1.1.5. Структура глобулярных белков. Третичная и четвертичная структура.

Под третичной структурой белка понимают расположение в пространстве всех атомов одиночной полипептидной цепи. Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей. Каждая цепь – одна субъединица или мономер. Димер содержит 2 полипептидные цепи, тримеры и т.д. Например молекула гемоглобина представляет собой тетрамер, в котором имеются 2 идентичные α - цепи и 2 идентичные β– цепи (четвертичная структура).

С помощью рентгеноструктурного анализа в настоящее время установлена третичная структура многих белков и ферментов.

Первый успех в расшифровке 3-мерной структуры глобулярных белков был достигнут Кондрью и др. изучивших структуру миоглобина кашалота методом ренгеноструктурного анализа. Миоглобин относительно небольшой глобулярный белок состоящий из одной полипептидной цепи в которой содержится 153 аминокислотных остатка.

В результате были обнаружены ряд важных особенностей структуры миоглобина присущий многим другим белкам и ферментам:

1. Молекула настолько компактна, что внутри нее может уместиться всего 4 молекулы воды.

2. Все полимерные R- группы аминокислотных остатков расположены на внешней поверхности молекулы и находятся в гидратированном состоянии.

3. Почти все неполярные, гидрофобные R- группы расположены в глубине молекулы и замещены от соприкосновение с водой.

4. У миоглобинов, выделенных из разных видов млекопитающих, конформация пептидных цепей в общих чертах сходна, хотя они и различаются по аминокислотным остаткам.

5 Остатки пролина, не способные образовывать α– спирали находится в местах изгиба.

Из выше сказанного можно резюмировать, что характерная для данной полипептидной цепи третичная структура в водной системе определяется, с одной стороны влиянием водородных связей, (которые могут быть внутрицепочными- α- спираль, или межцепочными β– конформация), а с другой стремлением всей цепи изгибаться в точках, где стабильность α– спирали нарушена, и принимать такую конфигурацию, при которой молекулы воды могли бы находиться в условиях обеспечивающих maxsim энтропию. Если в белке содержаться дисульфидные мостики, то их число и расположение также играют существенную роль в поддержание характерной третичной структуры белка (Рис.1.5).

Рис.1.5. Третичная структура белка

Белки обладают максимальной стабильностью, при определенной, характерной для них температуре. Большинство стабильно в холодильниках. При температуре выше 500С, почти все белки утрачивают стабильность, разворачиваются полипептидной цепи. Эксперименты по денатурации показывают, что биологически активный белок после денатурации может самопроизвольно свернуться в исходную конформацию с восстановлением активности. Это говорит о том, что информация, необходимая для сворачивания белка в нативную конформацию, заполнена в его аминокислотной последовательности.

В крупных белках при сворачивании полипептидной цепи, часто образуются 2 или более пространственно разделенные области, называемые доменами. По своей структуру каждый домен напоминает, отдельный небольшой белок.

Биологические свойства белков, в частности их ферментативные свойства, зависят в первую очередь от первичной структуры, т.е. аминокислотного состава и взаимного расположения аминокислотных остатков. Они зависят также от вторичной структуры белка. Третичная структура белка также оказывает большое влияние на действие фермента, на проявление его каталитической активности.

Четвертичная структура белка означает взаимное расположение в пространстве мономеров формирующих молекулу белка, который состоит из нескольких субъединиц. Эти субъединицы связаны между собой непептидными связями – водородными, ионными, или гидрофобными. Молекулы белков, обладающих четвертичной структурой – олигомеры – при определенных условиях диссоциируют в растворе на субъединицы, которые при других условиях могут ассоциировать, образуя первоначальную молекулу (Рис.1.6).

Многие ферменты- олигомеры также обладают четвертичной структурой, что имеет большое значение для регулирования их активности в клетке.

Например: катализа – расщепляющая Н2О2 на кислород и воду –состоит из 4-х субъединиц. Глютаминсинтеза катализирующая при участии АТР синтез глютамина из глютаминовой кислоты и аммиаке, у разных организмов имеет различную четвертичную структуру. У E. сoli – додекамер (12 субъединиц), у высших растений – октомер, у хлореллы – гексамер. Субъдиницы, образующие молекулу фермента - , могут быть различной величины.

Таким образом, суммируя наши знания о строение белков, можно сказать, что они состоят из аминокислотных остатков, связанных между собой пептидными связями и образующих полипептидные цепочки, которые благодаря дисульфидным, водородным и ионным связям, а также гидрофобным взаимодействием, строго определенным образом располагаются в пространстве, т.е. имеют при данных условиях определенную конформацию. Нативная конформация, создающаяся при нормальных физиологических условиях, обеспечивается ковалентными и дополнительными связями для придания жесткости, компактности и упорядоченности.