Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Биоорганическая химия

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Супервторичная структура белковой молекулы.

Сравнение конформаций разных по структуре и функциям белков позволило выявить наличие у них похожих сочетаний элементов вторичной структуры, получивших название супервторичной структуры. Такая структура формируется за счет взаимодействия боковых радикалов аминокислотных остатков, входящих в состав участков вторичной структуры. К настоящему времени описаны следующие разновидности супервторичной структуры белков.

Супервторичная структура типа ft-бочонка, по форме она действительно напоминает бочонок, где каждая (3-структура расположена внутри а-спираль- ного участка цепи и связана с ним.

Присутствует у некоторых ферментов — триозофосфатизомеразы, пируват- киназы.

Супервторичная структура «цинковый палец» характерна для ДНК-свя- зывающих белков. «Цинковый палец» — фрагмет белковой молекулы, содержащий около 20 аминокислотных остатков и ион цинка, связанный с радикалами четырех аминокислотных остатков: обычно с двумя остатками цистеина (С) и двумя — гистидина (Н).

Супервторичпая структура «лейциновой застежки-молнии» — это структурный ансамбль для объединения нескольких полипептидпых цепей в олигомерных белках, а также для создания межбелковых комплексов. При ее формировании происходит взаимодействие а-спиральпых участков двух полипептидпых цепей двух разных белков за счет гидрофобного взаимодействия между изобу- тильными радикалами остатков лейцина (рис. 15.8). Для этого необходимо, чтобы каждый фрагмент а-спирали содержал по меньшей мере четыре лейциновых остатка, расположенных на внешней стороне каждого второго витка спирали через шесть аминокислотных остатков. Примером такого соединения белков могут служить гистоны — основные ядерпые белки, в состав которых входит большое количество положительно заряженных аминокислотных остатков — аргинина и лизина.

Третичная структура белковой молекулы.

Под третичной структурой белка понимают конформацию всей макромолекулы, т.е. взаимное расположение в пространстве элементов одиночной полипептидпой цепи, обусловленное взаимодействием элементов вторичной структуры как близлежащих, так и отдаленных аминокислотных остатков.

Синтезированная на рибосомах полипептидпая цепь, попадая в гидрофильную среду цитозоля, приобретает трехмерную структуру В ее формировании и стабилизации принимают участие все виды взаимодействий, по наиболее значимыми являются гидрофобные взаимодействия и дисульфидные связи.

Супервторичная структура «лейциновой застежки-молнии»

Рис. 15.8. Супервторичная структура «лейциновой застежки-молнии»

Формирование третичной структуры полипептида определяется свойствами радикалов входящих в него аминокислот, а также микроокружением, т.е. полярностью среды. В процессе укладки полипептидная цепь принимает энергетически выгодную форму, характеризующуюся минимумом свободной энергии. Поэтому неполярные гидрофобные радикалы аминокислот, «избегая» воды, вталкиваются внутрь компактного агрегата белка. Полярные (гидрофильные) радикалы аминокислот располагаются снаружи этого гидрофобного ядра и окружены молекулами воды. Полипептидная цепь причудливо изгибается в трехмерном пространстве и при этом нарушается ее вторичная спиральная конформация. «Ломается» цепь в слабых точках, где находятся пролин, который образует с другими аминокислотами только одну водородную связь, и глицин, у которого отсутствует боковой радикал.

Только правильная пространственная укладка макромолекулы белка делает его активным, нарушение пространственной структуры приводит к изменению свойств белков и потере биологической активности.

Свойственный белкам способ организации пространственной структуры — формирование гидрофобного ядра и мозаичной поверхности, содержащей как гидрофильные, так и гидрофобные элементы, — ограничивает размер глобулы. Начиная с молекулярной массы 14-16 тыс. прослеживается тенденция к формированию белковой молекулы из двух (и более) в той или иной мере независимо образованных глобул, каждая из которых имеет свое гидрофобное ядро. Такие глобулы — домены — формируются различными отрезками одной и той же полипептидной цепи.

Таким образом, доменами называют области в третичной структуре белка, которым свойственна определенная автономия структурной организации.

Наряду со структурной ролью в формировании белковой молекулы, домены нередко выполняют и собственные задачи, такие домены называются функциональными. Например, нуклеотидсвязывающий домен дегидрогеназ, имеющий независимо от субстратной специфичности того или иного фермента одинаковый способ укладки полипептидной цепи, ответственен за взаимодействие с одним из участников реакции — коферментом НАД+ или НАДН+Н+. Аминоконцсвыс домены (кринглы) ферментов системы свертывания крови обеспечивают связывание с липидами мембраны и другими белками, аминоконцевые домены иммуноглобулинов формируют центр связывания антигена.

Однако в ряде случаев не удается четко определить функции доменов. Между доменами, соединенными непрерывной полипептидной цепью, устанавливается ряд гидрофобных контактов. Во впадине, разделяющей домены, формируется каталитический центр, причем образующие его функциональные группы размещены в обоих доменах. Наличие доменов, видимо, создает структурные предпосылки для большей, чем в рамках единой пространственной структуры, внутренней гибкости и конфирмационной подвижности белковых молекул, достигаемой смещением доменов относительно друг друга. Это облегчает размещение и связывание белками различных лигандов и субстратов.

Домены являются подуровнем структурной организации белка на пути от вторичной к третичной структуре. Свертывание достаточно крупных белковых глобул при биосинтезе белка проходит, вероятно, через стадию формирования доменов.

Образование и функционирование третичной структуры белковой молекулы обеспечивают слабые взаимодействия между боковыми радикалами полипептид- ных цепей и этих сил достаточно для защиты белков от действия повреждающих факторов внутри клетки. Однако для белков-ферментов желудочно-кишечного тракта, инсулина и других гормонов в крови необходимы дополнительные силы для защиты от более жесткой внеклеточной среды. Такая защита достигается образованием ковалентных дисульфидных связей между пространственно сближенными остатками цистеина. Дисульфидные связи весьма эффективно стабилизируют структуру белка, они не разрываются при умеренном нагревании, и белки, содержащие эти связи, во многих случаях отличаются термостойкостью.

Специфическая конформация белков поддерживается множеством слабых связей. Энергия гидрофобных взаимодействий, водородных и ионных связей незначительно превышает энергию теплового движения атомов при комнатной температуре. Огромное число атомов молекулы белка находятся в постоянном движении, что приводит к небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной цепи, которые не нарушают общей структуры белка. Это указывает на то, что белки обладают конформационной лабильностью, т.е. способностью к небольшим изменениям конформации за счет разрыва одних и образования других слабых связей.

Конфирмационные изменения играют важную роль в функционировании белков в живой клетке при изменении физико-химических свойств окружающей среды и взаимодействии с другими веществами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка белковой молекулы, контактирующего с другой молекулой, но и конформации молекулы белка в целом.

Многообразие функций белков обусловлено их уникальной первичной структурой и конформацией. Функционирование белков в клетке связано с их взаимодействием с другими соединениями — лигандами. Присоединение лиганда происходит на определенном участке белковой молекулы, называемом активным центром.

Активный центр ферментов образуется при формировании третичной структуры молекулы белка-фермента и представляет собой трехмерную внутримолекулярную структуру типа «кармана», построенную боковыми радикалами аминокислотных остатков. Чаще всего в формировании активного центра участвуют SH-группа цистеина, ОН-группа серина, в-аминогруппа лизина, имидазольное кольцо гистидина, свободные концевые СООН-группы.

Высокая специфичность связывания белка с лигандом обусловлена компле- ментарностью строения, с одной стороны, активного центра, а с другой — лиганда, т.е. пространственным и химическим соответствием взаимодействующих молекул. Важную роль в этом играет конформационная подвижность структуры белка.

По представленности в третичной структуре белка различных типов вторичной структуры белки делят на пять классов (рис. 15.9):

  • ? а/а-белки, в структуре которых обнаружены только а-спирали (представители этого класса белков — миоглобин и гемоглобин);
  • ? Р/Р-белки состоят только из (3-структур (иммуноглобулины и фермент су пероксиддисмутаза);
  • ? а/р-белки с однотипными сочетаниями а-спиралей и (3-структур, характерные сочетания а-спиралей и (3-структур обнаружены во многих ферментах (лактатдегидрогеназа, фосфоглицераткиназа и др.);
  • ? а+р-белки имеют разное сочетание элементов вторичной структуры (например, лизоцим куриного яйца);
  • ? без а-спиралей и p-структур — белки, которые содержат незначительное количество вторичных структур.
Представители классов белков, разных по характеру тройной структуры

Рис. 15.9. Представители классов белков, разных по характеру тройной структуры: а — а/а-белки — (3-субъединица гемоглобина; б — (3/р-белки — константный домен иммуноглобулина; в — а/Р-белки — флаводоксин; г — а+|3-белки — лизоцим куриного яйца

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>