Третичный уровень организации белковой молекулы; связи, его стабилизирующие

Достаточно регулярная структура полипептидной цепи предполагает возможность формирования стандартных (так называемых канонических) конформаций, обнаруживаемых в нативной молекуле. Такого рода пространственно упорядоченные участки стабилизированы водородными связями между пептидными СО — и NH-группами и называются элементами вторичной структуры. Ее можно назвать низшим уровнем пространственной организации молекулы белка, основанной на ближних взаимодействиях атомов в полипептидной цепи. Известны четыре основных типа вторичной структуры полипептидных цепей: б-спираль, в-структура (складчатый листок, складчатый слой), в-изгиб и беспорядочный клубок (бесструктурный участок). б-Спираль также, как и в-структура, являются так называемыми каноническими конформациями, которые чаще всего встречаются в природных белках.

Спиральные участки полипептидной молекулы можно представить в виде своеобразных стержней, внутреннее пространство которых полностью заполнено радикалами аминокислотных остатков (гидрофобных в большей своей части). Полярные радикалы обращены наружу белковой молекулы.

б-Спиральные структуры могут иметь различные геометрические характеристики в зависимости от природы составляющих ее аминокислотных остатков. Одним из важных принципов формирования пространственной (вторичной) структуры белков является образование как можно большего количества водородных связей между группами С=О и N—Н основной цепи (пептидных групп). Примером такой организации служит в-складчатый слой.

Элементы вторичной структуры приобретают устойчивость только после их объединения в компактную белковую глобулу, поскольку в ней резко повышается кооперативность системы нековалентных взаимодействий. Значительная часть структуры при этом оказывается погруженной в среду с полярностью гораздо меньшей, чем у воды. Кроме того, следует учесть, что в компактной структуре значительная часть внутримолекулярных водородных связей скрыта от воздействия воды и вероятность их разрыва гораздо меньше.

Следует отметить, что стабильная вторичная структура формируется не мгновенно, а проходит ряд промежуточных стадий (так называемые мерцающие элементы вторичной структуры). Эти структуры могут возникать на достаточно коротких участках и обеспечивают благоприятные предпосылки формирования пространственной структуры белковой молекулы, выступая в роли единиц ее свертывания. Большинство белков с известной пространственной структурой можно так или иначе распределить между четырьмя структурными группами: 1) б-белки, в которых преобладают б-спирали (гемоглобин, миоглобин); 2) белки, построенные из в-слоев, расположенных один над другим и образующих многослойную структуру (рубредоксин, конканавалин А); 3) (б+в)-белки, у которых в состав одной и той же полипептидной цепи входят участки, целиком построенные из б-спиралей, и участки, целиком состоящие из в-слоев (папаин, термолизин); 4) б/в-белки, в которых б-спирали и в-цепи чередуются по ходу полипептидной цепи. Обычно здесь имеется один центральный в-слой, по обе стороны которого располагаются спиральные участки.

Боковые радикалы аминокислот, хотя непосредственно и не участвуют в стабилизирующих эту структуру связях, тем не менее, определяют, каким образом пептидная цепь может свернуться для образования таких связей и может ли свернуться вообще. Например, остатки пролина и гидроксипролина полностью исключают образование в своем локусе как б-спирали, так и в-структуры. Одноименно заряженные радикалы аминокислот, если они находятся близко друг от друга, не могут сблизиться из-за взаимного отталкивания. Отсюда и получается типичное для каждого белка распределение между разными типами вторичной структуры. Кроме пептидной связи, в формировании вторичной структуры белков принимают участие и водородные связи. И пептидные группы главной цепи, и полярные боковые группы выступают донорами и акцепторами водородных связей. Они могут формировать связи друг с другом или с молекулами воды. Практически все такие связи формируются, так как энергия водородных связей (5 ккал/моль) примерно в 10 раз превосходит энергию теплового движения, то есть тепловое движение не может разрушить эти связи. В водном окружении образовавшаяся внутри белковой цепи водородная связь (Н-связь) замещает собой связь цепи с водой. По этой же причине водородные связи, стабилизирующие структуру белка в воде, носят энтропийную, а не энергетическую природу: энергии двух состояний цепи (с внутрицепочечной связью и без нее) примерно равны. Из этих двух состояний с примерно равной энергией стабильнее та, где выше энтропия, то есть где больше число микросостояний. А их больше у оторванной воды, чем у связанной. Водородные связи в белковой цепи (в водном окружении) носят энтропийную, а не энергетическую природу именно потому, что энергия Н-связей очень высока.

Раз так, то «свободные» от связей в белке доноры и акцепторы водородных связей в цепи всегда на деле не свободны от всех связей вообще, а связаны с водой. Оторвавшиеся же от белка при образовании внутрибелковой Н-связи молекулы воды тут же связываются друг с другом, так что энергия компенсируется, и свободно-энергетический выигрыш Н-связей в белке идет только от множественности возможных микросостояний оторвавшихся молекул воды. Однако, чтобы связаться друг с другом, молекулы воды жертвуют частью своей обретенной свободы, частью энтропии. Но лучше потерять небольшую энтропию, чем большую энергию.

Вторичная структура характерна для так называемых структурных белков, в которых регулярная б-спиральная структура распространяется на достаточно большой фрагмент молекулы полипептида. В результате такой организации образуются механически прочные нити или волокна, которые придают экстрацеллюлярным структурам особую прочность и принимают участие в построении цитоскелета. К структурным белкам относятся: б-кератин, коллаген и фиброин шелка.

Радикалы этих аминокислот лучше, чем гидрофобные радикалы, растворяются в воде, так как в их состав входят полярные функциональные группы, образующие водородные связи с водой. К ним относят серии, треонин и тирозин, имеющие гидроксильные группы, аспарагин и глутамин, содержащие амидные группы, и цистеин с его тиольной группой.

Связь между цистеином и серином.

Связь между глутамином и треонином.

Связь между аспарином и тирозином.