Конформація протеїнів значною мірою стабілізується за допомогою слабких взаємодій

Відносно структури протеїнів термін стабільність можна визначити як здатність підтримувати нативну конформацію. Нативні протеїни можна вважати стабільними лише досить умовно; за фізіолоґічних умов згорнену і незгорнену конформації типових протеїнів розділяє різниця в ΔG лише в межах від 20 до 65 кДж/моль. Теоретично будь-який поліпептидний ланцюг може мати незліченну кількість різних конформацій, внаслідок чого його незгорнений стан характеризується високим значенням конформаційної ентропії. Ця ентропія і велика кількість водневих зв'язків, що виникають між групами поліпептидного ланцюга та розчинником (водою), сприяють існуванню незгорненої конформації. Хімічні взаємодії, які протидіють цим впливам і стабілізують нативну конформацію, – це дисульфідні зв'язки і описані в розділі 2 слабкі (нековалентні) взаємодії, а саме водневі зв'язки, гідрофобні та іонні взаємодії. Визначальна роль слабких взаємодій особливо важлива для розуміння того, яким чином поліпептидний ланцюг згортається в специфічну вторинну і третинну структури, а також взаємодіє з іншими поліпептидами з утворенням четвертинної структури.

Для розриву одного ковалентного зв'язку необхідно витратити від 200 до 460 кДж/моль, тоді як для слабких взаємодій це значення складає від 4 до 30 кДж/моль. Певні ковалентні зв'язки, що беруть участь у підтриманні нативної конформації протеїнів (як, наприклад, дисульфідні зв'язки між окремими частинами поліпептидного ланцюга), набагато сильніші за окремі слабкі взаємодії. Але саме завдяки своїй чисельності слабкі взаємодій виступають основним стабілізуючим фактором структури протеїнів. Загалом конформація протеїну з найнижчою вільною енерґією (тобто найбільш стабільна) характеризується максимальною кількістю слабких взаємодій.

Стабільність протеїну - це не просто сума вільних енерґій системи, всередині якої існує багато слабких взаємодій. Кожна група, що утворює водневі зв'язки у згорненому поліпептидному ланцюзі, до згортання мала водневий зв'язок з водою, тобто, у разі утворення кожного водневого зв'язку в молекулі протеїну був розірваний водневий зв'язок (подібної міцності) між цією групою і молекулою води. Сумарна стабільність, привнесена даною слабкою взаємодією, або різниця між вільними енерґіями згорненого і незгорненого станів, може бути близькою до нуля. Отже, повинні існувати інші пояснення переваги нативної конформації протеїнів.

Ми встановили, що значення слабких взаємодій для стабільності протеїну можна зрозуміти, виходячи з властивостей води (Розділ 2). Чиста вода складається із мережі зв'язаних водневими зв'язками молекул води. Жодна інша молекула не здатна утворювати таку кількість водневих зв'язків, а поява будь-якої розчиненої у воді молекули речовини знижує цю її здатність. Якщо вода оточує гідрофобну молекулу, то внаслідок оптимального розташування водневих зв’язків навколо неї утворюється високоструктурована оболонка, або сольватний шар води. Зростання впорядкованності молекул води у шарі корелює із енергетично невигідним зменшенням ентропії води. Проте якщо неполярні групи молекул об'єднаються між собою, то об'єм сольватного шару зменшиться, оскільки кожна група не контактуватиме з розчином всією своєю поверхнею. Це призведе до збільшення загальної ентропії системи. Як було відзначено в розділі 2, така зміна ентропії виступає головною термодинамічною рушійною силою, що об'єднує між собою гідрофобні групи у водному розчині. Унаслідок цього гідрофобні бічні ланцюги амінокислот групуються всередині молекули протеїну, віддалік від молекул води.

У фізіологічних умовах такі ж ентропійні процеси значною мірою контролюють і утворення водневих зв'язків в протеїнах, і іонні взаємодії. Полярні групи, як правило, здатні утворювати водневі зв'язки з молекулами води і тому розчиняються у ній. Однак кількість водневих зв'язків на одиницю маси в чистій воді загалом вища, ніж у будь-якій рідині чи розчині, і навіть для найбільш полярних молекул існують межі розчинності, оскільки їх наявність веде до сумарного зменшення кількості водневих зв’язків на одиницю маси. Тому навколо полярних молекул також певною мірою утворюється сольватна оболонка структурованої води. Хоча енерґія утворення внутрішньомолекулярного водневого зв'язку чи іонної взаємодії між двома полярними групами у макромолекулі значною мірою і збалансовується руйнуванням таких взаємодій між цими групами та водою, але вивільнення структурованої води під час формування внутрішньомолекулярної взаємодії забезпечує ентропійну рушійну силу для згортання протеїнів. Тому значна зміна вільної енергії, яка спостерігається під час формування слабких взаємодій всередині молекули протеїну, відбувається внаслідок зростання ентропії у навколишньому водному розчині, що спричинено зануренням всередину гідрофобних поверхонь. Це набагато перевершує значне зниження конформаційної ентропії у випадку утворенні згорненої конформації поліпептиду.

Гідрофобні взаємодії відіграють важливу роль у стабілізації конформації протеїнів; здебільшого внутрішня частина молекули протеїну, тобто її осердя (або серцевина, англ. – core), складається із щільно упакованих гідрофобних бічних ланцюгів амінокислот. Важливо також, що кожна полярна або заряджена група всередині молекули протеїну має відповідного партнера для утворення водневих зв'язків чи іонних взаємодій. Внесок одного водневого зв'язку в стабілізацію нативної структури може бути досить незначним, проте наявність здатних до утворення водневого зв’язку чи заряджених груп без відповідних партнерів у гідрофобній серцевині протеїну може бути настільки дестабілізуючим фактором, що конформація з такими групами термодинамічно невигідна. Вигідна зміна вільної енергії внаслідок взаємодії такої групи з партнером у навколишньому розчині може перевищувати різницю у вільній енергії між згорненою і незгорненою конформаціями. Окрім того, водневі зв'язки між групами у протеїнах виникають кооперативно, утворення одного із них полегшує утворення інших. Загалом же внесок водневих зв'язків та інших нековалентних видів взаємодій в стабілізацію конформації протеїнів ще остаточно не з’ясовано. Взаємодія протилежно заряджених груп з утворенням іонних пар (соляних містків) може також мати стабілізуючий вплив на одну або кілька нативних конформації певних протеїнів.

Більшість структурних конформацій, що розглядаються у цьому розділі, грунтуються на двох простих правилах: (1) гідрофобні залишки здебільшого заховані всередині молекули протеїну та ізольовані від води, і (2) кількість водневих зв'язків в молекулі протеїну максимальна. Нерозчинні і мембранні протеїни (які ми розглянемо в розділі 11) підлягають дещо іншим правилам, що викликано відмінністю їхніх функцій чи оточення, проте слабкі взаємодії також відіграють критичну роль у формуванні їх структури.