Дисциплина Биофизика белка (7 семестр)

В типичном белке обычно 60% аминокислотных остатков участвует в формировании вторичных структур. Наиболее обычны пять элементов вторичной структуры - правая и левая α-спирали (рис. 5), параллельный и антипараллельный β-листы и β-изгиб (рис. 6), которые стабилизированы водородными связями. Укладка α и β-структур в глобулу определяет третичную структуру белка (рис.). Эти вторичные структуры отличаются определенными, периодическими конформациями главной цепи — при разнообразии конформаций боковых групп.

Вторичная структура полипептидной цепи (α-спираль и тяж β-листа) и третичная структура белковой глобулы

Основные геометрические параметры наиболее важных регулярных вторичных структур белковых цепей суммируются в таблице:

* Расстояние между тяжами в β-листе: 4.8 Примечание. Все цифры округлены. "+" означает правую спираль, "-" — левую. Например, на 1 виток правой α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм, так что на 1 аминокислотный остаток приходится 0,15 нм; диаметр такой спирали без учета боковых групп – 0,6 нм. В β-листах полипептидные цепи находятся в максимально вытянутом состоянии и на 1 аминокислотный остаток приходится 0,347 нм По мере роста информации о пространственном строении белковых молекул становилось все яснее, что существуют какие-то "типовые проекты" строения белковых глобул. Архитектуры вновь расшифрованных белков (или, по крайней мере, их доменов) все чаще и чаще оказывались сходными с архитектурами белков уже известных — но при этом совсем других и по функции, и по аминокислотной последовательности. Поэтому причина сходства структур, видимо, заключается не только в эволюционной дивергенции и не (или не только) в функциональной конвергенции белков, а в ограничении набора укладок какими-то физическими закономерностями. В 70-х годах стало ясно, что между двумя "традиционными" структурными уровнями (вторичная структура белка и его детальная атомная трехмерная структура) находится промежуточный уровень — "мотив укладки" белковой цепи, определяемый взаимным расположением α- и/или β-участков в глобуле — и что именно на этом уровне проявляется сходство белков, не связанных ни эволюционно, ни функционально. В отличие от детальной, атомной трехмерной структуры, "мотивы укладки" удивительно просты и даже красивы (Рис. ).

Характерные мотивы укладки белковой цепи в α, β, α/β и α+β белках. Внизу — их упрощенные схемы, вид с торца укладки. Обратите внимание на слоевую упаковку α- и β-структур и на то, что каждый слой сложен либо только из α-спиралей, либо только из βтяжей, но не из α-спиралей и β-листов одновременно.

Пространственное расположение элементов вторичной структуры образует третичную структуру белка (рис.).

 Связи, поддерживающие третичную структуру, еще слабее водородных. Их называют гидрофобными. Это – силы сцепления между неполярными молекулами или неполярными радикалами. Хотя гидрофобные силы сцепления относятся к слабейшим связям, но благодаря их многочисленности они в сумме дают значительную энергию взаимодействия. Участие «слабых» связей в поддержании специфической структуры белковой макромолекулы обеспечивает достаточную ее устойчивость и вместе с тем высокую подвижность. У некоторых белков в поддержании третичной структуры макромолекулы существенную роль играют так называемые –S–S– (эс-эс-связи) дисульфидные ковалентные связи, возникающие между радикалами аминокислоты цистеина (цис), находящимися на удаленных друг от друга участках полипептидной цепи. Исследования третичной структуры белков показали, что типичный белок среднего размера (300 аминокислотных остатков) содержит от 3 до 7 α-спиралей, а типичная αспираль состоит из 10 аминокислотных остатков. Число β-листов обычно меньше, но каждый содержит значительно больше аминокислот. Большинство обширных β-листов состоит из 4-6 цепей и содержит от 20 до 40 аминокислот. Антипараллельные слои встречаются чаще, чем параллельные, но бывают и смешанные β-листы, сочетающие параллельные и антипараллельные участки. α- и β-структуры не имеют тенденции располагаться в каких-либо определенных местах третичной структуры, например, внутри или на поверхности, в области N-конца или С-конца и т.д.