в. Чем определяется конформация белка

Структуру белка можно рассматривать на разных уровнях организации - на уровне первичной, вторичной, третичной или четвертичной структуры. Первые три относятся к структурным характеристикам полипептидных цепей, четвертый отражает структуру олигомерных белков, состоящих из двух или более полипептидных цепей.

Каждый белок обладает уникальной аминокислотной последовательностью; порядок расположения аминокислот вдоль полипептидной цепи называется первичной структурой. Уникальность первичной структуры впервые была выявлена при исследовании бычьего инсулина, а затем подтверждена в результате анализа тысяч других белков разного размера. Первичная структура белка детерминируется первичной структурой соответствующего гена. Поэтому при изменении нуклеотидной последовательности гена, кодирующего данный белок, изменяется и первичная структура белка.

Полипептидные цепи могут укладываться в регулярные структуры, называемые вторичными. Наиболее часто встречающимися периодическими конформациями белков являются правозакрученная а-спираль и в-слой. В а-спирали остов имеет конфигурацию винтовой спирали с периодичностью 0,54 нм и примерно 3,6 аминокислотными остатками на виток. Стабилизация спиральной структуры осуществляется благодаря образованию водородных связей между атомом водорода NH-группы одной аминокислоты и СО-группой четвертой вдоль цепи аминокислоты. Боковые группы аминокислот располагаются на наружной стороне спирали. Длина участка данной полипептидной цепи, который может принимать а-спиральную конфигурацию, зависит от аминокислотного состава и аминокислотной последовательности цепи. Некоторые аминокислоты или последовательности дестабилизируют а-спираль, а если в цепи встречается пролин или гидроксипролин, то а-спираль прерывается из-за ограничения вращения вокруг пептидной связи и отсутствия атома водорода для образования водородной связи. Как правило, а-спиральные участки относительно непротяженны и состоят в среднем из 10-20 амино-кислот. Иногда водородные связи, образующиеся между боковыми группами аминокислот в двух а-спиральных сегментах, соединяют расположенные бок о бок витки спирали одной и той же или разных полипептидных цепей, и тем самым структура еще больше стабилизируется. Известны случаи, когда множественные а-спиральные сегменты одной полипептидной цепи образуют беспорядочные пучки. У некоторых белков, в частности у фермента химотрип-сина, а-спиральные области отсутствуют; у других, например у а - и. Ряды из двух-пяти цепей, скрепленных водородными связями, находящиеся в параллельной друг другу или антипараллельной ориентации, образуют структуру, напоминающую гофрированную ткань.

Некоторые белки содержат необычайно много глицина и пролина - тех двух аминокислот, которые дестабилизируют или разрушают а-спирали, а также две необычные аминокислоты - гидроксипролин и гидроксилизин. Подобные белки образуют вторичную структуру третьего типа; она состоит из трех длинных лево-закрученных спиралей, сплетенных в виде плотного каната. Структура также стабилизируется водородными связями, образуемыми между боковыми остатками прилегающих друг к другу нитей каната.

Почти все ферменты и регуляторные белки имеют глобулярную форму; это и есть их третичная структура. Боковые цепи полярных аминокислот локализуются на поверхности глобулы, контактирующей с растворителем, а боковые цепи неполярных аминокислот упрятаны внутри и экранированы от водной среды. Плотно скрученные полипептидные цепи содержат варьирующее число а-спиралей и. Биологически активная четвертичная структура белка поддерживается с помощью разнообразных взаимодействий между аминокислотами. К ним относятся:

1) взаимодействия, которые ответственны за формирование а-спиралей и водородные связи между некоторыми боковыми группами аминокислот;

3) ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами;

4) ковалентные дисульфидные связи между отдаленными друг от друга вдоль цепи остатками цистеина;

5) гидрофобные взаимодействия между боковыми группами, более прочные, чем взаимодействия с водной фазой на наружной поверхности белковой глобулы. Относительный вклад всех этих сил в стабилизацию структуры у разных белков варьирует.

При нагревании либо повышении или понижении рН нативная глобула разворачивается. Этот процесс обратим, т.е. третичная структура может восстанавливаться с образованием тех химических и физических взаимодействий, которые стабилизируют нативную компактную кон-формацию. Механизм правильного свертывания полипептидной цепи и промежуточные этапы этого процесса интенсивно изучаются.

Большинство глобулярных белков-олигомеры. Примером глобулярных белков могут служить гемоглобин и иммуноглобулин. Четвертичная структура подобных белков определяется тем, как взаимодействуют между собой в олигомерной структуре отдельные свернутые полипептидные цепи. В гемоглобине, например, благодаря взаимодействию аминокислот, входящих в состав а-спиралей и детальные исследования структуры гемоглобина позволили установить, как изменяются соответствующие взаимодействия при связывании этим белком кислорода.

Вторичная, третичная и четвертичная структуры белков тесно связаны между собой и в конечном счете определяются первичной структурой одной или нескольких полипептидных цепей. Последствия такой взаимосвязи очень значительны: информация, определяющая укладку белковой молекулы и переход ее в биологически активное состояние, закодирована в его аминокислотной последовательности. Подтверждением этого принципиального положения служит то, что химические модификации и мутационные изменения аминокислотной последовательности полипептидов сильно влияют на их ренатурацию и способность формировать вторичную, третичную и четвертичную структуры с полноценной биологической активностью.

В качестве одного из многочисленных примеров зависимости структуры и функции белка от его аминокислотной последовательности можно привести серповидноклеточную анемию. Генетическое нарушение при этой болезни выражается в замене глутаминовой кислоты, шестой по счету от N-конца в-цепи в нормальном гемоглобине, на валин. Изменение в первичной структуре в-глобина приводит

к тому, что на поверхности белковой глобулы оказывается аномальная гидрофобная аминокислота, из-за чего происходит агрегация дезоксигенированного гемоглобина с образованием олигомерных структур более высокого уровня организации. В результате форма и пластичность эритроцитов изменяются, и кровоток через капилляры и мелкие вены затрудняется или вовсе прекращается. Основной вывод, который можно сделать из этого классического случая, состоит в том, что одна-единственная мутация - замена нуклеотида в последовательности ДНК, приводящая к замене одной аминокислоты на другую в специфическом сайте полипептидной цепи, - может оказывать столь драматическое влияние на конформацию белка и его физиологическую функцию. В более общем смысле, таков механизм, связывающий генотипы всех организмов с их фенотипами.