Биологическая химия - часть 15

Рис. 1.20. Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью).

Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом – гем.

(последние благодаря своей высокой электронной плотности используются

в качестве точек отсчета при математической обработке рентгенограмм).

Первым белком, третичная структура которого была выяснена

Дж. Кендрью на основании рентгеноструктурного анализа, оказался мио-

глобин кашалота. Это сравнительно небольшой белок с мол. м. 16700,

содержащий 153 аминокислотных остатка (полностью выяснена первичная

структура), представленный одной полипептидной цепью. Основная функ-

ция миоглобина – перенос кислорода в мышцах. Полипептидная цепь мио-

глобина (рис. 1.20) представлена в виде изогнутой трубки, компактно

уложенной вокруг гема (небелковый компонент, содержащий железо; см.

главу 2).

На протяжении последних десятилетий в связи с повышением разрешаю-

щей способности рентгеноструктурного метода была расшифрована третич-

ная структура более 1000 белков, в том числе гемоглобина, пепсина,

химотрипсина, рибонуклеазы, лизоцима, трипсина и его ингибитора, ряда

фрагментов иммуноглобулинов человека, цитохрома С, карбоангидразы

человека, аспартатаминотрансферазы, инсулина и др. Примеры трехмерной

структуры некоторых из них представлены на рис. 1.21.

Рентгеноструктурный анализ позволяет определить конформацию и ход

полипептидной цепи в пространстве, поэтому для каждого белка может

быть построена объемная модель, отражающая местоположение линейных

и спирализованных участков. При изучении глобулярных белков было

показано, что пространственная структура белков в сильной степени зави-

сит от ряда факторов, в частности от ионной силы и рН раствора,

температуры и т.д. Новейшие методы дифракции рентгеновских лучей

65

Рис. 1.21. Пространственная конфигурация карбоксипептидазы (а) и рибонукле-

азы

 (б).

позволили расшифровать кристаллическую структуру более 100 ферментов.

Для выяснения трехмерной структуры белков в последнее время успешно

применяются также методы низкотемпературной вычислительной техники,

а также математические и компьютерные методы определения объемной

структуры на основании данных последовательностей аминокислот.

В настоящее время получены бесспорные доказательства, что в стабили-

зации пространственной структуры белков, помимо ковалентных связей

(пептидные и дисульфидные связи), основную роль играют так называемые

нековалентные связи (рис. 1.22). К этим связям относятся водородные

связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолеку-

лярные ван-дер-ваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых ра-

дикалов аминокислот, так называемые гидрофобные взаимодействия и т.д.

По современным представлениям, третичная структура белка после

завершения его синтеза в рибосомах (см. главу 14) формируется совершенно

автоматически, самопроизвольно и полностью предопределяется первичной

структурой. Основной движущей силой в возникновении трехмерной струк-

туры является взаимодействие радикалов аминокислот с молекулами воды.

При этом неполярные гидрофобные радикалы аминокислот как бы погру-

жаются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны, в то время как

полярные радикалы оказываются ориентированными в сторону воды.

В какой-то момент возникает термодинамически наиболее выгодная ста-

бильная  к о н ф о р м а ц и я * молекулы. В такой форме белковая молекула

характеризуется минимальной свободной энергией. Молекулы белков в

водных растворах обычно принимают ряд стабильных конформаций, инду-

цируемых не только изменениями рН и температуры, но и низкомолеку-

лярными соединениями. Различают две основные формы конформаций:

Т-форму (от англ. tensed – напряженная) и R-форму (от англ. relaxed – рас-

* Конформацией принято называть пространственное расположение атомов в молекуле

белка. Этот термин означает структурное состояние молекулы белка, которое может перехо-

дить без разрыва ковалентных связей в другое структурное состояние, вызванное, например,

вращением вокруг единственной связи.

66

а

б

Рис. 1.22. Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру

белка.

а - электростатическое взаимодействие; б - водородная связь; в - гидрофобные взаимодействия

неполярных групп; г - диполь-дипольные взаимодействия; д - дисульфидная (ковалентная)

связь.

слабленная). Между этими формами осуществляются переходы, соответст-

венно отражающиеся в биологических свойствах.

В процессе укладки синтезированной полипептидной цепи, получившем

название  ф о л д и н г а – формирование нативной пространственной струк-

туры, в клетках происходит отбор из множества стерически возможных

состояний одной-единственной стабильной и биологически активной кон-

формации, определяемой, вероятнее всего, первичной структурой. Описан

ряд наследственных заболеваний человека, развитие которых связывают

с нарушением вследствие мутаций процесса фолдинга (пигментозы, фибро-

зы и др.). Поэтому в настоящее время пристальное внимание исследова-

телей приковано к выяснению зависимости между аминокислотной после-

довательностью синтезированной в клетке полипептидной цепи (первичная

структура) и формированием пространственной трехмерной структуры,

обеспечивающей белковой молекуле ее нативные свойства. Имеется немало

экспериментальных доказательств, что этот процесс не является автомати-

ческим, как предполагалось ранее, и, вероятнее всего, регулируется и конт-

ролируется также внутриклеточными молекулярными механизмами, детали

которых пока полностью не раскрыты. Из клеток выделено несколько

классов белков, названных  ш а п е р о н а м и , или белками теплового шока,

которые располагаются между N-концевым сигнальным пептидом и мат-

ричным белком. Предполагается, что основными функциями шаперонов

являются способность предотвращать образование из полипептидной цепи

неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков, или агрегатов бел-

ков, и обеспечение доставки (транспорта) их к субклеточным мишеням,

создавая условия для завершения свертывания белковой молекулы. Эти

результаты наводят на мысль о возможности существования «второй

половины генетического кода», определяя тем самым повышенный интерес

67

Полипептидная цепь

а

б

в

а

в

в

г

д

исследователей к проблеме свертывания полипептидной цепи и формирова-

ния ее нативной пространственной конформации.

Таким образом, линейная одномерная структура полипептидной цепи

(т.е. последовательность аминокислотных остатков, обусловленная кодом

белкового синтеза) наделена информацией другого типа – конформацион-

ной, которая представляет собой образование белковой молекулы строго

заданной формы с определенным пространственным расположением отдель-

ных ее частей. Другими словами, третичная – объемная – структура бел-

ковой молекулы детерминирована аминокислотной последовательностью

полипептидной цепи, а более конкретно – размером, формой и полярностью

радикалов аминокислотных остатков. Эти представления могут служить

основой для предсказания конформации белковой молекулы на основании

аминокислотной последовательности. Следует указать, однако, что до сих

пор представляется интригующей загадкой механизм этой тесной и тонкой

связи между аминокислотной последовательностью и трехмерной структу-

рой белковой молекулы. Оказывается, иногда полипептиды почти с одина-

ковыми последовательностями образуют разные структуры и, наоборот,

полипептиды с разными последовательностями формируют одинаковую

трехмерную структуру.

В свою очередь трехмерная структура белковой молекулы также содер-

жит информацию, но уже совершенно нового типа, а именно функциональ-

ную, которую акад. В.А. Энгельгардт назвал  и н т р а м о л е к у л я р н о й

и н ф о р м а ц и е й . Как будет показано далее, все биологические свойства

белков (каталитические, гормональные, антигенные и др.) связаны с со-

хранностью их третичной структуры, которую принято называть нативной

конформацией. Любые воздействия (термические, физические, химические),

приводящие к нарушению этой конформации молекулы (разрыв водород-

ных и других нековалентных связей), сопровождаются частичной или

полной потерей белком его биологических свойств.

Четвертичная структура белка

Под четвертичной структурой подразумевают способ укладки в простран-

стве отдельных полипептидных цепей, обладающих одинаковой (или раз-

ной) первичной, вторичной или третичной структурой, и формирование

единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярно-

го образования. Многие функциональные белки состоят из нескольких

полипептидных цепей, соединенных не главновалентными связями, а неко-

валентными (аналогичными тем, которые обеспечивают стабильность тре-

тичной структуры). Каждая отдельно взятая полипептидная цепь, получив-

шая название протомера, мономера или субъединицы, чаще всего не

обладает биологической активностью. Эту способность белок приобретает

при определенном способе пространственного объединения входящих в его

состав протомеров, т.е. возникает новое качество, не свойственное моно-

мерному белку. Образовавшуюся молекулу принято называть олигоме-

ром (или мультимером). Олигомерные белки чаще построены из четного

числа протомеров (от 2 до 4, реже от 6 до 8) с одинаковыми или разными

молекулярными массами – от нескольких тысяч до сотен тысяч. В част-

ности, молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых α- и двух

β-полипептидных цепей, т.е. представляет собой тетрамер. На рис. 1.23

представлена структура молекулы гемоглобина, а на рис. 1.24 хорошо

видно, что молекула гемоглобина содержит четыре полипептидные цепи,

68