атина волос. Некоторые аминокислоты дестабилизируют структуры складчатого листка. Среди них, например, глутаминовая кислота, пролин, аспарагин, гистидин, серии и лизин. Другие аминокислоты, в том числе метионин, валин и изолейцин, способствуют образованию ?-структур при определенном их расположении в молекуле. Для предсказания возможности образования складчатых листков, так же как и ?-спиралей, были предложены правила, учитывающие тенденцию тех или иных аминокислотных остатков либо стабилизировать, либо нарушать эти вторичные структуры.

6.5. Третичная структура

Нековалентные взаимодействия между спиральными и ?-струк-турными участками полипептидной цепи в совокупности с взаимо-

6. БЕЛКИ. III.

195

действиями R-групп и функциональных групп остова молекулы определяют третичную структуру, характерную для данного белка. Существенный момент при формировании третичной структуры — наличие в молекуле белка гидрофобных участков, образованных неполярнымн R-группами. Одна такая область гидрофобных взаимодействий некоторых R-групп в молекуле кальцийсвязывающего белка (рис. 6.8) показана на рис. 6.15. В образовании таких гидрофобных районов часто принимают участие R-группы аминокислотных остатков, достаточно удаленных друг от друга в полипептидной цепи.

Силы, способствующие формированию конформации белка, отчасти гидрофобны и подобны силам, вызывающим образование

Рис. 6.15. Аминокислотная последовательность участка полипептидиой цепи кальцийсвязывающего белка из мышц карпа (см. рис. 6.8) и модель его скручивания с образованием гидрофобной области. Полипептидный остов показан схематически, более подробно изображены R-группы, участвующие в гидрофобных взаимодействиях. R-группы в гидрофобных районах глобулярных белков находятся в тесном контакте и обладают строгой ориентацией относительно друг друга. (Рисунок любезно предоставлен Д. Ричардсон.)

13·

196

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

мицелл или бислоев амфифилами (гл. 3); 25—30% аминокислотных остатков в глобулярных белках имеют достаточно гидрофобные R-группы; 45—50% содержат ионные или полярные R-группы. Остальные аминокислоты, например глицин или аланин, могут быть локализованы как внутри, так и на поверхности глобулы. Если белок находится в нативном состоянии, то его гидрофобные R-группы имеют значительно менее выраженную тенденцию к нарушению структуры воды, чем в полностью развернутой полипептидной цепи. Таким образом, нативная структура белка термодинамически более выгодна. Однако нативная третичная структура находится в динамическом равновесии с другими возможными конформациями, что зависит от рН, состава и температуры водной среды. Поскольку гидрофобные R-группы перемежаются с ионными или полярными боковыми группами других аминокислот в полипептидной цепи белка, то для реализации гидрофобных взаимодействий необходимо внедрить некоторые из полярных групп внутрь белковой глобулы. Гидрофобные взаимодействия, образование водородных связей, а также особенности вторичной структуры молекулы сводят к нулю сродство к воде пептидных связей внутри глобулы белка.

Не менее существенное влияние на процесс формирования на-тивной конформации белка оказывают ионогенные R-группы, особенно R-группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, аргинина и лизина, для «погружения» которых внутрь белковой молекулы необходимы значительные затраты энергии. Эти ионогенные группы в водной среде стремятся оставаться преимущественно на поверхности молекулы, подобно тому как это имеет место в процессе мицеллообразования. Поскольку ионогенные и неполярные боковые группы не отделены друг от друга в полипептидных цепях глобулярных водорастворимых белков, можно предположить, что при нормальных пропорциях аминокислотных остатков в белке число возможных последовательностей, способных образовать стабильные конформации, ограничено. Кроме того, произвольная аминокислотная последовательность не обязательно образует глобулярную структуру. Натнвные конформации белков могут быть отобраны в процессе эволюции, в результате чего сохраняются те последовательности, которые обеспечивают формирование конформации, стабилизированных водородными связями и содержащих внутри глобулы гидрофобные домены, а на поверхности гидрофильные ионогенные группы. Таким образом, образование специфической нативной глобулярной структуры, характерной для данного белка, — кооперативный процесс, основанный на различных типах нековалентных взаимодействий. Дисульфидные связи не определяют характер свертывания полипептидной цепи, но, несомненно, стабилизируют конформацию молекулы после завершения процесса свертывания; такие связи образуются самопроизвольно, когда

6. БЕЛКИ. III.

197

вследствие взаимодействий R-групп, определяющих правильное скручивание полипептидной цепи, соответствующие тиольные группы оказываются рядом. Это было показано на нескольких белках, в том числе на ферментах рибонуклеазе и лнзоциме, каждый из которых содержит четыре дисульфидные связи. Полностью восстановленные формы обоих белков, растворенные в 8 ? мочевине, совершенно лишены ферментативной активности и обладают произвольными конформаниями. В каждом из этих белков существует 44 = 256 теоретических возможностей образования дисульфидных связей, однако только четыре из них реализуются, когда нз раствора с помощью диализа удаляется мочевина и молекулы белка принимают свою нативную конформацию в присутствии кислорода. При этом восстанавливается первоначальная ферментативная активность.

Хотя большая часть гидрофобных остатков расположена внутри глобулы белка, а внешняя ее поверхность преимущественно гидрофильна (по причинам, обсуждавшимся ранее), следует иметь в виду, что ситуация не настолько проста. Связывание белка с другими молекулами, например связывание фермента с его субстратом или коферментом, почти всегда осуществляется с помощью небольшого гидрофобного участка на поверхности белка. Этот район обычно не гидратирован (или мало гидратирован) с тем, чтобы обеспечить возможность гидрофобных взаимодействий. Большинство липидов (гл. 17—19) образуется или разрушается при взаимодействии с ферментами. Это взаимодействие должно носить гидрофобный характер, что справедливо также для всех субстратов, содержащих неполярные R-группы. Аналогично многие ферменты (или другие белки), присутствующие в мембранах, прочно ассоциированы с различными липидами (гл. 11). Взаимодействия такого рода также свидетельствуют о «мозаичном» строении поверхности белка, которая в основном гидрофильна, но содержит небольшие неполярные участки.

6.6. Четвертичная структура

Аминокислотные последовательности субъединиц белка, если таковые имеются, определяют ее четвертичную структуру. Это следует из данных реитгеноструктурного анализа, а также из факта реконструкции функционально активного нативного белка из диссоциированных субъединиц. В качестве примера белка, обладающего четвертичной структурой, может служить гемоглобин. В ацетоне при кислом рН гем легко отделяется от денатурированного глобина. Однако при нейтральных рН имеет место рекомбинация гема и глобина с образованием нативного гемоглобина. Таким образом, возможно восстановление нативной конформации даже та-

196

I. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

Рис. 6.16. Электронная микрофотография аспартат-транскарбамоилазы (вверху) и предложенная на этой основе модель четвертичной структуры белка (внизу). Показаны отражения негативно контрастированных частиц вдоль одной оси (а), а также усредненные отражения (б), являющиеся результатом наложения пяти отражений типа (а). Отражения (в) получены в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунков (а). Модель изображает предполагаемую ориентацию полипептидной цепи аспартат-траискарбамоилазы, основанную на данных электронной микроскопии. Субъединицы С объединены в тримсры, один из которых находится на вершине другого. Шесть субъединиц R расположены на периферии молекулы н взаимодействуют др\т с другом, а также с субъеднннцами С. [Richards К. Е., Williams R. С, Biochemistry, 11, 3393, 1972 (микрофотографии); Cohlberg J. ?., Pigiet V. P.. Jr., Schachman ?. K.. Biochemistry, 11, 3396, 1972 (модель).]

6. БЕЛКИ. III.

199

Рис. 6.17. Электронная микрофотография вируса желтой мозаики репы (а) и модель вируса, построенная на основе данных электронной микроскопии (б). [Finch J. Т., р. 479, in: Neurath ?., Hill R. L., eds. The Proteins, vol. I, Academic Press, Inc., New York, 1975.]

кой сложной молекулы, состоящей из четырех пептидных цепей, каждая из которых содержит гем в строго определенном положении. Отсюда можно сделать вывод, что не только вторичная и третичная, но и четвертичная структура определяется особенностями аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.

Ряд других крупных белков, в том числе многие ферменты, под действием различных агентов диссоциируют с образованием неактивных субъединиц. Следовательно, хотя биологически активный белок может обладать очень высокой молекулярной массой (от нескольких сотен тысяч до миллиона), составляющие его пептидные цепи могут быть гораздо меньше (табл. 6.2). За образование активных белков при агрегации его субъединиц ответственны те же силы, которые определяют свертывание индивидуальной пептидной цепи в процессе формирования ее нативной конформации.

Электронная микроскопия — удобный метод анализа четвертичной структуры белков, особенно крупных молекул со многими субъединицами. Главное ограничение метода, с одной стороны, сравнительная «прозрачность» белков по отношению к пучку электронов, а с другой — их недостаточная стабильность в условиях бомбардировки электронами и глубокого вакуума. Однако, несмотря на это, обычно удается проводить структурный анализ с разрешением до 2 нм, а при соблюдении определенных предосторожностей— до 1 нм. На рис. 6.16 изображены электронные микрофотографии (электронограммы) фермента аспартат-транскарбамоил-азы Е. coli, состоящей из 12 субъединиц, 6 из которых имеют молекулярную массу 17 000 (R-субъединицы), а 6 других —33 500 (С-субъединицы). Необходимо отметить, что тримеры С-субъеди