Поширеним вторинним структурам властиві характерні значення кутів зв'язків та склад амінокислот

Головними повторюваними вторинними структурами у широкому різномаїтті протеїнів є α-спіралі і β-конформації, хоча в деяких спеціалізованих протеїнах існують і інші повторювані структури (наприклад, у колаґені; див. рис. 4-13). Кожний тип вторинної структури можна повністю описати за допомогою кутів зв’язку φ і ψ при кожному залишку. Як показує діаграма Рамачандрана, α-спіраль і β-конфформація попадають всередину відносно обмеженого діапазону стерично дозволених структур (рис. 4-9а). Більшість значень φ і ψ у структурах відомих протеїнів потрапляють в очікувані ділянки з високою концентрацією значень поблизу α-спіралі та β-конформації, як і передбачалось (Рис. 4-9б). Лише амінокислотний залишок ґліцину часто опиняється в конформації поза цими ділянками. Оскільки його бічний ланцюг невеликий (містить лише один атом водню), то залишок Gly може входити до складу численних конформацій, які із стеричної точки зору неможливі для інших амінокислот.

Окремі амінокислоти більше придатні для утворення певних типів вторинних структур, ніж інші. Загальні дані щодо цього наведено на Рис. 4-10. Деякі особливості, як, наприклад, підвищений вміст Pro і Gly у β-поворотах та їх відсутність в α-спіралях, легко пояснюються відомими обмеженнями, що існують відносно різних вторинних структур. Інші можна пояснити, виходячи з розмірів чи зарядів бічних ланцюгів, проте наразі не всі характеристики, наведені на Рис. 4-10, повністю зрозумілі.

Підсумок 4.2 Вторинна структура протеїнів

■ Вторинна структура протеїнів – це регулярне розташування амінокислотних залишків у сеґменті поліпептидного ланцюга, за якого кожен залишок однаковим способом зв'язаний зі своїми сусідами

■ Найпоширенішими типами вторинної структури є α-спіраль, β конформація та β-повороти.

■ Вторинну структуру поліпептидного сегмента можна повністю визначити, якщо відомі кути φ і ψ для всіх його амінокислотних залишків.

4.3 Третинна і четвертинна структури протеїнів

 Архітектура протеїнів - вступ до третинної структури. Розташування всіх атомів молекули протеїну у тривимірному просторі називають третинною структурою. Якщо термін “вторинна структура” стосується просторового розміщення сусідніх амінокислотних залишків у первинній структурі, то третинна структура охоплює аспекти взаємодії між віддаленими амінокислотами. Такі амінокислоти розташовані в різних типах вторинних структур і можуть взаємодіяти між собою всередині повністю згорненої структури протеїну. Положення згинів (у тому числі і β-поворотів) у поліпептидному ланцюзі, їх напрямок та кут визначаються кількістю і розташуванням специфічних залишків, здатних утворювати згини, таких як Pro, Thr, Ser і Gly. Сеґменти поліпептидних ланцюгів, які взаємодіють між собою, утримуються в характерній третинній структурі завдяки різним типам слабких взаємодій (а іноді й ковалентними зв'язками, наприклад, дисульфідними).

Деякі протеїни складаються із двох чи більше окремих поліпептидних ланцюгів, або субодиниць, які можуть бути однаковими, або різними. Розташування таких субодиниць у тривимірних комплексах називають четвертинною структурую протеїну.

З урахуванням цих вищих рівнів структури протеїни можна розділити на дві великі групи: фібрилярні протеїни, в яких поліпептидні ланцюги впорядковані в довгі нитки чи складки, і ґлобулярні протеїни, в яких поліпептидні ланцюги згорнені у вигляді сфери або ґлобули. Ці дві групи структурно відмінні: для фібрилярних протеїнів характерний переважно один тип вторинної структури, в той час як ґлобулярні протеїни часто містять кілька її типів. Дані групи протеїнів відрізняються також функціонально: підтримання структури, форми і зовнішній захист хребетних організмів забезпечують фібрилярні протеїни, тоді як більшість ензимів і реґуляторних протеїнів належать до ґлобулярних протеїнів. Окремі фібрилярні протеїни відіграли важливу роль у вивченні структури протеїнів загалом і є яскравим прикладом взаємозв’язку між структурою та функцією цих сполук. Перш ніж перейти до більш складних видів згортання, які спостерігаються в групі ґлобулярних протеїнів, ми розпочнемо наше обговорення з розгляду фібрилярних протеїнів.

Фібрилярні протеїни пристосовані до виконання структурних функцій

 Архітектура протеїнів - третинна структура фібрилярних протеїнів.

Колаґен, α-кератин і фіброїн шовку – це наглядні приклади взаємозв’язку між структурою та біологічною функцією протеїнів (Табл. 4-1). Фібрилярні протеїни надають міцності і/або гнучкості структурам, до складу яких вони входять. Основною структурною одиницею цих протеїнів є повторюваний простий елемент вторинної структури. Всі фібрилярні протеїни нерозчинні у воді, що зумовлено наявністю значної кількості залишків гідрофобних амінокислот як всередині молекули, так і на її поверхні. Такі гідрофобні поверхні виникають переважно внаслідок упаковки разом багатьох подібних поліпептидних ланцюгів з утворенням складних надмолекулярних комплексів. Проста структура фібрилярних протеїнів робить їх особливо зручними для ілюстрації деяких наведених нижче основних закономірностей структури протеїнів загалом.

α-Кератин. У процесі еволюції α-кератинів відбувалося підвищення їхньої міцності. У ссавців із цих протеїнів складається практично вся маса сухої речовини волосся, шерсті, нігтів, кігтів, пір’я, рогів, копит, а також основна маса зовнішнього шару шкіри. α-Кератини входять до складу великої родини протеїнів, названих протеїнами проміжних філаментів (ПФ). Інші протеїни цієї родини знайдено в цитоскелетах тваринних клітин. Всім ПФ-протеїнам властиві ті ж функції і структурні особливості, що і α-кератинам..

Як і для багатьох інших протеїнів, для вторинної структури α-кератинів характерна правозакручена α-спіраль. Френсіс Крік і Лайнус Полінґ на початку 1950-х років незалежно один від одного висловили припущення, що α-спіралі кератину упорядковані у вигляді скрученої спіралі. Дві паралельно орієнтовані (амінокінці перебувають на одній стороні) нитки α-кератину закручуються одна навколо іншої, утворюючи надспіраль (або суперспіраль). Це посилює міцність всієї структури, точно так само, як скручують нитки при виготовлені міцного каната (Рис 4-11). Скручування осі α-спіралі до форми скрученої спіралі пояснює відмінність між розміром повторюваної структурної одиниці, що складає 5,4 Å на виток, передбаченим Полінґом і Корі для α-спіралі, і величиною 5,15-5,2 Å, виявленою на дифракційних картинах при аналізі волосся. Спіральна частина надспіралі закручена вліво, тобто в напрямку, протилежному до закручування α-спіралі. Поверхні, котрими дві α-спіралі дотикаються між собою, утворені залишками гідрофобних амінокислот, а їхні R-групи з'єднані разом з періодичою послідовністю. Це призводить до щільної упаковки поліпептидних ланцюгів всередині лівозакрученої надспіралі. Тож не дивно, що α-кератин багатий на гідрофобні залишки Ala, Val, Leu, Ile, Met і Phe.

Кожен окремий поліпептид у скрученій спіралі α-кератину має відносно просту третинну структуру, в якій переважає α-спіральна вторинна структура із віссю, закрученою в лівосторонню надспіраль. Скручування двох α-спіральних поліпептидів є прикладом формування четвертиної структури. Скручені спіралі такого типу - поширений структурний елемент у фібрилярних протеїнах і протеїні м'язів міозині (див. Рис. 5-29). Четвертинна структура α-кератину може бути досить складною. Багато скручених спіралей можуть об'єднуватися у великі надмолекулярні комплекси подібно до того, як це відбувається у випадку формування проміжних філаментів α-кератином волосся (Рис. 4-11б).

Міцність фібрилярних протеїнів підвищується завдяки ковалентним поперечним зв’язкам, що виникають між поліпептидними ланцюгами як всередині багатоспіральних “канатів”, так і між сусідніми ланцюгами в надмолекулярній структурі. Четвертинну структуру α-кератинів стабілізують поперечні дисульфідні зв'язки (Додаток 4-2). У найтвердіших і найміцніших кератинах, таких як ріг носорога, до 18% амінокислотних залишків складає з’єднаний дисульфідними зв'язками цистеїн.

_______________________________________________________________________________