Третичная структура

Пространственное расположение элементов вторичной структуры образует ТРЕТИЧНУЮ СТРУКТУРУ белка. Наглядно представить себе третичную структуру белка очень сложно. Если представить атомы в виде шаров и не принимать во внимание водородные атомы, можно построить объемную модель. Однако детали хода полипептидной цепи и характер вторичных структур по такой модели установить невозможно. В другом типе моделей каждой химической связи соответствует отрезок прямой линии. Но даже в этом случае трудно разобраться в запутанной сетке связей (рис. 10Б). Поэтому, как правило, используют абстрактные рисунки, на которых изображены лишь ход цепи аминокислотных остатков, элементы вторичной структуры, наиболее важные боковые цепи и положения дисульфидных связей (рис. 7).

Исследования третичной структуры белков показали, что типичный белок среднего размера (300 аминокислотных остатков) содержит от 3 до 7 a-спиралей, а типичная a-спираль состоит из 10 аминокислотных остатков. Число b-слоев обычно меньше, но каждый содержит значительно больше аминокислот. Большинство обширных b-слоев состоит из 4 -6 цепей и содержит от 20 до 40 аминокислот. Антипараллельные слои встречаются чаще, чем параллельные, но бывают и смешанные b-слои, сочетающие параллельные и антипараллельные участки. a- и b-структуры не имеют тенденции располагаться в каких- либо определенных местах третичной структуры, например, внутри или на поверхности, в области N-конца или С-конца и т.д. Не существует также какой-либо тенденции элементов вторичной структуры образовывать кластеры в третичной структуре. Как мы говорили, стабилизация вторичной структуры в основном, происходит за счет образования водородных связей. Разумеется, что водородные связи и электростатические взаимодействия между боковыми радикалами аминокислот вносят определенный вклад в стабилизацию вторичной структуры, однако, главную роль здесь играют гидрофобные взаимодействия. Эти взаимодействия определяют локализацию гидрофобных участков, уменьшая площадь их контакта с водой и увеличивая вероятность вандерваальсовых взаимодействий. особую роль в стабилизации третичной структуры принадлежит дисульфидным мостикам (S – S –связям), которые возникают при пространственном сближении двух остаткаов цистеина в полипептидной цепи. Эти ковалентные связи весьма эффективно стабилизируют пространсвенную структуру белков, обеспечивая их высокую стабильность. В частности, белки содержащие дисульфидные мостики характеризуются высокой термостабильностью. Например, белки-ингибиторы ферментов из растений выдерживают нагревание до 80 С без существенной потери функциональной активности. Очень наглядно стабилизирующая роль S – S –связей демонстрируется на примере кератина- основного белка волос человека. Пучки кератиновых полипептидов в волосе прошиты множеством дисульфидных мостиков, придающих жесткость шерстяному волокну. При так называемой химической завивке, S – S –связи разрушают восстановителем, придают волосам иную конфигурацию, а затем вновь восстанавливают эти связи путем использования раствора подходящего восстановителя. Количество дисульфидных связей в этом случае существенно не изменится, однако, они уже фиксируют положение полипептидных цепей в другой конфигурации.

Белковые молекулы, состоящие из одной цепи полипептидной, можно рассматривать только как единое целое, каждая часть которой не может существовать отдельно, сама по себе, сохраняя присущую исходной молекуле структуру. Однако, это не всегда так. В трехмерной структуре больших белков (200 аминокислотных остатков) иногда обнаруживается не одна, а несколько в той или иной степени независимо структурированных компактных участков, соединенных неструктурированными полипептидными участками. Предполагается, что если эти участки выделить в отдельности в нативном виде, они сохранили бы упаковку в низменном виде. Действительно, в ряде случаев это удается сделать. На основании этих фактов было введено понятие белковых модулей или доменов. Этими терминами обозначают фрагменты полипептидной, сходные по своим свойствам с самостоятельными глобулярными белками. В данном случае белковую молекулу можно рассматривать как состоящую из отдельных доменов. Наличие доменов может отражать ход сворачивания третичной структуры из развернутой цепи. Сворачивание в третичную структуру идет по мере синтеза белковых цепей на рибосомах. Синтез белков идет с N-конца и поэтому молекула тоже начинает сворачиваться с N-конца. В результате трехмерная структура при таком поэтапном, сопряженном с синтезом, сворачивании может отличаться от структуры, которая формируется при сворачивании уже готовой белковой цепи. Это обстоятельство следует учитывать при теоретических расчетах пространственной структуры белковой цепи.

Доменная структура позволяет представить функциональную активность белка как совокупность отдельных элементарных процессов. Наиболее ярким подтверждением таких представлений может служить фермент синтаза жирных кислот у млекопитающих животных. Эта молекула, представленная одной полипептидной цепью способна катализировать семь различных биохимических реакций. В бактериальных клетках каждая из семи реакций катализируется отдельным ферментом, поэтому предполагается, что домены синтазы млекопитающих эволюционно возникли в результат объединения в один белок в процессе слияния генов. На рис. 8 представлена третичная структура фермента пируваткиназы, в которой отчетливо три независимо структурированных компактных участка.

Рис.8. Изображение третичной структуры фермента пируваткиназы

Интересно, что очень похожие по структуре домены встречаются иногда в белках, выполняющих совершенно непохожие функции. При этом возникает ряд интересных вопросов, на которые пока нет ответа. Чем вызвано это сходство? Имели ли все такие белки далеком прошлом общего предка? Или, может быть, сходство доменов вызвано простыми струтурными ограничениями, налагаемыми на белки? Возможно, что существует не так уж много способов свертывания полипептидной цепи, приводящих к энергетически выгодной структуре. Или, быть может, такие домены обладают какими-то уникальными физическими свойствами - например, структурой, гибкостью или жесткостью, что делает их особенно подходящими для выполнения какой-либо роли? Дальнейшие исследования должны будут ответить на эти вопросы.

Белок представляет собой довольно плотную молекулу. Если считать, что каждый атом представляет собой сферу, радиус которой равен вандерваальсову радиусу атома, то

плотность упаковки можно оценить как отношение суммы объемов атомов к полному

объему, занимаемому молекулой белка. Это отношение для белков оказывается равным

0.75, что соответствует наиболее плотной упаковке сфер. Тем не менее, структуру белка

нельзя считать жесткой. Исследования методом ЯМР и расчеты молекулярной динамики

приводят к представлению, что положения отдельных аминокислотных остатков не строго

фиксированы, так что структура как бы "дышит", при этом подвижность некоторых

аминокислотных остатков настолько велика, что их положение, найденное методами

рентгеноструктурного анализа, становится непоказательным. Эти результаты объясняют

также способность некоторых малых молекул проникать вглубь белка.

Некоторые белки состоят не из одной, а из нескольких полипептидных цепей. Каждая

такая цепь называется субъединицей белка, а сам составной белок - олигомерным. Такие

белки имеют еще один структурный уровень, уровень ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ.

Под четвертичной структурой понимают взаимное расположение субъединиц, т.е. способ их совместной укладки и упаковки с образованием нативной структуры олигомерного белка. Отдельные субъединицы соединяются между собой либо водородными связями, либо "слипаются" своими гидрофобными поверхностями. Обычно олигомерные белки состоят из 3 - 6 субъединиц, но встречаются также содержащие 10 - 12 субъединиц, и как крайний пример известен пируватдегидрогеназный комплекс, состоящий из 72 субъединиц.

Процесс укладки полипептидной цепи во вторичную и третичную структуру, и для определенных белков, в четвертичную, обозначают термином фолдинг. Расшифровка механизмов фолдинга – это одна из величайших задач современной биологии. До не давнего времени было принято считать, что после образования полипептидной цепи на рибосоме белок автоматически сворачивается в трехмерную структуру за счет взаимодействия аминокислотных остатков. Однако в полипептидной цепи есть практически безграничные возможности ассоциации аминокислот друг с другом, огромное число вариантов комбинаций аминокислот. Если бы в процессе укладки случайным образом перебирались все возможные конформации цепи, то этот процесс занимал бы миллионы лет. В клетке, в ходе биосинтеза белка процесс укладки полипептидных цепей в глобулы занимает несколько минут. Таким образом, аминокислотная последовательность лишь определяет, какая трехмерная структура возможна, но никак не объясняет, каким образом возникает это структура.

Как уже отмечали, механизмы фолдинга белков in vivo пока детально не выяснены, однако определены некоторые молекулярные факторы, участвующие в этом процессе. К таким молекулам относятся ферменты фолдинга и шапероны. Первый фермент- протеин-дисульфидизмераза, перемещает дисульфидные связи в полипептидной цепи. Она может разрушать «неправильные» S – S –связи и вновь образовывать их в «нужных» местах. Высокие концентрации этого фермента выявлены в ЭПР, где происходит сворачивание синтезированных секреторных белков. Другой фермент, пептидилпролин-изомераза – катализирует цис-,транс - изомеризацию пептидных связей, образованных остатками пролина, что помогает белковой молекуле принять правильную конфигурацию. В клетках выявлен целый класс белков, обладающих пролинизомеразной активностью, названных циклофилинами.

Кроме ферментов, в клетках существуют специализированные белки, обеспечивающие нахождение правильной пространственной конфигурации (белки-шапероны).

Рис. 8. Различные способы отображения третичной структуры молекулы белка (миоглобин спермы кита).

(а) области организации вторичной структуры в виде лент, отчетливо различаются 6 спиральных участков;

(б) «плоское» изображение поверхности молекулы;

(с) контурное изображение поверхности молекулы с визуализацией «карманов», т.е участков где потенциально могут присоединятся другие молекулы.

(г) Изображение аминокислотных остатков в соединительных петлях;

(е) пространственная модель со всеми атомами боковых цепей аминокислот лежащих на поверхности. Атомы представлены в виде сфер размерами в соответствии с Ван-дер-Ваальсовыми радиусами.
Красным цветом выделены атомы гемовой группы, синим цветом – остатки гидрофобных аминокислот Leu, Ile, Val, и фенилаланин

Дата добавления: 2014-01-11