими группами, соединенными с a-углеродными атомами аминокислотных остатков. Таким образом, можно сказать, что не существует независимого генетического контроля за формированием уровней структурной организации белков выше первичного, поскольку первичная структура специфически определяет и вторичную, и третичную, и четвертичную структуры. Нативной конформацией белка, по-видимому, следует считать термодинамически наиболее устойчивую структуру в конкретных условиях.