Рівні структурної організації білків

Первинна структура білків. Під первинною структурою білків розуміють пептидний (поліпептидний) ланцюг, побудований із залишків L-амінокислот. У поняття первинної структури білка або пептиду входять його якісний та кількісний амінокислотний склад та порядок чергування (послідовність) окремих амінокислотних залишків.

Крім пептидних зв’язків, первинну структуру білків створюють також дисульфідні зв’язки, що з’єднують певні ділянки поліпептидного ланцюга або окремі пептиди.

Вторинна структура білків. Вторинна структура білків — це ряд конформацій, утворення яких зумовлено, головним чином, водневими зв’язками між окремими ділянками (переважно, пептидними групами) пептидного ланцюга або різними пептидними ланцюгами.Розрізняють два основних типи впорядкованої вторинної структури білкових молекул: α -спіраль та β -структуру.

1. α -Спіраль — конформація, яка утворюється при просторовому скручуванні поліпептидного ланцюга за рахунок водневих зв’язків, що виникають між С=О- та NH-групами поліпептидного ланцюга, що віддалені одна від одної на чотири амінокислотних залишки. Водневі зв’язки в α -спіралі спрямовані паралельно до осі молекули.

α -Спіраль можна уявити собі у вигляді лінії, що йде по боковій поверхні уявного циліндра. На один оберт α -спіралі припадає 3, 6 амінокислотних залишків. Напрямок обертання поліпептидного ланцюга в природних білках — правий (“права” α -спіраль). Геометричні параметри α -спіралі: радіус — 0, 25 нм; крок (період ідентичності) — 0, 54 нм; висота зсунення на один амінокислотний залишок — 0, 15 нм; на один оберт α -спіралі припадає 3, 6 амінокислотних ізалишків.

α -Спіраль є молекулярною структурою, що утворюється за умов певних стеричних взаємовідносин між амінокислотними залишками, і її формування залежить від амінокислотного складу поліпептидного ланцюга. Окремі амінокислоти (Pro, Gly, Glu, Asp, Arg тощо) протидіють утворенню α -спіралі або дестабілізують її. У зв’язку з цим, можливе виникнення спіральних структур, що за своїми геометричними параметрами відрізняються від α -спіралі. Прикладом є спіраль білка колагену — головного білкового компонента сполучної тканини, у складі якого міститься 33 % гліцину і 21 % проліну та гідроксипроліну. Декілька білкових молекул із вторинною структурою у вигляді спіралей можуть взаємодіяти одна з одною, утворюючи міжмолекулярні комплекси, що являють собою суперспіралізовані (“супервторинні”) структури.

2. β -Структура — структура типу складчастого шару, складається із зигзагоподібно розгорнутих поліпептидних ланцюгів, що розташовані поряд (двох або більшої кількості). β -Структури утворюються за рахунок міжланцюгових водневих зв’язків, що з’єднують групи С=О та NH сусідніх поліпептидів. β -Конформацію мають білки β -кератини, які складаються з зигзагоподібних, антипаралельно орієнтованих поліпептидних ланцюгів. Представником β -кератинів є фіброїн — фібрилярний нерозчинний білок шовку та павутиння.

Крім упорядкованих типів (α -спіралі та β -структури), вторинна структура може являти собою нерегулярну, невпорядковану (хаотичну) конформацію. Третинна структура білків являє собою спосіб укладання в тримірному просторі поліпептидного ланцюга з певною вторинною структурою. В утворенні та стабілізації третинної структури беруть участь водневі, іонні, гідрофобні зв’язки та взаємодії.

Залежно від форми та особливостей тримірної просторової організації, виділяють глобулярні та фібрилярні білки.

Глобулярні білки — білки, що мають округлу (кулеподібну, або еліпсоїдну) форму. Відношення довгої та короткої осей молекули в глобулярних білках — від 1: 1 до 50: 1. Це альбумін сироватки крові, міоглобін м’язів, гемоглобін, більшість ферментних білків.

Стабілізація компактної глобули реалізується за рахунок водневих та інших слабких зв’язків між бічними радикалами амінокислотних залишків, які фіксують відносно один одного певні частини поліпептидного ланцюга (або ланцюгів, з’єднаних S–S-зв’язками).

Особливістю третинної структури глобулярних білків, є характер розташування полярних та неполярних амінокислотних залишків. У більшості глобулярних білків полярні (гідрофільні) залишки розміщені на поверхні глобули, де вони контактують із водною фазою, тоді як неполярні радикали занурені у внутрішню гідрофобну фазу молекули. Такі особливості будови білкових глобул визначають ступінь їх розчинності, особливості взаємодії з іншими білками та лігандами різної хімічної природи.

Фібрилярні білки — білки, структурною особливістю яких є витягнута форма молекул. Вони схильні до утворення мультимолекулярних ниткоподібних комплексів — фібрил, що складаються з декількох паралельних поліпептидних ланцюгів. Фібрилярні білки є структурними компонентами сполучної або інших опорних тканин організму. Прикладами структурних фібрилярних білків є колаген — найбільш розповсюджений білок організму людини, що становить до 30 % загальної кількості тканинних білків, еластин сполучної тканини, α -кератин опірних тканин, епідермісу шкіри, волосся.

Четвертинна структура білків утворюється при об’єднанні (агрегації) декількох поліпептидних ланцюгів або протомерів, кожен з яких має свою характерну впорядковану конформацію. Окремі протомери (субодиниці) в білках з четвертинною структурою об’єднані нековалентними зв’язками, що спричиняє порівняно легку їх дисоціацію при зміні фізикохімічних властивостей середовища. Разом із тим, така дисоціація призводить до втрати специфічної для даного білка біологічної активності, яка притаманна лише цілісному олігомерному утворенню.

Значний фізіологічний та клінічний інтерес становить білок еритроцитів гемоглобін (Hb), що є транспортером кисню в організмі людини та вищих тварин. Він є типовим представником білків, що мають четвертинну структуру. М.м. гемоглобіну дорівнює 68 кД; його молекула побудована з чотирьох попарно однакових субодиниць — двох α - та двох β -поліпептидних ланцюгів, кожен з яких з’єднаний з небілковою сполукою гемом — порфіриновим похідним, що зв’язує молекулу кисню:

Білки з четвертинною структурою можуть включати як однакові протомери (як у прикладі гемоглобіну), так і різні. У складі багатьох білків-ферментів містяться різні протомери, що виконують різні біохімічні функції (зокрема, каталітичну та регуляторну).

Доменні білки. Домени — структурні ділянки білкових молекул, що являють собою глобулярні утворення всередині білків із третинною структурою. Діаметр глобулярного домену дорівнює в середньому 2, 5 нм; до його складу входить 100-150 амінокислотних залишків.

Окремі домени є функціонально відносно автономними утвореннями в складі білкових молекул, і доменні білки в цьому відношенні подібні до олігомерних білків. Але, на відміну від білків із четвертинною структурою (олігомерів), окремі доменні глобули утворюються тим самим поліпептидним ланцюгом і, відповідно, зв’язані між собою пептидними фрагментами (“шарнірними” ділянками). Зв’язки між доменами можна розщепити тільки за допомогою протеолітичних ферментів.

Прикладами доменних білків є ферменти гліколітичного шляху окислення глюкози — гліцераль-дегідфосфатдегідрогеназа та фосфогліцераткіназа (рис. 2.13), у складі яких окремі домени реалізують різні етапи складного каталітичного акту.

Завершуючи розгляд молекулярних механізмів формування вищих рівнів структурної організації білків, необхідно зауважити, що всі високовпорядковані форми просторової конформації білкових молекул детерміновані первинною структурою поліпептидного ланцюга, тобто амінокислотною послідовністю, яка визначається генетичним кодом клітини.