4 Структурные уровни белковых молекул.

Каждый даже самый маленький белок может складываться теоретически бесчисленным количеством способов. В действительности, свертывание полипептидной цепи следует определенной логике.

На первой стадии свертывания образуются водородные связи между смежными участками полипептидной цепи, это приводит к образованию вторичной структуры белка – α-спиралей и β–слоев. Некоторые комбинации α-спиралей и β-слоев оказываются особо стабильными и часто возникают во многих различных белках. Такие структурные “стереотипы” лежат в основе более высокого уровня структурной организации, называемого белковым доменом.

Домены – сравнительно небольшие глобулярные образования, включающие участки полипептидной цепи, содержащие до 150 аминокислот. Домены являются модулями, из которых собраны глобулярные белки. Последние обычно состоят из нескольких различных доменов, связанных сравнительно открытыми участками полипептидной цепи.

Часто отдельные глобулярные белки собираются в белковые агрегаты. Новые белки возникают в результате незначительного изменения старых. У клетки есть генетические механизмы, обеспечивающие модификацию генов. Следовательно, если возникает какой-либо белок с 3-х мерной конформацией, обладающей полезными свойствами, то его основная структура может потом войти в состав многих других белков.

В современных организмах различные белки с родственными функциями часто имеют схожую аминокислотную последовательность. Считается, что такие семейства белков возникли путем дупликации единственного предкового гена и последующего накопления мутаций, обуславливающих постепенное изменение функций. Например, семейство сериновых протеинов включает пищеварительные ферменты – химотрипсин, трипсин и эластазу. В этих ферментах 40% от аминокислотной последовательности занимают одни и те же аминокислоты. Их конформации очень схожи, однако разные сериновые протеины имеют совершенно различные функции. Новые белки часто возникают в результате объединения разных полипептидных доменов. Такие объединения двух и более белков могут создаваться путем нековалентных взаимодействий.

В структуре крупного белка существуют четыре уровня организации. Эти уровни образуют иерархический ряд: каждый последующий уровень включает в себя предыдущие. Согласно принятой терминологии, саму аминокислотную последовательность называют первичной структурой белка, первый уровень образования полипептидной цепи – вторичной структурой. К вторичным структурам относятся α–спирали и β–слои. Домены и белковые молекулы (второй и третий уровни) принято считать третичными структурами. Четвертый уровень – это агрегаты, составленные из двух или более молекул белка.

У ровни структурной организации белковых молекул представлены на рисунке 1.

Р исунок 1 – Уровни структурной организации Рисунок 2. А – одинаковые, взаимодействующие между собой белковые молекулы

белковых молекул -субъединицы могут образовывать полимерные цепи, кольца и спирали. Б – спирали актина и коллагена, возникающие в клетках

Белковые субъединицы способны к самосборке в большие клеточные структуры. Образование новых белков путем слияния предшествующих – это эффективная эволюционная стратегия. Центры связывания могут создаваться и в более крупных надмолекулярных клеточных структурах, например, ферментовые комплексы, рибосомы, белковые волокна, вирусы и мембраны. Они не синтезируются в виде гигантских белковых молекул, а собираются в результате нековалентной агрегации макромолекулярных субъединиц. К преимуществам использования малых субъединиц для построения больших структур относятся: малый объем необходимой генетической информации; облегченный контроль при сборке; минимальное число ошибок.

Одинаковые белковые субъединицы могут взаимодействовать с образованием регулярных агрегатов. При наличии в белке центра связывания, комплементарного какому-либо участку на его поверхности, белок будет самопроизвольно агрегатировать. В простейшем случае центр связывания узнает сам себя, в результате чего образуется симметричный димер, который, в свою очередь, может служить для образования более крупных агрегатов, например, многих ферментов.

Если центр связывания комплементарен другому участку на своей поверхности, то образуется цепь субъединиц (рис. 2А). На рис 2.Б показаны структуры актиновой нити и коллагена. Актиновая нить состоит из 2-х свитых между собой спиральных цепей, собранных из глобулярного белка актина; коллагеновая спираль – из трех нитей.

Гексагонально упакованные белковые субъединицы могут образовывать плоские слои или создавать полые трубки, являющиеся оболочками вирусов. Самособирающиеся структуры могут состоять из различных белковых субъединиц и нуклеиновых кислот. Многие большие клеточные структуры построены из разных белков. В некоторых случаях, например в вирусных частицах и рибосомах, в состав таких структур могут входить также ДНК и РНК. Информация о сборке этих структур заключена в строении самих макромолекулярных субъединиц – в соответствующих условиях изолированные субъединицы могут самопроизвольно собираться в пробирке.

Примером самосборки являются функционирующие рибосомы бактерий, которые состоят из 55 белков и 3 молекул РНК. Самосборка рибосомы происходит упорядоченно: сначала к РНК присоединяются некоторые определенные белки, затем другие белки узнают образовавшийся комплекс и т.д. – до завершения формирования структуры.