Мотиви лежать в основі структурної класифікації протеїнів

 Архітектура протеїнів - третинна структура великих ґлобулярних протеїнів, ІV. Структурна класифікація протеїнів.

Наведене вище свідчить, що складність третинної структури протеїнів зменшується, якщо розглядати їхні субструктури. Розвиваючи цю ідею, дослідники розташували весь вміст баз даних відповідно до ієрархічних рівнів структури протеїнів. База даних “Структурна класифікація протеїнів” (SCOP, з анг. - the structural classification of proteins) – це добрий приклад такого підходу в біохімії. Для найвищого рівня класифікації база даних SCOP використовує вже загальновживану схему, в якій структури протеїнів розділено на чотири класи: всі α, всі β, α/β (сеґменти α і β розташовані впереміжку, або чергуються) і α + β (сегменти α і β розділені) (Рис. 4-22). Кожен клас охоплює від десятків до сотень різних способів згортання, які розташовують по мірі зростання кількості досліджуваних субструктур. Деякі способи впорядкування субструктур дуже поширені, інші зустрічаються лише в одному протеїні. На рис. 4-22 зображено розмаїття мотивів, характерних для чотирьох класів структури протеїна. Вони ілюструють лише незначну частину з сотень відомих мотивів. Але число можливих способів згортання протеїнів не безмежне. Хоча швидкість, з якою розшифровують структури нових протеїнів, постійно зростає, однак частка структур, що містять новий мотив, зменшується. Досі в усіх протеїнах знайдено менш ніж 1000 різних мотивів. На рис. 4-22 також показано, якою може бути структура протеїнів у випадку наявності різних мотивів. Два найвищі рівні організації, клас і згортка, грунтуються тільки на особливостях структури. На нижчому рівні класифікація протеїнів провадиться на основі еволюційної спорідненості.

Зараз відомо багато прикладів структур доменів або мотивів, що повторюються; це свідчить про те, що третинна структура білків консервативніша, ніж первинна. Отже, порівняння структур протеїнів може надати багато інформації щодо еволюційних закономірностей. Протеїни зі значною подібністю амінокислотних послідовностей і/або явною подібністю структури та функцій належать до однієї родини протеїнів. Всередині родини звичайно можна прослідкувати чіткі еволюційні зв’язки. Наприклад, родина ґлобінів включає багато різних протеїнів, які за структурою і амінокислотною послідовністю подібні до міоґлобіну (як це видно на прикладі протеїнів, наведених у Додатку 4-4 та наступному розділі). Дві або більше родини з незначною подібністю первинної послідовності іноді містять однаковий більший структурний мотив і виявляють функціональну подібність; такі родини згруповують у надродини. Еволюційна спорідненість між родинами в надродинах вважається ймовірною, навіть коли час і функціональні відмінності - як наслідок різних адапційних тисків - могли згладити багато споріднених послідовностей. Певна родина протеїнів може бути поширена в усіх трьох царствах клітинних організмів - Бактерій, Археа і Еукаріотів, це свідчить про її дуже давнє походження. Інші родини можуть існувати лише в малих групах орґанізмів, це вказує на відносно недавнє виникнення такої структури. Простежування природної історії структурних мотивів з використанням класифікації структур в базах даних типу SCOP є важливим доповненням до аналізу послідовностей при встановленні багатьох еволюційних зв’язків.

База даних SCOP заповнюється вручну, протеїни відносять до відповідних еволюційних груп на підставі наявності консервативних структурних особливостей. Дві подібні бази, САТН (з анг. - class, architecture, topology and homologous superfamily, тобто клас, архітектура, топологія і гомологічна надродина) і FSSP (з анг. - fold classification based on strusture-structure alighnment of proteins, тобто, класифікація згорток, що ґрунтується на вирівнюванні структур протеїнів) використовують більш автоматизовані методи і можуть надавати додаткову інформацію.

Структурні мотиви набувають особливої важливості у разі визначення родин та надродин протеїнів. Розвиток систем класифікації і порівняння протеїнів веде до встановлення нових функціональних спорідненостей між ними. Враховуючи центральну роль протеїнів у живих системах, такі структурні порівняння можуть бути корисними для вирішення багатьох біохімічних проблем, від еволюції окремих протеїнів до еволюційної історії цілих метаболічних шляхів.

Четвертинна структура протеїнів: від простих димерів до великих комплексів

 Архітектура протеїнів - четвертинна структура. Багато протеїнів складаються з численних поліпептидних субодиниць. Асоціації поліпептидних ланцюгів можуть виконувати різні функції. Значна кількість мультисубодиничних протеїнів виконує реґуляторну роль; зв'язування малих молекул може впливати на взаємодію між субодиницями, призводячи до суттєвих змін активності протеїну внаслідок навіть незначних змін концентрації субстрату чи реґуляторних молекул (Розділ 6). В інших випадках окремі субодиниці можуть виконувати відмінні, але споріднені функції, такі як каталіз і реґуляція. Окремі асоціати, як, наприклад, розглянуті вище фібрилярні протеїни чи протеїни оболонки вірусів, виконують структурні функції. Деякі дуже великі об'єднання протеїнів служать місцем здійснення складних багатостадійних реакцій. Як приклад можна навести рибосому - місце синтезу протеїнів, яка складається з десятків протеїнових субодиниць і кількох структурних молекул РНК.

Мультисубодиничні протеїни часто називають мультимерами. Вони можуть об’єднувати від двох до сотень субодиниць. Мультимер з кількох субодиниць часто називають оліґомером. Якщо мультимер складається з декількох неоднакових субодиниць, то його загальна структура може бути асиметричною і досить складною. Однак більшість мультимерів містить однакові субодиниці, або повторювані групи неоднакових субодиниць, зазвичай розміщених симетрично. Як було відзначено в розділі 3, повторювана структурна одиниця в таких мультимерних протеїнах, будь то одна субодиниця чи група субодиниць, називається протомером.

Першим оліґомерним протеїном, тривимірну структуру якого вдалося розшифрувати, був гемоґлобін (М_r 64 500); він складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів і чотирьох простетичних гемових груп, в яких атоми заліза перебувають у ферро(Fe²⁺)-формі (Рис. 4-17). Протеїнова частина, яка називається ґлобіном, складається з двох α-ланцюгів (по 141 амінокислотному залишку у кожному) і двох β-ланцюгів (по 146 амінокислотних залишки). Зауважимо, що в цьому випадку позначення α і β не відносяться до елементів вторинної структури. Оскільки гемоґлобін у чотири рази більший від міоґлобіну, то для визначення його тривимірної структури за допомогою рентгеноструктурного аналізу потрібно було набагато більше часу й зусиль. Такі дослідження були завершені у 1959 р. Максом Перутцом, Джоном Кендрю та їхніми колеґами. Було встановлено, що субодиниці гемоґлобіну розташовані симетричними парами (Рис 4-23), кожна з яких має одну α- і одну β-субодиниці. Тому гемоґлобін може бути зображений або як тетрамер, або як димер αβ-протомерів.

Ідентичні субодиниці мультимерних протеїнів звичайно розташовуються у вигляді однієї чи декількох симетричних конфігурацій. Для опису структури таких протеїнів необхідно визначити поняття симетрії. Оліґомери можуть мати обертову (ротаційну) симетрію, або спіральну симетрію, тобто окремі субодиниці можуть накладатися на інші (суміщатися) внаслідок обертання навколо однієї або декількох осей, чи внаслідок обертання по спіралі. У протеїнах із обертовою симетрією субодиниці упаковані навколо осей обертання у формі закритих структур. Протеїнам зі спіральною симетрією властива тенденція утворювати структури з відкритими кінцями, до яких по спіралі додаються субодиниці.

Існує кілька форм обертової симетрії. Найпростіша з них циклічна симетрія, коли обертання відбувається навколо однієї осі (Рис. 4-24а). Якщо субодиниці можуть накладатися одна на одну шляхом обертання навколо однієї осі, то протеїн належить до класу симетрії С_n (С– з анг. сyclic, тобто циклічний; n- число об’єднаних віссю субодиниць). Сама вісь називається віссю обертання n-го порядку. αβ-Протомери гемоґлобіну (Рис. 4-23) відносяться до класу симетрії С₂. Дещо складніший тип обертової симетрії – діедрична симетрія, в котрій вісь обертання другого порядку перетинає вісь n-го порядку під прямими кутами. Така симетрія позначається D_n (Рис. 4-24б). Протеїн з діедричною симетрією має 2n протомерів.

Протеїни з циклічною або діедричною типами симетрії дуже поширені. Можливе існування також і складніших видів обертової симетрії, але лише декілька з них зустрічаються в протеїнах. Один з таких прикладів - ікосаедрична симетрія. Ікосаедр – правильний многогранник з 12 кутами і 20 рівносторонніми трикутними гранями (Рис. 4-24в). Кожна грань може бути суміщена з іншою шляхом обертання навколо однієї чи більше із трьох осей обертання. Таку структуру, як правило, має оболонка віруса, або капсида. Ікосаедрична капсида характерна і для поліовіруса людини (Рис. 4-25а). Кожна трикутна грань складається з трьох протомерів, а кожен протомер містить одну з копій чотирьох різних поліпептидних ланцюгів, три з яких виступають на поверхню. 60 протомерів утворюють 20 граней ікосаедричної оболонки, що оточує ґенетичний матеріал (РНК).

Для капсид характерний і інший тип симетрії оліґомерів – спіральна симетрія. Вірус тютюнової мозаїки складається з 2130 ідентичних субодиниць, що утворюють правозакручений спіральний філамент (Рис. 4-25б). Ця циліндрична структура оточує вірусну РНК. Протеїни із спірально впорядкованими субодиницями можуть також утворювати довгі фібрилярні структури, наприклад, філаменти актину м'язів (Рис 5-30).

Існують обмеження розміру протеїнів

Відносно великі розміри молекул протеїнів пов'язані з особливостями їх функціонування. Наприклад, ензим повинен мати стабільну структуру з «кишенею», достатньо великою для зв'язування субстрату і каталізу відповідної реакції. Проте розмір протеїну має певні межі, зумовлені двома факторами – ґенетичною кодуючою здатністю нуклеїнових кислот і точністю процесу біосинтезу протеїнів. Віруси використовують багато копій одного або кількох протеїнів для утворення великої замкненої структури (капсиди), така стратегія важлива для їхнього виживання, оскільки спрямована на збереження генетичного матеріалу. Пригадайте, що існує пряма залежність між послідовністю ґена в нуклеїновій кислоті і амінокислотною послідовністю кодованого ним протеїна (див. Рис. 1-31). Нуклеїнові кислоти віруса надто малі для кодування інформації, необхідної для утворення протеїнової оболонки із одного поліпептида. У той же час у разі використання багатьох копій невеликих поліпептидів необхідна набагато коротша нуклеїнова кислота для кодування капсидних субодиниць, окрім того, вона може ефективно функціонувати багато разів. Великі комплекси поліпептидів функціонують також у клітинах м'язів, війок, цитоскелета та інших структур, і клітинам ефективніше синтезувати багато копій малого, ніж одну копію дуже великого поліпептида. Фактично більшість протеїнів з молекулярною вагою вище 100 000 складаються з численних однакових, або різних, субодиниць.

Другий фактор, що обмежує розмір протеїнів, - це частота помилок у процесі їх біосинтезу. Вона досить невелика (приблизно 1 на 10000 амінокислотних залишків), але навіть ця величина призводить до високої ймовірності синтезу дефектного протеїну, якщо він має надто великий розмір. Простіше кажучи, ймовірність включення "неправильної" амінокислоти у молекулу великого протеїну набагато вища, ніж у молекулу малого протеїну.

Підсумок 4.3 Третинна і четвертинна структури протеїнів

-Третинна структура - це повна тривимірна структура поліпептидного ланцюга. На основі третинної структури виділяють два класи протеїнів: фібрилярні та ґлобулярні.

-Фібрилярні протеїни виконують в основному структурні функції і складаються з простих повторюваних елементів вторинної структури.

-Ґлобулярним протеїнам властива складніша третинна структура, в одному поліпептидному ланцюзі вони часто містять декілька типів вторинних структур. Першим ґлобулярним протеїном, структура якого була визначена за допомогою метода дифракції рентґенівських променів, був міоґлобін .

-Складні структури ґлобулярних протеїнів вивчають шляхом оцінки їхніх стабільних субструктур, які називають надвторинними структурами, а саме мотивів або згорток. Тисячі відомих структур протеїнів здебільшого складаються з набору лише кількох сотень мотивів. Ті ділянки поліпептидного ланцюга, які здатні згортатися незалежно від інших ділянок, називають доменами.

-Четвертинна структура виникає внаслідок взаємодії між субодиницями мультисубодиничних (мультимерних) протеїнів або великих протеїнових ансамблів. Деякі мультимерні протеїни містять повторювані одиниці, що складаються з однієї субодиниці, або їх груп, названих протомером. Протомери у молекулі протеїна зазвичай об’єднуються за допомогою обертової або спіральної симетрії.