Вторинна структура є способом укладання поліпептидного ланцюга в упорядковану структуру завдяки утворенню водневих зв'язків між пептидними групами одного ланцюга або суміжними поліпептидними ланцюгами. За конфігурацією вторинні структури діляться на спіральні (α-спіраль) і шарувато-складчасті (β-структура та крос-β-форма).
α-Спіраль. Це різновид вторинної структури білка, що має вигляд регулярної спіралі, що утворюється завдяки міжпептидним водневим зв'язкам у межах одного поліпептидного ланцюга. Модель будови α-спіралі (рис. 2), що враховує всі властивості пептидного зв'язку, була запропонована Полінгом та Корі. Основні особливості α-спіралі:
· спіральна конфігурація поліпептидного ланцюга, що має гвинтову симетрію;
· Утворення водневих зв'язків між пептидними групами кожного першого та четвертого амінокислотних залишків;
· регулярність витків спіралі;
· рівнозначність всіх амінокислотних залишків в α-спіралі незалежно від будови їх бічних радикалів;
· Бічні радикали амінокислот не беруть участь в утворенні α-спіралі.
Зовні α-спіраль схожа на трохи розтягнуту спіраль електричної плитки. Регулярність водневих зв'язків між першою та четвертою пептидними групами визначає і регулярність витків поліпептидного ланцюга. Висота одного витка або крок α-спіралі дорівнює 0,54 нм; до нього входить 3,6 амінокислотних залишків, тобто кожен амінокислотний залишок переміщається вздовж осі (висота одного амінокислотного залишку) на 0,15 нм (0,54:3,6 = 0,15 нм), що і дозволяє говорити про рівнозначності всіх амінокислотних залишків у α-спіралі. Період регулярності -спіралі дорівнює 5 виткам або 18 амінокислотним залишкам; Довжина одного періоду становить 2,7 нм. Рис. 3. Модель а-спіралі Полінга-Корі
β-Структура. Це різновид вторинної структури, яка має слабо вигнуту конфігурацію поліпептидного ланцюга і формується за допомогою міжпептидних водневих зв'язків у межах окремих ділянок одного поліпептидного ланцюга або суміжних поліпептидних ланцюгів. Її називають також шарувато-складчастою структурою. Є різновиди β-структур. Обмежені шаруваті ділянки, що утворюються одним поліпептидним ланцюгом білка, називають крос-β-формою (коротка β-структура). Водневі зв'язки у крос-β-формі утворюються між пептидними групами петель поліпептидного ланцюга. Інший тип - повна β-структура - характерний для всього поліпептидного ланцюга, який має витягнуту форму і утримується міжпептидними водневими зв'язками між суміжними паралельними поліпептидними ланцюгами (рис. 3). Ця структура нагадує хутра акордеону. Причому можливі варіанти β-структур: вони можуть бути утворені паралельними ланцюгами (N-кінці поліпептидних ланцюгів спрямовані в ту саму сторону) та антипаралельними (N-кінці спрямовані в різні боки). Бічні радикали одного шару розміщуються між бічними радикалами іншого шару.
У білках можливі переходи від α-структур до β-структур та назад внаслідок перебудови водневих зв'язків. Замість регулярних міжпептидних водневих зв'язків уздовж ланцюга (завдяки їм поліпептидний ланцюг скручується в спіраль) відбувається розкручування спіралізованих ділянок та замикання водневих зв'язків між витягнутими фрагментами поліпептидних ланцюгів. Такий перехід виявлений у кератині – білку волосся. При миття волосся лужними миючими засобами легко руйнується спіральна структура β-кератину і він переходить в α-кератин (кучеряве волосся розпрямляється).
Руйнування регулярних вторинних структур білків (α-спіралі та β-структур) за аналогією з плавленням кристала називають "плавленням" поліпептидів. При цьому водневі зв'язки рвуться, і поліпептидні ланцюги набувають форми безладного клубка. Отже, стабільність вторинних структур визначається міжпептидними водневими зв'язками. Інші типи зв'язків майже не беруть у цьому участі, за винятком дисульфідних зв'язків уздовж поліпептидного ланцюга в місцях розташування залишків цистеїну. Короткі пептиди завдяки дисульфідним зв'язкам замикаються у цикли. У багатьох білках одночасно є α-спіральні ділянки та β-структури. Природних білків, що перебувають на 100% з α-спіралі, майже не буває (виняток становить параміозин - м'язовий білок, що на 96-100% є α-спіраль), тоді як у синтетичних поліпептидів 100%-на спіралізація.
Інші білки мають неоднаковий ступінь спіралізації. Висока частота α-спіральних структур спостерігається у параміозину, міоглобіну, гемоглобіну. Навпаки, у трипсину, рибонуклеази значна частина поліпептидного ланцюга укладається в шаруваті β-структури. Білки опорних тканин: кератин (білок волосся, шерсті), колаген (білок сухожилля, шкіри), фіброїн (білок натурального шовку) мають β-конфігурацію поліпептидних ланцюгів. Різна міра спіралізації поліпептидних ланцюгів білків говорить про те, що, очевидно, є сили, що частково порушують спіралізацію або "ламають" регулярне укладання поліпептидного ланцюга. Причиною цього є компактніше укладання поліпептидного ланцюга білка в певному обсязі, тобто в третинну структуру.
§ 8. ПРОСТОРА ОРГАНІЗАЦІЯ БІЛКОВОЇ МОЛЕКУЛИ
Первинна структура
Під первинною структурою білка розуміють кількість і порядок чергування амінокислотних залишків, з'єднаних один з одним пептидними зв'язками, поліпептидного ланцюга.
Поліпептидний ланцюг на одному кінці містить вільний, що не бере участі в утворенні пептидного зв'язку, NH 2 -групу, ця ділянка позначається як N-кінець. На протилежному боці розташовується вільна, що не бере участі в утворенні пептидного зв'язку, НООС-група, це – С-кінець. За початок ланцюга приймається N-кінець, саме з нього починається нумерація амінокислотних залишків:
Амінокислотну послідовність інсуліну встановив Ф. Сенгер (Кембриджський університет). Цей білок складається із двох поліпептидних ланцюгів. Один ланцюг складається з 21 амінокислотного залишку, інший ланцюг – з 30. Ланцюги пов'язані двома дисульфідними містками (рис.6).
Рис. 6. Первинна структура інсуліну людини
На розшифровку цієї структури було витрачено десять років (1944 – 1954 рр.). В даний час первинна структура визначена у багатьох білків, процес її визначення автоматизований і не є серйозною проблемою для дослідників.
Інформація про первинну структуру кожного білка закодована в гені (ділянці молекули ДНК) і реалізується в ході транскрипції (переписування інформації на мРНК) та трансляції (синтезу поліпептидного ланцюга). У зв'язку з цим можна встановити первинну структуру білка також за відомою структурою гена.
По первинній структурі гомологічних білків можна будувати висновки про таксономическом спорідненості видів. До гомологічним білкам відносяться ті білки, які у різних видів виконують однакові функції. Такі білки мають схожі амінокислотні послідовності. Наприклад, білок цитохром З більшості видів має відносну молекулярну масу близько 12500 і містить близько 100 амінокислотних залишків. Відмінності в первинній структурі цитохрому З двох видів пропорційні філогенетичної різниці між цими видами. Так цитохроми З коня та дріжджів відрізняються по 48 амінокислотних залишках, курки та качки – по двох, цитохроми ж курки та індички ідентичні.
Вторинна структура
Вторинна структура білка формується через утворення водневих зв'язків між пептидними групами. Розрізняють два типи вторинної структури: α-спіраль та β-структура (або складчастий шар). У білках можуть бути також ділянки поліпептидного ланцюга, що не утворюють вторинну структуру.
α-Спіраль формою нагадує пружину. При формуванні α-спіралі атом кисню кожної пептидної групи утворює водневий зв'язок з атомом водню четвертого по ходу ланцюга NH-групи:
Кожен виток спіралі пов'язаний із наступним витком спіралі декількома водневими зв'язками, що надає структурі значної міцності. α-Спіраль має такі характеристики: діаметр спіралі 0,5 нм, крок спіралі – 0,54 нм, на один виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків (рис. 7).
Рис. 7. Модель a-спіралі, що відображає її кількісні характеристики
Бічні радикали амінокислот спрямовані назовні від спіралі (рис. 8).
Рис. 8. Модель -спіралі, що відображає просторове розташування бічних радикалів
З природних L-амінокислот може бути побудована як права, так і ліва -спіраль. Більшість природних білків характерна права спіраль. З D-амінокислот також можна побудувати як ліву, і праву спіраль. Поліпептидний ланцюг, що складається з суміші D-і L-амінокислотних залишків, не здатна утворювати спіраль.
Деякі амінокислотні залишки перешкоджають утворенню α-спіралі. Наприклад, якщо в ланцюгу поспіль розташовано кілька позитивно або негативно заряджених амінокислотних залишків, така ділянка не прийме α-спіральної структури через взаємне відштовхування однойменно заряджених радикалів. Ускладнюють утворення спіралі радикали амінокислотних залишків, що мають великі розміри. Перешкодою для утворення α-спіралі є також наявність у поліпептидному ланцюгу залишків проліну (рис. 9). У залишку проліну при атомі азоту, що утворює пептидний зв'язок з іншою амінокислотою, немає атома водню.
Рис. 9. Залишок проліну перешкоджає утворенню -спіралі
Тому залишок проліну, що входить до складу поліпептидного ланцюга, не здатний утворювати внутрішньоланцюжковий водневий зв'язок. Крім того, атом азоту в пролине входить до складу жорсткого кільця, що унеможливлює обертання навколо зв'язку N – C та утворення спіралі.
Крім α-спіралі описані інші типи спіралей. Однак вони зустрічаються рідко, переважно на коротких ділянках.
Утворення водневих зв'язків між пептидними групами сусідніх поліпептидних фрагментів ланцюгів призводить до формування β-структури, або складчастого шару:
На відміну від α-спіралі складчастий шар має зигзагоподібну форму, схожу на гармошку (рис. 10).
Рис. 10. β-Структура білка
Розрізняють паралельні та антипаралельні складчасті шари. Паралельні β-структури утворюються між ділянками поліпептидного ланцюга, напрямки яких збігаються:
Антипаралельні β-структури утворюються між протилежно спрямованими ділянками поліпептидного ланцюга:
β-Структури можуть формуватися більш ніж між двома поліпептидними ланцюгами:
У складі одних білків вторинна структура може бути представлена лише α-спіраллю, в інших – тільки β-структурами (паралельними, або антипаралельними, або й тими, та іншими), у третіх поряд з α-спіралізованими ділянками можуть бути присутніми і β-структури.
Третинна структура
У багатьох білків вторинно організовані структури (α-спіралі, -структури) згорнуті певним чином компактну глобулу. Просторова організація глобулярних білків зветься третинної структури. Таким чином, третинна структура характеризує тривимірне розташування ділянок поліпептидного ланцюга у просторі. У формуванні третинної структури беруть участь іонні та водневі зв'язки, гідрофобні взаємодії, ван-дер-ваальсові сили. Стабілізують третинну структуру дисульфідні містки.
Третинна структура білків визначається їх амінокислотною послідовністю. При формуванні зв'язку можуть виникати між амінокислотами, розташованими в поліпептидному ланцюгу на значній відстані. У розчинних білків полярні радикали амінокислот, як правило, опиняються на поверхні білкових молекул і рідше – усередині молекули, гідрофобні радикали виявляються компактно упакованими всередині глобули, утворюючи гідрофобні ділянки.
Нині третинна структура багатьох білків встановлено. Розглянемо два приклади.
Міоглобін
Міоглобін – кисень-зв'язуючий білок із відносною масою 16700. Його функція – запасання кисню у м'язах. У його молекулі є один поліпептидний ланцюг, що складається з 153 амінокислотних залишків, і гемогрупа, що грає важливу роль у зв'язуванні кисню.
Просторова організація міоглобіну встановлена завдяки роботам Джона Кендр'ю та його колег (рис. 11). У молекулі цього білка присутні 8 α-спіральних ділянок, їх частку припадає 80 % всіх амінокислотних залишків. Молекула міоглобіну дуже компактна, всередині неї може вміститися всього чотири молекули води, майже всі полярні радикали амінокислот розташовані на зовнішній поверхні молекули, більша частина гідрофобних радикалів розташована всередині молекули, поблизу поверхні знаходиться гем – небілкова група, відповідальна за зв'язування кисню.
Рис.11. Третинна структура міоглобіну
Рибонуклеаза
Рибонуклеаза – глобулярний білок. Вона секретується клітинами підшлункової залози, це фермент, що каталізує розщеплення РНК. На відміну від міоглобіну, молекула рибонуклеази має дуже мало α-спіральних ділянок і досить велику кількість сегментів, що знаходяться в β-конформації. Міцність третинної структури білка надають 4 дисульфідні зв'язки.
Четвертична структура
Багато білків складаються з декількох, двох або більше, білкових субодиниць, або молекул, що володіють певною вторинною та третинною структурами, що утримуються разом за допомогою водневих та іонних зв'язків, гідрофобних взаємодій, ван-дер-ваальсових сил. Така організація білкових молекул зветься четвертинної структури, а самі білки називають олігомірними. Окрема субодиниця, або білкова молекула, у складі олігомерного білка називається протоміром.
Число протомерів в олігомерних білках може варіювати в широких межах. Наприклад, креатинкіназа складається з 2 протомерів, гемоглобін – з 4 протомерів, РНК-полімераза E.coli – фермент, відповідальний за синтез РНК – з 5 протомерів, піруватдегідрогеназний комплекс – з 72 протомерів. Якщо білок і двох протомерів, його називають димером, чотирьох – тетрамером, шести – гексамером (рис. 12). Найчастіше в молекулі олігомерного білка міститься 2 або 4 протоміри. До складу олігомерного білка можуть входити однакові або різні протоміри. Якщо до складу білка входять два ідентичні протоміри, то це – гомодимер, якщо різні – гетеродимер.
Рис. 12. Олігомерні білки
Розглянемо організацію молекули гемоглобіну. Основна функція гемоглобіну полягає у транспорті кисню з легень у тканині та вуглекислого газу у зворотному напрямку. Його молекула (рис. 13) складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів двох різних типів – двох α-ланцюгів та двох β-ланцюгів і гема. Гемоглобін є білком, спорідненим з міоглобіном. Вторинна та третинна структури міоглобіну та протомерів гемоглобіну дуже подібні. Кожен протомер гемоглобіну містить, як і міоглобін, 8 -спіралізованих ділянок поліпептидного ланцюга. При цьому слід зазначити, що в первинних структурах міоглобіну та протомери гемоглобіну ідентичні лише 24 амінокислотні залишки. Отже, білки, що значно відрізняються за первинною структурою, можуть мати подібну просторову організацію та виконувати подібні функції.
Рис. 13. Структура гемоглобіну
Під вторинною структурою білка мають на увазі конфігурацію поліпептидного ланцюга, тобто. спосіб згортання, скручування (складання, упаковка) поліпептидного ланцюга в спіральну або будь-яку іншу конформацію. Процес цей протікає не хаотично, а відповідно до програмою, закладеною у первинній структурі білка. Детально вивчені дві основні конфігурації поліпептидних ланцюгів, що відповідають структурним вимогам та експериментальним даним:
- a-спіралі,
- β-структури.
Найбільш ймовірним типом будови глобулярних білків прийнято вважати a-Спіраль.Закручування поліпептидного ланцюга відбувається за годинниковою стрілкою (правий хід спіралі), що зумовлено L-амінокислотним складом природних білків.
Рушійною силоюу виникненні a-спіралей (як і β-структур) є здатність амінокислот до утворення водневих зв'язків.
У структурі a-спіралей відкрито низка закономірностей:
- На кожен виток (крок) спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків.
- Крок спіралі (відстань вздовж осі) дорівнює 0,54 нм на виток, але в один амінокислотний залишок припадає 0,15 нм.
- Кут підйому спіралі 26°, через 5 витків спіралі (18 амінокислотних залишків) структурна конфігурація поліпептидного ланцюга повторюється. Це означає, що період повторюваності (або ідентичності) a-спіральної структури становить 2,7 нм.
Інший тип конфігурації поліпептидних ланцюгів, виявлений у білках волосся, шовку, м'язів та інших фібрилярних білках, отримав назву β-структури.У цьому випадку два або більше лінійні поліпептидні ланцюги, розташовані паралельно або, частіше, антипаралельно, міцно зв'язуються міжланцюжковими водневими зв'язками між -NH- та -СО-групами сусідніх ланцюгів, утворюючи структуру типу складчастого шару.
Схематичне зображення β-структури поліпептидних ланцюгів.
У природі існують білки, будова яких, проте, відповідає ні β-, ні a-структурі. Типовим прикладом таких білків є колаген– фібрилярний білок, що становить основну масу сполучної тканини в організмі людини та тварин.
Методами рентгеноструктурного аналізу нині доведено існування ще двох рівнів структурної організації білкової молекули, які виявилися проміжними між вторинною та третинною структурами. Це так звані надвторинні структури та структурні домени.
Надвторинні структуриявляють собою агрегати поліпептидних ланцюгів, що мають власну вторинну структуру і утворюються в деяких білках в результаті їх термодинамічної або кінетичної стабільності. Так, у глобулярних білках відкриті (βхβ)-елементи (представлені двома паралельними β-ланцюгами, пов'язаними сегментом х), βaβaβ-елементи (представлені двома сегментами α-спіралі, вставленими між трьома паралельними β-ланцюгами) та ін.
Доменна будова глобулярного білка (флаводоксину) (за А. А. Болдирєвим)
Домен- Це компактна глобулярна структурна одиниця всередині поліпептидного ланцюга. Домени можуть виконувати різні функції і піддаватися складання (зсідання) в незалежні компактні глобулярні структурні одиниці, з'єднані між собою гнучкими ділянками всередині білкової молекули.
Вторинна структура білка– це спосіб укладання поліпептидного ланцюга в компактнішу структуру, при якій відбувається взаємодія пептидних груп з утворенням між ними водневих зв'язків.
Формування вторинної структури викликане прагненням пептиду прийняти конформацію з найбільшою кількістю зв'язків між групами пептидів. Тип вторинної структури залежить від стійкості пептидного зв'язку, рухливості зв'язку між центральним атомом вуглецю та вуглецем пептидної групи, розміром амінокислотного радикалу. Все зазначене разом з амінокислотною послідовністю згодом призведе до певної конфігурації білка.
Виділяють два можливі варіанти вторинної структури: у вигляді "каната" – α-спіраль(α-структура), і у вигляді "гармошки" - β-складчастий шар(β-структура). В одному білку, як правило, одночасно присутні обидві структури, але в різному пайовому співвідношенні. У глобулярних білках переважає α-спіраль, у фібрилярних – β-структура.
Вторинна структура утворюється тільки за участю водневих зв'язківміж пептидними групами: атом кисню однієї групи реагує з атомом водню другої, одночасно кисень другої пептидної групи зв'язується з воднем третьої тощо.
α-Спіраль
Дана структура є правозакрученою спіраллю, що утворюється за допомогою водневихзв'язків між пептидними групами 1-го та 4-го, 4-го та 7-го, 7-го та 10-го і так далі амінокислотних залишків.
Формування спіралі перешкоджають проліні гідроксипролін, які через свою циклічну структуру зумовлюють "перелом" ланцюга, її примусовий вигин як, наприклад, в колагені .
Висота витка спіралі становить 0,54 нм і відповідає 3,6 амінокислотних залишків, 5 повних витків відповідають 18 амінокислот і займають 2,7 нм.
β-Складчастий шар
У цьому способі укладання білкова молекула лежить "змійкою", віддалені відрізки ланцюга виявляються поблизу один від одного. В результаті пептидні групи раніше віддалених амінокислот білкового ланцюга здатні взаємодіяти за допомогою водневих зв'язків.
Більш компактну порівняно з первинною структурою, при якій відбувається взаємодія пептидних груп з утворенням між ними водневих зв'язків.
Укладання білка у вигляді каната та гармошкою
Розрізняють два види таких структур укладання білка у вигляді канатаі у вигляді гармошки.
Формування вторинної структури викликане прагненням пептиду прийняти конформацію з найбільшою кількістю зв'язків між групами пептидів. Тип вторинної структури залежить від стійкості пептидного зв'язку, рухливості зв'язку між центральним атомом вуглецю та вуглецем пептидної групи, розміром амінокислотного радикалу.
Все зазначене разом з амінокислотною послідовністю згодом призведе до певної конфігурації білка.
Можна виділити два можливі варіанти вторинної структури: α-спіраль (α-структура) і β-складчастий шар (β-структура). В одному білку, як правило, присутні обидві структури, але в різному пайовому співвідношенні. У глобулярних білках переважає α-спіраль, у фібрилярних – β-структура.
Участь водневих зв'язків у формуванні вторинної структури.
Вторинна структура утворюється лише з участю водневих зв'язків між пептидними групами: атом кисню однієї групи реагує з атомом водню другий, одночасно кисень другої пептидної групи зв'язується з воднем третьої тощо.
α-Спіраль
Укладання білка у вигляді α-спіралі.
Дана структура є правозакрученою спіраллю, утворюється за допомогою водневих зв'язків між пептидними групами 1-го та 4-го, 4-го та 7-го, 7-го та 10-го і так далі амінокислотних залишків.
Формуванню спіралі перешкоджають пролін та гідроксипролін, які через свою структуру обумовлюють «перелом» ланцюга, його різкий вигин.
Висота витка спіралі становить 0,54 нм і відповідає 3,6 амінокислотних залишків, 5 повних витків відповідають 18 амінокислот і займають 2,7 нм.
β-Складчастий шар
Укладання білка у вигляді β-складчастого шару.
У цьому методі укладання білкова молекула лежить «змійкою», віддалені відрізки ланцюга виявляються поблизу друг від друга. В результаті пептидні групи раніше віддалених амінокислот білкового ланцюга здатні взаємодіяти за допомогою водневих зв'язків.
