Современная иерархия уровней структурной организации белковых молекул

В 1959 г. датчанин К. Линдерстрем-Ланг предложил различать четыре уровня структурной организации белков: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры, которые обозначают соответственно аминокислотную последовательность, упорядоченное строение основной цепи полипептида, трехмерную структуру белка и структуры белковых агрегатов (рис. 10; Эллиот В., Эллиот Д., 2000).

(б) Вторичная структура Отдельные участки полипептидной цепи существуют в виде α-спирали, β-складчатого листка или беспорядочного клубка

α-спираль β-складчатые листки беспорядочный клубок или петля

Вторичные структуры уложены в компактный глобулярный белок

Молекулу такого белка можно представить таким образом:

(г) Четвертичная структура Отдельные белковые молекулы, объединенные нековалентным взаимодействием в мультимерный белок

Рис. 10. Уровни структурной организации белка.

Эта классификация господствовала до начала 80-х гг. XX в., пока Г. Шульц и Р. Ширмер не предложили дополнить ее еще двумя уровнями организации: сверхвторичными структурами и доменами. В итоге сложилось представление о шести уровнях структурной организации белков с определенной иерархией, выраженной Г. Шульцем и Р. Ширмером в виде схемы.

Рис. 11. Современное представление о структурной организации белков

Как видно из схемы, в основе структурной организации белков лежит определенная генетически детерминированная аминокислотная последовательность полипептидной цепи, т. е. первичная структура, которая определяет все последующие более высокие уровни организации.

Первичная структура белка характеризует последовательность аминокислотных остатков полипептидной цепи, связанных ковалентными связями. Она закодирована в последовательности нуклеотидов информационной РНК, которая, в свою очередь, определяется генами. Первичная структура белка определяется: 1) природой входящих в молекулы аминокислот; 2) относительным количеством аминокислоты; 3) строго определенной аминокислотной последовательностью. В 1953 г. профессор Кембриджского университета Фред Сэнгер первым определил аминокислотную последовательность белка (инсулина) и был за это удостоен в 1958 г. Нобелевской премии.

Рис. 12. Первичная структура белка: А – аминокислотная цепочка;

Б – фрагмент первичной структуры молекулы инсулина.

Полипептидная цепь содержит на одном конце свободную аминокислоту (N–конец), на другом – карбоксильную группу (С–конец). За начало цепи принимается ее N–конец, именно отсюда начинается отсчет аминокислот. Это совпадает с направлением синтеза полипептидной цепи. Аминогруппа на N–конце полипептидной цепи может быть иногда ацетилированной, т. е. присоединившей остаток уксусной кислоты (СН3 – СО как например, в цитохроме С1. В ряде белков N–концевым является остаток пироглутаминовой кислоты, не содержащей свободной аминогруппы.

На С-конце встречается либо свободная карбоксильная группа, либо амидированная. Модификации С-конца более редки по сравнению с N-концевыми модификациями.

Основная связь первичной структуры белков – пептидная связь. Она образуется в результате реакции конденсации между аминогруппой одной свободной аминокислоты и карбоксильной группой другой или между аминогруппой свободной аминокислоты и карбоксильным концом полипептида (при этом выделяется вода). Полипептидная связь достаточно жестка, поэтому конформационная подвижность ее ограничена. Однако в каждом аминокислотном звене есть α-углеродный атом, который обуславливает присутствие в этом звене двух одинаковых связей; вокруг этих связей возможно вращение. Углы вращения одинаковых связей называются торсионными и обозначаются через и φ (С–Cα).

Полипептидная связь (ковалентная азот-углеродная связь) – основной вид связи, определяющий первичную структуру белка. Однако возможно и присутствие дисульфированных связей между двумя остатками цистеина в одной полипептидной цепи с образованием цистеина.

Первичная структура белка предопределяет следующие уровни организации белковой молекулы.

Вторичная структура белка – способ свертывания полипептидной цепи в упорядоченную структуру. Различают два основных типа вторичной структуры: 1) α-спираль и 2) β-конфигурацию (β-структуру). Чтобы упростить изображение белковых молекул, в биохимии используют условные обозначения вторичных структур (рис. 13; Эллиот В., Эллиот Д., 2004).

Рис. 13. Символы, применяемые для изображения участков α-спирали (а) и β-складчатых листков (б). Справа показано их правостороннее искривление, характерное для антипараллельных листков. Промежуточные петли и неупорядоченные участки цепи изображаются простой линией.

Термин "α-спираль" был введен в 1951 г. Л. Полингом, открывшим укладку полипептидной цепи в виде правосторонней спирали, в белке α-кератине. Форму α-спирали имеют большинство белков. По форме α–спираль напоминает прутик, в котором стебель – это основная цепь, а торчащие в разные стороны ветки – боковые цепи (R-группы). Для наглядности ее можно представить как правильную спираль, образованную на поверхности цилиндра. На каждый виток спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка. Это означает, что группа С==О одной пептидной связи образует водородную связь с группой N —H другой пептидной связи, отстоящей от первой на 4 аминокислотных остатка. И С==О, и N––H связи направлены параллельно оси спирали и попарно противостоят друг другу; такое расположение оптимально для образования водородной связи, следовательно, для стабилизации α-спирали. В поперечном сечении α-спираль выглядит диском, от которого наружу смотрят боковые цепи аминокислот (рис. 14; Рис Э., Стернберг М., 2002).

Рис. 14. Вторичная структура белка: А – правая α-спираль; Б – схематическое изображение α-спирали; В – вид с торца α-спирали; Г – антипараллельная β-структура; Д – параллельная β-структура; Е – детальное изображение β-слоя.

Вандерваальсовы радиусы атомов таковы, что внутри спирали нет пустого пространства; это обеспечивает устойчивость α-спирали. Боковые радикалы аминокислотных остатков не участвуют в поддержании α-спиральной конфигурации, поэтому все аминокислотные остатки в α-спирали однозначны.

Полипептидная цепь может так расположиться в пространстве, что отдельные ее участки будут сближены и параллельны друг другу. Между такими участками полипептидной цепи могут возникнуть водородные связи. Эта вторичная структура получила название βконфигурации или β-структуры. Внешне полипептидная цепь, имеющая β-конфигурацию, напоминает складчатый лист, т. е. сложенный гармошкой. Принцип организации β-структуры (β-скаладчатого слоя) предельно прост. Полипептидная цепь находится в растянутом состоянии, а ее С=О- и N––H-группы соединены водородными связями с такими же группами соседей параллельно ориентированных полипептидной цепи. Обе цепи могут быть независимыми или представлять фрагменты одной, общей для них цепи. Образующие β-структуру (складчатый слой) участки полипептидной цепи могут быть направлены в одном и том же или в противоположных направлениях: в первом случае складчатый слой называют параллельным, а во втором – антипараллельным. Антипараллельная β-структура, как правило, возникает, когда пептидная цепь поворачивает вспять, образуя так называемую шпильку. Место поворота называют β-изгибом. Наряду с водородными обе формы вторичной структуры обладают и другими связями (рис. 15; Маллер Г., Кордес Ю., 1970):

Рис. 15. Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру белков

1) электростатическими, которые возникают между двумя противоположно заряженными полярными группами, например, между отрицательно заряженными боковыми цепями аспарагиновой или глутаминовой кислот и положительно заряженными протонированными основаниями (боковые цепи аргинина, лизина, гистидина). Эти связи прочнее водородных;

2) гидрофобными, которые возникают между неполярными нерастворимыми в воде группами (СН2 —СН3-группы валина, лейцина, изолейцина, ароматическое кольцо фенилаланина). Эти радикалы сближаются в связи с их выталкиванием из воды.

Электростатические взаимодействия участвуют в стабилизации вторичной структуры, но в меньшей степени, чем водородные связи.

Вторичная структура белка определяется первичной. Аминокислотные остатки в разной степени способны к образованию водородных связей, это и влияет на образование α-спирали или β-слоя.

Таблица 10 – Способность аминокислот белков образовывать α- спираль или β-структуру

Классификация аминокислот по структурной организации

К спиралеобразующим аминокислотам относятся аланин, глутаминовая кислота, глутамин, лейцин, лизин, метионин и гистидин. Если фрагмент белка состоит главным образом из перечисленных выше аминокислотных остатков, то на данном участке сформируется α-спираль.

Валин, изолейцин, треонин, тирозин и фенилаланин способствуют образованию β-слоев полипептидной цепи. На участках полипептидной цепи, где сконцентрированы такие аминокислотные остатки, как глицин, серин, аспарагиновая кислота, аспарагин, пролин, возникают неупорядоченные структуры. Во многих белках одновременно имеются и α-спирали и β-конфигурации.

Особенности формирования сверхвторичной структуры белков

Сверхвторичная структура белков представляет собой энергетически предпочитаемые ансамбли вторичных структур, образованные путем взаимодействия α-спиральных и β-структурных участков белков. Этот уровень организации свойствен как фибриллярным, так и глобулярным белкам.

В фибриллярных белках две α-спирали могут быть скручены относительно друг друга, образуя левую суперспираль. Суперспирализация выгодна энергетически, так как между боковыми радикалам аминокислот, принадлежащих разным α-спиралям, образуются дополнительные нековалентные контакты (вандерваальсовы). Такие спирали найдены в α-кератине, тропомиозине и других белках, что, очевидно, придает им определенные функциональные свойства: прочность, эластичность, способность к сокращению.

В глобулярных белках чаще представлены сверхвторичные структуры, состоящие из двух параллельных β-слоев с сочленением между собой в различных вариантах. Они могут образовывать следующие структуры:

• структуры в виде неупорядоченного клубка (βсβ);
• α-спирали
• β-структуры рис. 16; Коничев А.С., Севастьянова Г.А., 2003).

Два последовательно соединенных участка βαβ называются укладкой цепи по Россману звено). Сверхвторичная структура в виде антипараллельной трехцепочечной β-структуры (βββ) называется β-зигзагом. Нередко характерные сверхвторичные структуры содержат в своем составе атомы металлов, что, повидимому, обеспечивает их дополнительную стабильность.

Рис. 16. Сверхвторичная структура белка: А – неупорядоченный клубок βсβ–звено; Б – два последовательно соединенных участка βαβ;

В – зигзаг (антипараллельная трехцепочная β–структРура.

Доменная структура белка. Сверхвторичные структуры определенного вида воспроизводятся во многих белках, образуя структурные блоки. Если белок содержит более 200 аминокислотных остатков, то в его структуре обычно обнаруживается несколько в той или иной степени независимо образованных компактных областей. Их обнаружение легло в основу представлений о модульном (доменном) принципе организации белков. Домены представляют собой структурно и функционально обособленные области (субобласти или модули) молекулы, обычно содержащие от 40 до 300 аминокислотных остатков и по своей структуре напоминающие отдельные небольшие белки. Домены часто соединяются между собой короткими участками полипептидной цепи, которые выполняют роль шарниров, обеспечивающих определенную подвижность участков молекул белка относительно друг друга.

Доменная структура часто ассоциируется с возможностью представить функциональную активность белка как совокупность отдельных элементарных процессов. Кроме того, структурно-функциональные исследования некоторых ферментов позволили выявить интересную особенность строения доменов – наличие в их составе субдоменов или структурных доменов, каждый из которых способен выполнять определенную каталитическую функцию. Активный центр доменов обычно располагается в углублении между структурными доменами, т. е. он расположен на границе структурных доменов. Сложной доменной структурой обладает фермент млекопитающих – синтаза высших жирных кислот, в составе двух из шести образующих ее доменов удалось идентифицировать также несколько субдоменов. Единственная полипептидная цепь фермента содержит все необходимое для катализа семи реакций, т. е. каждый из доменов или субдоменов катализирует определенную реакцию в серии химических превращений, приводящих к синтезу молекул пальмитиновой и стеариновой кислот (рис. 17; Коничев А.С., Севастьянова Г.А., 2003).

Рис. 17. Доменная структура белка: А – доменная структура иммуноглобулина G; Молекула иммуноглобулина G состоит из двух тяжелых (Н) и двух легких (L) цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Домены обозначены в виде кругов: СH и СL – константные домены тяжелых и легких цепей соответственно; VH и VL – вариабельные домены. Междоменные участки тяжелых цепей обладают определенной подвижностью: в области двух дисульфидных мостиков, соединяющих тяжелые цепи, расположен так называемый шарнирный участок, сообщающий подвижность участкам Fab ("лапкам") иммуноглобулина. Вариабельные домены образуют функциональный домен, необходимый для связывания антигена. Б – доменная структура эндонуклеазы. Домен I отвечает за протеолитическую активность, домен II – за нуклеазную активность.

Во всех глобулярных белках, состоящих из доменов, существует высокая степень сродства между близко расположенными по цепи аминокислотными остатками. На основании этого предполагают, что домены формируются независимо друг от друга, что упрощает процесс укладки макромолекул.

Идея модульной конструкции ферментов и других белков допускает частое появление и быструю эволюцию новых функциональных белков. Белки, образованные в результате ассоциации разных доменов из уже существующих молекул, могут обладать самыми разными новыми функциями. Такой механизм образования новых белков мог бы действовать куда быстрее, чем случайные точечные мутации.

Все домены можно подразделить на четыре класса или группы и α+β, в зависимости от взаимного расположения в цепи α-спиральных и β-структурных участков. α/α-Домены состоят в основном из α-спиралей, β-участки в них практически отсутствуют. В β/β-доменах имеется несколько β-цепей и нет (или почти нет) α-спиралей. В α/β-доменах α- и β-участки чередуются вдоль цепи. Часто β-участки образуют параллельный β-слой, окруженный α-спиралями. В α+βдоменах α- и β-участки обычно располагаются в разных сегментах полипептидной цепи.

Третичная структура белка – это способ расположения всех атомов одиночной цепи (рис. 18; Добрынина В.И., 1976). Чтобы белковая молекула приобрела присущие ей специфические свойства, полипептидная цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную структуру. Такая структура называется нативной – белок с исходной, природной укладкой полипептидной цепи. Несмотря на громадное число теоретически возможных для отдельной полипептидной цепи пространственных структур, сворачивание белка приводит к возникновению единственной нативной конфигурации. Третичная структура, также как и вторичная, обусловлена аминокислотной последовательностью полипептидной цепи, но если вторичная структура определяется взаимодействием аминокислот в ближайших участках цепи, то третичная структура зависит от аминокислотной последовательности далеко расположенных друг от друга участков цепи. Образование изгибов полипептидной цепи, а также направление и угол поворота цепи в этих изгибах обусловлены числом и положением определенных аминокислотных остатков, таких как пролин, треонин и серин, которые способствуют образованию изгибов спиральных участков белка. Третичную структуру белка стабилизируют связи и взаимодействия между радикалами аминокислотных остатков полипептидной цепи. Взаимодействия между боковыми радикалами аминокислотных остатков разделяют на сильные и слабые.

Рис. 18. Третичная структура белка: А – схематическое изображение молекулы миоглобина; Б

– направление полипептидной цепи.

К сильным относятся ковалентные связи между двумя атомами серы цистеиновых остатков, состоящих в разных участках полипептидной цепи. Иначе такие связи называются дисульфидными мостиками. Дисульфидный мостик образуется при окислении двух остатков цистеина, т. е. при отщеплении водорода от двух реакционноспособных сульфгидрильных групп – SH. Новый остаток носит название цистеин.

Слабые взаимодействия, возникающие между боковыми радикалами аминокислотных остатков разных участков полипептидной цепи, разделяются на полярные и неполярные. К полярным взаимодействиям относятся ионные водородные связи. Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно заряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, цистеина и отрицательно заряженной СООН–––группы аспарагиновой и глутаминовой кислот. Водородные связи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокислотных остатков. Неполярные и вандерваальсовы взаимодействия между углеводородами и радикалами аминокислотных остатков способствуют образованию гидрофобного ядра (жирной капли) внутри белковой глобулы, так как углеводородные радикалы стремятся избежать соприкосновения с водой. Чем больше в составе белка неполярных аминокислот, тем большую роль в формировании его третичной структуры играют вандерваальсовы связи. В результате множества сравнительно слабых связей все части пептидной цепи белка оказываются фиксированными относительно друг друга, образуя компактную структуру. Белки по форме делятся на две группы: 1) глобулярные, т. е. имеющие шаровидную форму и 2) фиборилярные (нитевидные), имеющие сильно вытянутую форму. Как правило, глобулярные белки выполняют динамические функции, а фибриллярные – структурные функции.

Третичная структура белка уникальна, как уникальна и его первичная структура. Только первичная пространственная укладка белка делает его активным. Различные нарушения третичной структуры приводят к изменениям свойств белка и потере биологической активности.

Четвертичная структура белка. Третичная структура завершает описание строения молекулы белка. Есть, однако, значительное число белков, молекулы которых представляют собой комплексы, образованные из нескольких белковых молекул, соединенных слабыми связями (водородные, электростатические, гидрофобные взаимодействия) и не связанными ковалентными (пептидная, дисульфидная). Такие комплексы называют олигомерными, мультимерными или субъединичными белками. Их состав и стехиометрия постоянны; это доказывает, что объединяющиеся белковые субъединицы (протомеры) "узнают" друг друга благодаря присутствию на их поверхности комплементарных по форме участков. Укладку субъединиц в функционально активном комплексе называют четвертичной структурой белка (рис. 19; Добрынина В.И., 1976). Участки субъединиц, на которых происходят взаимодействия, называют контактными площадками. Протомеры соединяются между собой нековалентными связями, располагающимися на контактной поверхности каждого из них. Так как эти связи слабые, между каждой парой протомеров образуются десятки связей. Процесс самосборки четвертичной структуры из протомеров отличается высокой специфичностью; контактные поверхности на одном протомере точно соответствуют контактным поверхностям другого протомера, так что при контакте разноименно заряженные ионные R-группы или R-группы, способные образовывать водородные связи или гидрофобные поверхности, совпадают. Такие контактные поверхности называют комплементарными, они подходят друг к другу как ключ к замку, поэтому ошибочное соединение протомеров в олигомерном белке или соединение с другими белками исключается. Комплементарные взаимодействия лежат в основе почти всех биохимических процессов в клетках, включая ферментативные реакции, процессы переноса соединений через мембраны, а также защитные функции белков. Четвертичной структурой обладают белки с молекулярной массой более 50 тыс. Да. Характерным свойством белков с четвертичной структурой является то, что отдельная субъединица не обладает биологической активностью. Четвертичная структура белка является такой же специфичной, уникальной характеристикой данного белка, как другие уровни структуры. Четвертичной структуре принадлежит важная роль в регуляции биологической активности белков, ибо она очень чувствительна к внешним условиям: небольшие их отклонения могут вызвать изменение расположения субъединиц и в связи с этим изменение биологической активности белка. Это явление представляет собой один из основных механизмов регуляции метаболизма, поскольку ферменты и некоторые другие метаболически активные белки имеют четвертичную структуру.

Рис. 19. Четвертичная структура белка: А, Б. – схематическое изображение строения молекулы гемоглобина.