Структура белков и их функции

Ковалентные и нековалентные связи в молекулах белков определяют конфигурацию полипептидных цепей и всей белковой молекулы в целом или, как говорят, конформацию белков или структурную организацию белков. Выделяют четыре уровня структурной организации белка: первичную, вторичную, третичную и четвертичную.

Между структурами имеются многочисленные переходы и внутренняя связь, поэтому это деление в известном смысле произвольное.

Последовательности расположения определенного числа аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы называется первичной структурой белка. Первичная структура белковой молекулы определяется сильными ковалентными пептидными связями, а также небольшим числом дисульфидных связей. Аминокислотная последовательность является специфической характеристикой данного белка, все его молекулы в этом отношении идентичны.

Считается, что первичная структура белка определяет структуры более высокого порядка и, в частности, вторичную структуру белка. Это связано с тем, что возникновение взаимодействия между определенными участками полипептидной цепи с образованием дисульфидных мостиков, водородных, ионных и неполярных связей обусловливается именно определенной последовательностью аминокислот, содержащих те или иные функциональные группы.

Под вторичной структурой понимают пространственную регулярную конфигурацию полипептидной цепи в виде альфа-спирали или бета-структуры. Вторичная структура определяется упорядоченным расположением цепи за счет образования водородных связей между СО- и NH-группами пептидных связей данной полипептидной цепи или между цепями.

Карбонильный кислород любого данного остатка аминокислоты полипептидной цепи соединен водородной связью с иминным азотом четвертого по счету остатка аминокислоты (считая вдоль пептидной цепи назад).

Водородные связи между отдельными СО- и NH-группами полипептидных связей почти параллельны длинной оси спирали и удерживают в упорядоченном спиральном состоянии пептидную цепь. Боковые цепи (радикалы) аминокислотных остатков выступают из альфа-спирали наружу и могут, взаимодействуя друг с другом, создавать условия, при которых происходит разрыв водородных связей и образование линейных участков. Для длинного спирального участка полипептида стабилизация может осуществляться, кроме водородных связей, также дисульфидными мостиками, солеподобными связями, неполярными (гидрофобными) связями и т.д. Полностью спирализованные полипептидные цепи встречаются редко. Обычно для белковых молекул характерна частичная спирализация, обычно не более 70%. Например, молекулы рибонуклеазы спирализованы всего на 17%.

Структуры типа складчатого слоя (бета-структуры) обусловлены образованием водородных связей между полипептидными цепями, в отличие от спирали, где водородные связи имеются лишь в пределах одной и той же полипептидной цепи.

Дальнейшее усложнение структуры белка связано с пространственной упаковкой чередующихся спиральных и линейных участков полипептидной цепи в компактное тело, что получило название третичной структуры белка. Другими словами, третичная структура показывает, как полипептидная цепь, свернутая целиком или частично в спираль, расположена в пространстве. Это – трехмерная структура белковой молекулы. В поддержании третичной структуры белков участвуют:

- водородные связи между пептидными группами;

- водородные связи между боковыми цепями аминокислотных остатков (радикалами);

- ионные связи;

- дисульфидные связи;

- неполярные или гидрофобные связи и некоторые другие.

Третичная структура определяется автоматически аминокислотной последовательностью в полипептидной цепи и размером, формой и полярностью радикалов аминокислотных остатков.

Большую роль в выяснении трехмерной структуры сыграл рентгеноструктурный анализ. По форме третичной структуры белки можно подразделить на глобулярные и фибриллярные.

Третичная конфигурация белка имеет значение, главным образом, для глобулярных белков.

Существует, согласно рентгеноструктурному анализу, еще два уровня структурной организации белковых молекул – промежуточные между вторичной и третичной структурами: надвторичные структуры и структурные домены. Надвторичные структуры – агрегаты полипептидных цепей, обладающих собственной вторичной структурой и образующиеся в результате термодинамической или кинетической стабильности в некоторых белках (β×β-элементы, β α β α β-элементы).

Домен - это компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи.

Домены создаются объединением и чередованием альфа-спиралей и бета-слоев, между которыми открываются более рыхлые структуры.

Молекулы многих белков состоят из нескольких индивидуальных полипептидных цепей, не связанных одна с другой ковалентными связями. При этом каждая из индивидуальных цепей может иметь свою первичную, вторичную и третичную структуру, и иногда обозначается как субъединица белка.

Взаимное пространственное расположение субъединиц, связанных нековалентными связями в единой белковой молекуле и представляющих единое образование в структурном и функциональном отношении, называется четвертичной структурой белка. Крупные молекулы белков состоят, как правило, из субъединиц со сравнительно небольшим молекулярным весом. Белковые молекулы, составленные из субъединиц, принято называть мультимерами (олигомерами), а сами субъединицы – протомерами.

Четвертичная структура белков, как полагают, объясняет существование изоферментов. Изоферментами называют ферменты, встречающиеся у одного и того же биологического вида в разных структурных формах. Так, например, если молекула белка составлена из четырех протомеров двух типов А и В, то возможно пять сочетаний: АААА, АААВ, ААВВ, АВВВ, ВВВВ, т.е. возможно существование пяти изоферментов, отличающихся большей или меньшей каталитической активностью. Такие формы найдены для фермента лактатдегидрогеназы и некоторых других ферментов.