77

Розділ 4

Тривимірна структура протеїнів

4.1 Загальний огляд структури протеїнів

4.2 Вторинна структура протеїнів

4.3 Третинна та четвертинна структури протеїнів

4.4 Денатурація та згортання протеїнів

Напевно, найдивовижнішою особливістю (міоґлобіну) є його складність і відсутність симетрії. Його структура майже не має того типу впорядкованості, якого можна було б підсвідомо очікувати, вона складніша, ніж це передбачала будь-яка з теорій про структуру протеїнів

Джон Кендрю, стаття в Nature, 1958

Ковалентний каркас молекули типового протеїна містить сотні зв’язків. Оскільки навколо багатьох із цих зв'язків можливе вільне обертання, то молекула протеїну могла б набувати необмеженого числа конформацій. Проте кожен протеїн виконує специфічну хімічну чи структурну функцію, що чітко вказує на його унікальну тривимірну структуру (Рис. 4-1). У кінці 1920-х років вперше були отримані кристали кількох протеїнів, зокрема гемоґлобіну (М_r 64500) і ензиму уреази (M_r 483000). Відомо, що впорядковане розташування молекул у кристалі може утворюватися тільки у випадку ідентичності молекулярних одиниць, тому вже сам факт існування кристалів багатьох протеїнів чітко вказував на те, що навіть дуже великі із них – це окремі хімічні утворення з унікальною структурою. Цей висновок мав визначальний вплив на подальше розуміння структури і функцій протеїнів.

У цьому розділі ми розглянемо тривимірну структуру протеїнів, звернувши увагу на таких п'ять основних моментів: (1) тривимірна структура протеїну визначається його амінокислотною послідовністю; (2) функція протеїну залежить від його структури; (3) виділений протеїн зазвичай існує в одній чи декількох стабільних структурних формах; (4) найважливіші сили, які стабілізують специфічну структуру протеїну, – це нековалентні взаємодії; (5) у великому розмаїтті унікальних структур протеїнів можна виділити декілька спільних структурних мотивів, які допомагають зрозуміти будову протеїнів у цілому.

Все наведене зовсім не означає, що протеїни існують у формі статичних, незмінних тривимірних утворень. У процесі їх функціонування досить часто відбувається взаємоперетворення двох чи навіть кількох різних структурних конформацій. Динамічні аспекти структури протеїнів буде розглянуто в розділах 5 та 6.

Взаємозв'язок між амінокислотною послідовністю протеїну і його тривимірною структурою – складна проблема, яка вирішується поступово з розвитком методів сучасної біохімії. З’ясування структури, у свою чергу, необхідне для обговорення функцій протеїнів у подальших розділах. Використовуючи фундаментальні принципи хімії та фізики ми можемо відкрити і зрозуміти багато нового у біохімічному лабіринті даних щодо структури протеїнів.

4.1 Загальний огляд структури протеїнів

Просторове розташування атомів в молекулі протеїну називають його конформацією. Можливі конформації протеїну включають такі структурні стани, яких може набути молекула без розриву ковалентних зв'язків. Зміна конформації може відбуватися, наприклад, у випадку обертання атомів навколо одинарних зв'язків. З усіх численних теоретично можливих конформацій протеїну, з сотнями одинарних зв'язків, в біологічних умовах переважає одна або (частіше) декілька з них. Існування численних стабільних конформацій пов’язане із змінами, що відбуваються у більшості протеїнів під час зв'язування з іншими молекулами, або в процесі каталізу. За певних умов молекула протеїну, к правило, існує в одній, термодинамічно найстабільнішій конформації, якій властивий найнижчий рівень вільної енерґії Ґіббса (G). Протеїни, які перебувають у своїй функціональній, згорнутій конформації, називають нативними протеїнами.

За якими принципами визначається найбільш стабільна конформація протеїну? Вивчення цього питання найкраще проводити поступово, починаючи з розгляду первинної структури, наведеного в Розділі 3, а потім - вторинної, третинної та четвертинної структур. До такого традиційного підходу слід додати нові ідеї відносно надвторинних структур, а також зростаючу кількість даних про відомі і вже класифіковані способи згортання протеїнів, що вносить важливий організаційний момент у розуміння цієї складної проблеми. Ми почнемо з обговорення деяких основних принципів структури протеїнів.