3.6. Третичная структура

Третичная структура – это полная укладка в пространстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов. Полное представление о третичной структуре дают координаты атомов белка, полученные благодаря рентгеноструктурному анализу. Такие данные получены для большинства белков. Компьютерное моделирование позволяет выявить геометрию полипептидной цепи в целом, а также β-складки, нерегулярные фрагменты, торсионные углы.

Силы, определяющие третичную структуру белка:

- Ван-дер-ваальсовы силы между боковыми радикалами;

- дисульфидные связи, придающие жесткость структуре глобулы.

Трехмерные структуры белков характеризуются плотной упаковкой атомов. Коэффициенты упаковки белковых молекул в нативном состоянии приблизительно такие же, как у правильных сферических тел. Нативные структуры белка имеют незначительные коэффициенты сжимаемости (как у каменной соли). Высокая компактность глобулярных белков подтверждается высокой плотностью, малой вязкостью и малыми объемами нативных белков в растворе.

Белкам свойственен следующий способ организации пространственной структуры:

- формируются гидрофобное ядро и мозаичная поверхность, содержащая гидрофобные и гидрофильные элементы.

Начиная с молекулярной массы 14-16 тыс. наблюдается тенденция к формированию белковой молекулы из двух или большего числа независимо формирующихся глобул, каждая из которых имеет гидрофобное ядро. Называются эти глобулы доменами. Домены формируются различными участками одной и той же цепи. Часто они выполняют свои функциональные задачи.

Гидрофобные взаимодействия стабилизируют структуру белка за счет энтропийного эффекта, связанного с термодинамическими свойствами воды. На каждую алифатическую неполярную боковую цепь, которая выходит из водного окружения, увеличение энтропийного эффекта составляет 20 кал/моль*градус. Переход в неполярную область этой алифатической цепи связан также с увеличением энтальпии. Гидрофобные взаимодействия понижают свободную энергию системы белок-вода (ΔF~3-5 ккал/моль в расчете на одну полярную группу).

Различают глобулярные и волокнистые (фибриллярные) белки. Форму глобулярных белков аппроксимируют эллипсоидом вращения в первом приближении, у которого отношение полуосей 2:1.

Основные типы движения в белковой молекуле.

Тип движения	Амплитуда, Å	Время, с
Атомные флуктуации (несогласованные перемещения отдельных атомов, т.е. повороты вокруг простых связей боковых групп)	0.01 – 1	10-11 – 10-15
Согласованные коллективные перемещения групп атомов	10-2-5	10-12 – 10-3
Индуцированные внешними воздействиями изменения конформации	0.5 - 10	10-9 - 103

Источником первых двух типов движения могут быть тепловые колебания, а третий тип возникает за счет энергии взаимодействия белков с лигандами.

Механизм сборки белка при формировании третичной структуры можно характеризовать как бифуркационный процесс. Согласно теории, свертывание белковой цепи обладает двойственным характером. С одной стороны, весь процесс, начиная с состояния флуктуирующего статистического клубка и заканчивая трехмерной структурой, осуществляется исключительно по беспорядочно поисковому механизму, иначе бы этот процесс не мог бы быть самопроизвольным. С другой стороны, структурная организация белка – это детерминированный процесс, который протекает по определенному пути со строго последовательным рядом стадий. Если бы это было не так, то сборка белковой цепи не совершалось бы так быстро и безостановочно.