3.5.6. Четвертичная структура белков

Четвертичная структура – это способ совместной упаковки нескольких полипептидных цепей, то есть нескольких субъединиц – глобул (протомеров, от греч. prṓtos – первый и méros – часть). Полимеры, образованные из нескольких субъединиц, называются олигомерные (от греч. olígos – малый и méros – часть) полимерными образованиями. Например, молекула олигомера – гемоглобина имеет молекулярную массу 64 500 и состоит из двух одинаковых протомеров  (содержащих по 141 остатку) и двух одинаковых протомеров  (содержащих по 146 остатков), связь между которыми обеспечивается гидрофобными взаимодействиями (рис. 3–63, 3–64). Дополнительное взаимодействие субъединиц осуществляется молекулами воды, локализованными в области контактов протомеров и образующими солевые мостики в этих областях.

(а)	(б)
Рис. 3–63. Четвертичная структура гемоглобина, состоящего из двух α- и двух β- полипептидных цепей. С каждой цепью связана группа гемма (Fe внутри гема обозначен шариком)

Рис. 3–64. Четвертичная структура гемоглобина, состоящего из двух α- и двух β- полипептидных цепей. С каждой цепью связана группа гемма (условно обозначенная прямоугольником с Fe)

Четыре субъединицы (две α и две β) вместе составляют почти правильный тетрамер размером 6,0 x 5,5 х 6,9 нм, внутри которого имеется полость длиной 5 нм и сечением 2,0 х 1,0 нм, пронизывающая всю молекулу гемоглобина.

Связь между идентичными протомерами слабее, чем разнородными. Поэтому молекула гемоглобина легко диссоциирует на две (₁₁ и ₂₂)–половинки.

В гемоглобин входит четыре активных центра – гема, содержащих ионы железа. Взаимодействие между центрами является аллостерическим, то есть осуществляется посредством деформации молекулы фермента. Как указывалось выше (п.6.5.4, с.282), ион железа образует четыре донорно-акцепторных связи Fe⁺⁺–N в геме, одну связь с гистидином α-спирали F (см. рис. 3–56) и еще одну связь он может иметь с молекулой кислорода. Чтобы кислород из окружающей среды подошел к гему, нужна согласованная тепловая флуктуация конформации нескольких боковых групп, прикрывающих гем.

Когда кислород, подойдя к гему, связывается с ионом железа Fe⁺⁺, у иона железа меняется спиновое состояние: за счет перераспределения электронов на валентных орбиталях изменяется суммарный спин иона. При этом изменяется пространственная конфигурация электронной плотности (ч.3, с. 281–284, 291–293), ион уменьшается в диаметре, входит в центр порфиринового кольца гема и тянет (на 0,5Å) за собой гистидин HisF8. Таким образом, изменение электронного состояния иона железа Fe⁺⁺, приводит к конформационному изменению состояния одной (из α₁, α₂, β₁, β₂) субъединицы гемоглобина, с гемом которой связался кислород. Смещение гистидина в субъединице с О₂ – посредством множества мелких деформаций белка – изменяет ее обводы так, что контакт ее с другими субъединицами ослабляется. У субъединиц, не связавших О₂, появляются дополнительные степени свободы, благодаря чему их гистидины начинают вдавливать свои ионы железа в центры гемов. Смещенные в центр гемов ионы Fe⁺⁺ легче связывают О₂. Таким образом, связь одной молекулы О₂ с гемоглобином ускоряет связывание остальных трех молекул кислорода. Точно так же передача гемоглобином одного О₂ облегчает передачу остальных молекул О₂.

Полимерные белковые образования четвертичной структуры можно разделить на два вида.

1. Образования, длина которых сопоставима с их диаметром. К ним относятся белковые оболочки вирусов, имеющих сферическую форму или форму икосаэдра, как у вируса вызывающего острые респиративные (лат. respiro – дышу) заболевания.

2. Образования, длина которых много больше их диаметра. Сюда относится актин F (один из основных белков сократительных элементов мышечных волокон), составляющий ~25% от общего количества белков мышечной ткани.

	((а)
	((б)
Рис. 3–65. Субъединичная структура некоторых сложных белков: (а) – микротрубочек (вид с торца – слева и сбоку – справа), образованных глобулярным белком тубулином; (б) – фибриллярный белок мышц, сложенный из глобул актина

Актин F (фибриллярный) представляет собой спираль длиной 1000 нм и диаметром 7 нм, скрученную из двух нитей, состоящих из связанных нековалентными силами субъединиц актина G (глобулярного), образованного одной полипептидной цепью и 376 аминокислотными остатками (рис. 3–65 б).

Другим примером являются микротрубочки – составная часть цитоскелета клеток (рис. 3–65 а). В основе строения микротрубочек лежит нитевидная структура, состоящая из большого числа молекул глобулярного белка тубулина и микрофиламентов (нитей фибриллярного белка актина немышечной природы), следующих друг за другом как бусинки в бусах. Микротрубочки имеют форму цилиндров диаметром около 25 нм, образованных из скрученных в спираль тубулиновых цепочек. Кроме того микротрубочки составляют основу ресничек – клеток мерцательного эпителия.