Сучасна ієрархія рівнів структурної організації білкових молекул

У 1959 р. данець К. Ліндерстрем-Ланг запропонував розрізняти чотири рівні структурної організації білків: первинну, вторинну, третинну і четвертинну структури, які позначають відповідно амінокислотну послідовність, упорядковану будову основного ланцюга поліпептиду, тривимірну структуру білка і структури білкових агрегатів (рис. 10; Елліот В., Елліот Д., 2000).

(б) Вторинна структура Окремі ділянки поліпептидного ланцюга існують у вигляді α-спіралі, β-складчастого листка або безладного клубка

α-спіраль β-складчасті листки безладний клубок або петля

Вторинні структури укладені в компактний глобулярний білок

Молекулу такого білка можна представити таким чином:

(г) Четвертинна структура Окремі білкові молекули, об'єднані нековалентною взаємодією в мультимерний білок

Рис. 10. Рівні структурної організації білка.

Ця класифікація панувала до початку 80-х рр. XX ст., поки Г. Шульц і Р. Шірмер не запропонували доповнити її ще двома рівнями організації: надвторинними структурами і доменами. У результаті склалося уявлення про шість рівнів структурної організації білків з певною ієрархією, вираженою Г. Шульцем і Р. Шірмером у вигляді схеми.

Рис. 11. Сучасне уявлення про структурну організацію білків

Як видно зі схеми, в основі структурної організації білків лежить певна генетично детермінована амінокислотна послідовність поліпептидного ланцюга, тобто первинна структура, яка визначає всі наступні більш високі рівні організації.

Первинна структура білка характеризує послідовність амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга, пов'язаних ковалентними зв'язками. Вона закодована в послідовності нуклеотидів інформаційної РНК, яка, своєю чергою, визначається генами. Первинна структура білка визначається: 1) природою амінокислот, що входять у молекули; 2) відносною кількістю амінокислот; 3) суворо визначеною амінокислотною послідовністю. У 1953 р. професор Кембриджського університету Фред Сенгер першим визначив амінокислотну послідовність білка (інсуліну) і був за це удостоєний у 1958 р. Нобелівської премії.

Рис. 12. Первинна структура білка: А – амінокислотний ланцюжок;

Б – фрагмент первинної структури молекули інсуліну.

Поліпептидний ланцюг містить на одному кінці вільну аміногрупу (N-кінець), на іншому – карбоксильну групу (С-кінець). За початок ланцюга приймається його N-кінець, саме звідси починається відлік амінокислот. Це збігається з напрямком синтезу поліпептидного ланцюга. Аміногрупа на N-кінці поліпептидного ланцюга може бути іноді ацетильованою, тобто такою, що приєднала залишок оцтової кислоти (СН3 – СО), як, наприклад, у цитохромі С1. У низці білків N-кінцевим є залишок піроглутамінової кислоти, що не містить вільної аміногрупи.

На С-кінці зустрічається або вільна карбоксильна група, або амідна. Модифікації С-кінця більш рідкісні порівняно з N-кінцевими модифікаціями.

Основний зв'язок первинної структури білків – пептидний зв'язок. Він утворюється в результаті реакції конденсації між аміногрупою однієї вільної амінокислоти і карбоксильною групою іншої або між аміногрупою вільної амінокислоти і карбоксильним кінцем поліпептиду (при цьому виділяється вода). Поліпептидний зв'язок досить жорсткий, тому конформаційна рухливість його обмежена. Однак у кожній амінокислотній ланці є α-вуглецевий атом, який зумовлює присутність у цій ланці двох однакових зв'язків; навколо цих зв'язків можливе обертання. Кути обертання однакових зв'язків називаються торсійними і позначаються через ψ і φ (С–Cα).

Поліпептидний зв'язок (ковалентний азот-вуглецевий зв'язок) – основний вид зв'язку, що визначає первинну структуру білка. Однак можлива і присутність дисульфідних зв'язків між двома залишками цистеїну в одному поліпептидному ланцюзі з утворенням цистину.

Первинна структура білка зумовлює наступні рівні організації білкової молекули.

Вторинна структура білка – спосіб згортання поліпептидного ланцюга в упорядковану структуру. Розрізняють два основні типи вторинної структури: 1) α-спіраль і 2) β-конфігурацію (β-структуру). Щоб спростити зображення білкових молекул, у біохімії використовують умовні позначення вторинних структур (рис. 13; Елліот В., Елліот Д., 2004).

Рис. 13. Символи, що застосовуються для зображення ділянок α-спіралі (а) і β-складчастих листків (б). Праворуч показано їх правостороннє викривлення, характерне для антипаралельних листків. Проміжні петлі і невпорядковані ділянки ланцюга зображуються простою лінією.

Термін "α-спіраль" був введений у 1951 р. Л. Полінгом, який відкрив укладання поліпептидного ланцюга у вигляді правосторонньої спіралі, у білку α-кератині. Форму α-спіралі мають більшість білків. За формою α-спіраль нагадує прутик, у якому стебло – це основний ланцюг, а гілки, що стирчать у різні боки, – бічні ланцюги (R-групи). Для наочності її можна представити як правильну спіраль, утворену на поверхні циліндра. На кожен виток спіралі припадає 3,6 амінокислотного залишку. Це означає, що група С==О одного пептидного зв'язку утворює водневий зв'язок із групою N—H іншого пептидного зв'язку, що стоїть від першого на 4 амінокислотні залишки. І С==О, і N––H зв'язки спрямовані паралельно осі спіралі і попарно протистоять один одному; таке розташування оптимальне для утворення водневого зв'язку, отже, для стабілізації α-спіралі. У поперечному перерізі α-спіраль виглядає диском, від якого назовні дивляться бічні ланцюги амінокислот (рис. 14; Ріс Е., Стернберг М., 2002).

Рис. 14. Вторинна структура білка: А – права α-спіраль; Б – схематичне зображення α-спіралі; В – вигляд з торця α-спіралі; Г – антипаралельна β-структура; Д – паралельна β-структура; Е – детальне зображення β-шару.

Вандерваальсові радіуси атомів такі, що всередині спіралі немає порожнього простору; це забезпечує стійкість α-спіралі. Бічні радикали амінокислотних залишків не беруть участі у підтримці α-спіральної конфігурації, тому всі амінокислотні залишки в α-спіралі однозначні.

Поліпептидний ланцюг може так розташуватися у просторі, що окремі його ділянки будуть зближені та паралельні одна одній. Між такими ділянками поліпептидного ланцюга можуть виникнути водневі зв'язки. Ця вторинна структура отримала назву β-конфігурації або β-структури. Зовні поліпептидний ланцюг, що має β-конфігурацію, нагадує складчастий листок, тобто складений гармошкою. Принцип організації β-структури (β-складчастого шару) гранично простий. Поліпептидний ланцюг перебуває у розтягнутому стані, а його С=О- та N–H-групи з'єднані водневими зв'язками з такими ж групами сусідніх паралельно орієнтованих поліпептидних ланцюгів. Обидва ланцюги можуть бути незалежними або представляти фрагменти одного, спільного для них ланцюга. Ділянки поліпептидного ланцюга, що утворюють β-структуру (складчастий шар), можуть бути спрямовані в одному й тому самому або у протилежних напрямках: у першому випадку складчастий шар називають паралельним, а в другому – антипаралельним. Антипаралельна β-структура, як правило, виникає, коли пептидний ланцюг повертає назад, утворюючи так звану шпильку. Місце повороту називають β-вигином. Поряд із водневими обидві форми вторинної структури мають і інші зв'язки (рис. 15; Маллер Г., Кордес Ю., 1970):

Рис. 15. Зв'язки, що стабілізують вторинну і третинну структуру білків

1) електростатичними, які виникають між двома протилежно зарядженими полярними групами, наприклад, між негативно зарядженими бічними ланцюгами аспарагінової або глутамінової кислот і позитивно зарядженими протонованими основами (бічні ланцюги аргініну, лізину, гістидину). Ці зв'язки міцніші за водневі;

2) гідрофобними, які виникають між неполярними нерозчинними у воді групами (СН2—СН3-групи валіну, лейцину, ізолейцину, ароматичне кільце фенілаланіну). Ці радикали зближуються через їх виштовхування з води.

Електростатичні взаємодії беруть участь у стабілізації вторинної структури, але меншою мірою, ніж водневі зв'язки.

Вторинна структура білка визначається первинною. Амінокислотні залишки різною мірою здатні до утворення водневих зв'язків, це і впливає на утворення α-спіралі або β-шару.

Таблиця 10 – Здатність амінокислот білків утворювати α-спіраль або β-структуру

Класифікація амінокислот за структурною організацією

До спіралеутворювальних амінокислот належать аланін, глутамінова кислота, глутамін, лейцин, лізин, метіонін і гістидин. Якщо фрагмент білка складається головним чином із перелічених вище амінокислотних залишків, то на цій ділянці сформується α-спіраль.

Валін, ізолейцин, треонін, тирозин і фенілаланін сприяють утворенню β-шарів поліпептидного ланцюга. На ділянках поліпептидного ланцюга, де сконцентровані такі амінокислотні залишки, як гліцин, серин, аспарагінова кислота, аспарагін, пролін, виникають невпорядковані структури. У багатьох білках одночасно наявні і α-спіралі, і β-конфігурації.

Особливості формування сверхвторинної структури білків

Сверхвторинна структура білків являє собою енергетично кращі ансамблі вторинних структур, утворені шляхом взаємодії α-спіральних і β-структурних ділянок білків. Цей рівень організації властивий як фібрилярним, так і глобулярним білкам.

У фібрилярних білках дві α-спіралі можуть бути скручені відносно одна одної, утворюючи ліву суперспіраль. Суперспіралізація вигідна енергетично, оскільки між бічними радикалами амінокислот, що належать різним α-спіралям, утворюються додаткові нековалентні контакти (вандерваальсові). Такі спіралі знайдені в α-кератині, тропоміозині та інших білках, що, очевидно, надає їм певних функціональних властивостей: міцності, еластичності, здатності до скорочення.

У глобулярних білках частіше представлені сверхвторинні структури, що складаються з двох паралельних β-шарів зі зчленуванням між собою у різних варіантах. Вони можуть утворювати такі структури:

• структури у вигляді невпорядкованого клубка (βсβ);
• α-спіралі
• β-структури рис. 16; Коничев А.С., Севастьянова Г.А., 2003).

Два послідовно з'єднані ділянки βαβ називаються укладкою ланцюга за Россманом (ланка). Надвторинна структура у вигляді антипаралельної триланцюгової β-структури (βββ) називається β-зигзагом. Нерідко характерні надвторинні структури містять у своєму складі атоми металів, що, мабуть, забезпечує їх додаткову стабільність.

Рис. 16. Надвторинна структура білка: А – невпорядкований клубок βсβ–ланка; Б – два послідовно з'єднані ділянки βαβ;

В – зигзаг (антипаралельна триланцюгова β-структура).

Доменна структура білка. Надвторинні структури певного виду відтворюються в багатьох білках, утворюючи структурні блоки. Якщо білок містить понад 200 амінокислотних залишків, то в його структурі зазвичай виявляється кілька тією чи іншою мірою незалежно утворених компактних областей. Їх виявлення лягло в основу уявлень про модульний (доменний) принцип організації білків. Домени являють собою структурно і функціонально відокремлені області (субобласті або модулі) молекули, які зазвичай містять від 40 до 300 амінокислотних залишків і за своєю структурою нагадують окремі невеликі білки. Домени часто з'єднуються між собою короткими ділянками поліпептидного ланцюга, які виконують роль шарнірів, що забезпечують певну рухливість ділянок молекул білка відносно одна одної.

Доменна структура часто асоціюється з можливістю представити функціональну активність білка як сукупність окремих елементарних процесів. Крім того, структурно-функціональні дослідження деяких ферментів дозволили виявити цікаву особливість будови доменів – наявність у їхньому складі субдоменів або структурних доменів, кожен з яких здатний виконувати певну каталітичну функцію. Активний центр доменів зазвичай розташовується в заглибленні між структурними доменами, тобто він розташований на межі структурних доменів. Складною доменною структурою володіє фермент ссавців – синтаза вищих жирних кислот, у складі двох із шести утворюючих її доменів вдалося ідентифікувати також кілька субдоменів. Єдиний поліпептидний ланцюг ферменту містить усе необхідне для каталізу семи реакцій, тобто кожен із доменів або субдоменів каталізує певну реакцію в серії хімічних перетворень, що призводять до синтезу молекул пальмітинової та стеаринової кислот (рис. 17; Коничев А.С., Севастьянова Г.А., 2003).

Рис. 17. Доменна структура білка: А – доменна структура імуноглобуліну G; Молекула імуноглобуліну G складається з двох важких (Н) і двох легких (L) ланцюгів, з'єднаних дисульфідними містками. Домени позначені у вигляді кіл: СH і СL – константні домени важких і легких ланцюгів відповідно; VH і VL – варіабельні домени. Міждоменні ділянки важких ланцюгів мають певну рухливість: в області двох дисульфідних містків, що з'єднують важкі ланцюги, розташована так звана шарнірна ділянка, що надає рухливості ділянкам Fab ("лапкам") імуноглобуліну. Варіабельні домени утворюють функціональний домен, необхідний для зв'язування антигену. Б – доменна структура ендонуклеази. Домен I відповідає за протеолітичну активність, домен II – за нуклеазну активність.

У всіх глобулярних білках, що складаються з доменів, існує високий ступінь спорідненості між близько розташованими за ланцюгом амінокислотними залишками. На підставі цього припускають, що домени формуються незалежно один від одного, що спрощує процес укладання макромолекул.

Ідея модульної конструкції ферментів та інших білків допускає часту появу і швидку еволюцію нових функціональних білків. Білки, утворені в результаті асоціації різних доменів із уже існуючих молекул, можуть володіти найрізноманітнішими новими функціями. Такий механізм утворення нових білків міг би діяти значно швидше, ніж випадкові точкові мутації.

Усі домени можна поділити на чотири класи або групи і α+β, залежно від взаємного розташування в ланцюзі α-спіральних і β-структурних ділянок. α/α-Домени складаються переважно з α-спіралей, β-ділянки в них практично відсутні. У β/β-доменах є кілька β-ланцюгів і немає (або майже немає) α-спіралей. В α/β-доменах α- і β-ділянки чергуються вздовж ланцюга. Часто β-ділянки утворюють паралельний β-шар, оточений α-спіралями. В α+β-доменах α- і β-ділянки зазвичай розташовуються в різних сегментах поліпептидного ланцюга.

Третична структура білка – це спосіб розташування всіх атомів одиночного ланцюга (рис. 18; Добриніна В.І., 1976). Щоб білкова молекула набула притаманних їй специфічних властивостей, поліпептидний ланцюг має певним чином згорнутися в просторі, сформувавши функціонально активну структуру. Така структура називається нативною – білок із вихідною, природною укладкою поліпептидного ланцюга. Незважаючи на величезну кількість теоретично можливих для окремого поліпептидного ланцюга просторових структур, згортання білка призводить до виникнення єдиної нативної конфігурації. Третична структура, так само як і вторинна, зумовлена амінокислотною послідовністю поліпептидного ланцюга, але якщо вторинна структура визначається взаємодією амінокислот у найближчих ділянках ланцюга, то третична структура залежить від амінокислотної послідовності далеко розташованих одна від одної ділянок ланцюга. Утворення вигинів поліпептидного ланцюга, а також напрямок і кут повороту ланцюга в цих вигинах зумовлені кількістю і положенням певних амінокислотних залишків, таких як пролін, треонін і серин, які сприяють утворенню вигинів спіральних ділянок білка. Третичну структуру білка стабілізують зв'язки та взаємодії між радикалами амінокислотних залишків поліпептидного ланцюга. Взаємодії між бічними радикалами амінокислотних залишків поділяють на сильні та слабкі.

Рис. 18. Третинна структура білка: А – схематичне зображення молекули міоглобіну; Б

– напрямок поліпептидного ланцюга.

До сильних належать ковалентні зв'язки між двома атомами сірки цистеїнових залишків, що містяться в різних ділянках поліпептидного ланцюга. Інакше такі зв'язки називаються дисульфідними містками. Дисульфідний місток утворюється під час окиснення двох залишків цистеїну, тобто під час відщеплення водню від двох реакційноздатних сульфгідрильних груп – SH. Новий залишок носить назву цистеїн.

Слабкі взаємодії, що виникають між бічними радикалами амінокислотних залишків різних ділянок поліпептидного ланцюга, поділяються на полярні та неполярні. До полярних взаємодій належать іонні водневі зв'язки. Іонні взаємодії утворюються під час контакту позитивно заряджених груп бічних радикалів лізину, аргініну, цистеїну та негативно зарядженої СООН–-групи аспарагінової та глутамінової кислот. Водневі зв'язки виникають між функціональними групами бічних радикалів амінокислотних залишків. Неполярні та вандерваальсові взаємодії між вуглеводнями та радикалами амінокислотних залишків сприяють утворенню гідрофобного ядра (жирової краплі) всередині білкової глобули, оскільки вуглеводневі радикали прагнуть уникнути зіткнення з водою. Чим більше у складі білка неполярних амінокислот, тим більшу роль у формуванні його третинної структури відіграють вандерваальсові зв'язки. У результаті множини порівняно слабких зв'язків усі частини пептидного ланцюга білка виявляються фіксованими відносно один одного, утворюючи компактну структуру. Білки за формою поділяються на дві групи: 1) глобулярні, тобто такі, що мають кулясту форму, і 2) фібрилярні (ниткоподібні), що мають сильно витягнуту форму. Як правило, глобулярні білки виконують динамічні функції, а фібрилярні – структурні функції.

Третинна структура білка унікальна, як унікальна і його первинна структура. Тільки первинне просторове укладання білка робить його активним. Різні порушення третинної структури призводять до змін властивостей білка і втрати біологічної активності.

Четвертинна структура білка. Третинна структура завершує опис будови молекули білка. Є, однак, значна кількість білків, молекули яких являють собою комплекси, утворені з кількох білкових молекул, з'єднаних слабкими зв'язками (водневі, електростатичні, гідрофобні взаємодії) і не зв'язаними ковалентними (пептидний, дисульфідний). Такі комплекси називають олігомерними, мультимерними або субодиничними білками. Їх склад і стехіометрія постійні; це доводить, що білкові субодиниці (протомери), які об'єднуються, «впізнають» одна одну завдяки присутності на їхній поверхні комплементарних за формою ділянок. Укладання субодиниць у функціонально активному комплексі називають четвертинною структурою білка (рис. 19; Добриніна В.І., 1976). Ділянки субодиниць, на яких відбуваються взаємодії, називають контактними площадками. Протомери з'єднуються між собою нековалентними зв'язками, що розташовуються на контактній поверхні кожного з них. Оскільки ці зв'язки слабкі, між кожною парою протомерів утворюються десятки зв'язків. Процес самозбирання четвертинної структури з протомерів відрізняється високою специфічністю; контактні поверхні на одному протомері точно відповідають контактним поверхням іншого протомера, так що під час контакту різнойменно заряджені іонні R-групи або R-групи, здатні утворювати водневі зв'язки або гідрофобні поверхні, збігаються. Такі контактні поверхні називають комплементарними, вони підходять одна до одної як ключ до замка, тому помилкове з'єднання протомерів в олігомерному білку або з'єднання з іншими білками виключається. Комплементарні взаємодії лежать в основі майже всіх біохімічних процесів у клітинах, включаючи ферментативні реакції, процеси перенесення сполук через мембрани, а також захисні функції білків. Четвертинну структуру мають білки з молекулярною масою понад 50 тис. Да. Характерною властивістю білків із четвертинною структурою є те, що окрема субодиниця не має біологічної активності. Четвертинна структура білка є такою ж специфічною, унікальною характеристикою даного білка, як інші рівні структури. Четвертинній структурі належить важлива роль у регуляції біологічної активності білків, бо вона дуже чутлива до зовнішніх умов: невеликі їх відхилення можуть спричинити зміну розташування субодиниць і у зв'язку з цим зміну біологічної активності білка. Це явище являє собою один із основних механізмів регуляції метаболізму, оскільки ферменти та деякі інші метаболічно активні білки мають четвертинну структуру.

Рис. 19. Четвертинна структура білка: А, Б. – схематичне зображення будови молекули гемоглобіну.