Структурная организация белков

Молекулы белка трехмерны и имеют несколько уровней структурной организации.

Первичная структура - порядок чередования (последовательность) аминокислот в полипептидной цепи, образуется пептидными связями, индивидуальна для различных белков (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Первичная структура белка

Пептидные связи стабилизируют линейную первичную структуру (выделены синим цветом); Водородные связи формируют трехмерную вторичную структуру белка, образуются между группами >С=О и >NH пептидного остова

Вторичная структура белка - пространственная структура, образованная водородными связями между карбонильной (>С=О) и имино(>N-H)- группами пептидного остова (см. рис. 1.2).

Водородные связи представляют собой слабые электростатические взаимодействия между одним электроотрицательным атомом (кислорода, азота или др.) и атомом водорода, ковалентно связанным с другим элетроотрицательным атомом (рис. 1.3). Водородные связи отличаются малой прочностью, но, образуясь в больших количествах в молекуле белка, обеспечивают ее компактность.

Различают 3 типа вторичной структуры.

а-спираль - в образование водородных связей вовлечены все >С=О- и -NH-группы полипептидного остова, связи образуются очень упорядоченно, формируя спираль, и ориентированы вдоль

Рис. 1.3. Образование водородных связей между группами пептидного остова

ее оси (рис. 1.4). На виток спирали укладывается 3,6 аминокислотных остатка, т.е. водородные связи образуются между 1-й и 4-й аминокислотами, преимущественно с короткими боковыми цепями. Пролин и аминокислоты с длинными радикалами нарушают спиралевидную укладку. а-Спираль представляет собой самый жесткий тип вторичной структуры, преобладает во многих белках.

Рис. 1.4. а-Спираль

Рис. 1.5. β-Структура белка

А - формирование водородных связей β -структуры;

Б - параллельная β -складчатая укладка;

В - антипараллельная β -складчатая укладка

β -структура - складчатого типа, водородные связи образуются менее системно, формируя гофрированную структуру из полипептидной цепи (рис. 1.5, А). При этом участки цепи идут либо в одном (рис. 1.5, Б), либо в противоположном (рис. 1.5, В) направлении. β-Структура в белках встречается реже, чем α-спираль. На схемах изображается в виде широкой плоской стрелки, отмечающей направление от N- к С-концу цепи.

Беспорядочный клубок не имеет регулярной структуры, водородные связи образуются бессистемно. Участки полипептидной цепи, образующие этот тип вторичной структуры, обычно небольшие, в этом месте молекулы цепь может легко изгибаться, меняя направление.

Содержание участков, имеющих различные типы вторичной структуры, в белках может сильно различаться, что обусловлено первичной структурой полипептидной цепи. Есть белки с выраженным преобладанием α-спирали (гемоглобин и миоглобин, гормон инсулин), в других белках преобладают участки β-структуры (химотрипсин,

иммуноглобулины). Чаще же в белках присутствуют все 3 типа вторичной структуры (фермент лактатдегидрогеназа - ЛДГ) (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Пространственная структура домена ЛДГ. Сочетание разных типов вторичной структуры

Третичная структура белка - пространственная структура, образованная взаимодействиями между радикалами аминокислот. Третичную структуру формируют 4 типа химических связей: гидрофобная, водородная, ионная, дисульфидная.

Гидрофобные связи возникают между неполярными гидрофобными радикалами (рис. 1.7). Они играют ведущую роль в формировании третичной структуры белковой молекулы.

Рис. 1.7. Гидрофобные взаимодействия между радикалами

Неполярные радикалы отталкиваются молекулами воды и прячутся внутри молекулы белка (рис. 1.8, А). Полярные радикалы стремятся наружу, к водной фазе и образуют гидрофильную поверхность. Поэтому большинство белков глобулярной формы хорошо растворяются в воде, несмотря на большую молекулярную массу.

В интегральных белках мембран, расположенных внутри липидного гидрофобного слоя, неполярные радикалы, наоборот, стремятся к гидрофобной среде на поверхности белка, а гидрофильные (полярные) - уходят внутрь белковой молекулы (рис. 1.8, Б). Белок как бы «выворачивается» по сравнению с гидрофильными белками цитоплазмы.

Рис. 1.8. Локализация гидрофобных и гидрофильных радикалов в молекуле белка

А - гидрофильный цитоплазматический белок; Б - гидрофобный мембранный белок. ■ - полярные (гидрофильные) радикалы; • - неполярные (гидрофобные радикалы)

Гидрофильные радикалы внутри белковой глобулы также могут взаимодействовать друг с другом и образовывать слабые водородные или ионные связи.

Водородные связи - образуются между полярными (гидрофильными) незаряженными группами радикалов, имеющими подвижный атом водорода, и группами с электроотрицательным атомом (-Оили -N-) (рис. 1.9).

Ионные связи образуются между полярными (гидрофильными) ионогенными радикалами, имеющими противоположно заряженные группы (рис. 1.10).

Рис. 1.9. Водородные связи между радикалами аминокислот

Рис. 1.10. Ионная связь между радикалами лизина и аспарагиновой кислоты (А) и примеры ионных взаимодействий (Б)

Дисульфидная связь - ковалентная, образуется двумя сульфгидрильными (тиольными) группами радикалов цистеина, находящимися в разных местах полипептидной цепи (рис. 1.11). Встречается в таких белках, как инсулин, инсулиновый рецептор, иммуноглобулины и др.

Дисульфидные связи стабилизируют пространственную структуру одной полипептидной цепи или связывают между собой 2 цепи (например, цепи А и В гормона инсулина) (рис. 1.12).

Полипептидная цепь каждого белка обязательно имеет 3 структурных уровня пространственной укладки.

В организме человека белки выполняют важные и разнообразные функции, которые

Рис. 1.11. Образование дисульфидной связи

Цистеин, входящий в состав белков, играет важную роль в фолдинге, так как его тиольные группы способны образовывать прочную дисульфидную связь, формирующую третичную структуру белковых молекул. Фолдинг - процесс пространственной укладки синтезированной полипептидной цепи, формирование единственно возможной нативной структуры белка. Происходит с помощью белков - шаперонов (белков теплового шока)

осуществляются при их взаимодействии с другими веществами. Соединение, с которым взаимодействует белок, называется лигандом. Лигандом может быть как низкомолекулярное, так и высокомолекулярное (макромолекула) вещество, в том числе и другой белок. Лигандами являются субстраты ферментов, кофакторы, ингибиторы и активаторы ферментов, протомеры в олигомерном белке и т.д. Лиганд присоединяется к специальному участку на поверхности белковой молекулы - центру связывания (активному центру).

Центр связывания белка (активный центр) - участок белковой молекулы, состоящий из аминокислотных остатков, сближенных при

Рис. 1.12. Дисульфидные связи в молекуле инсулина

Дисульфидные связи: между остатками цистеина одной цепи А (а), между цепями А и В (б). Цифры - положение аминокислот в полипептидных цепях

Рис. 1.13. Взаимодействие лиганда с центром связывания белка

формировании третичной структуры и отвечающий за специфическое взаимодействие с лигандом; часто находится в гидрофобном углублении на поверхности белковой глобулы (рис. 1.13).

Взаимодействие лиганда с центром связывания осуществляется по принципу комплементарности («ключ к замку»). Комплементарность - это геометрическое (пространственное) и химическое соответствие лиганда и центра связывания белка. При их взаимодействии чаще всего образуются нековалентные связи: ионные, водородные, гидрофобные.

Белки с длинными полипептидными цепями (более 200 аминокислотных остатков) часто создают доменные структуры. Домен - это часть полипептидной цепи, образующая подобие глобулы, которая может быть связана с другими

доменами (глобулами) этой же цепи. Одна цепь может образовать несколько доменов (например, белок мышц актин), причем домены могут различаться по структуре и функции (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Доменная структура белка актина