3.7. Четвертичная структура

Она формируется в результате ассоциации двух или большего числа белков. Эта структура обусловлена действием локальных сил между функциональными группами, расположенными на поверхности белковых молекул.

При выделении белка из тканей или клеток, сначала разрушают клеточную структуру. Это осуществляют с помощью механических методов, с помощью ультразвука, химических или ферментативных агентов. Т.к. многие химические реакции при понижении температуры протекают медленнее, в том числе и гидролиз, чтобы не повредить структуру белков при гидролизе клеточными ферментами, используют температуру 4-6 ºС.

Растворимость белка зависит от концентрации соли и рН. Для разных белков их величины различны и этим пользуются для очистки и идентификации белков. Выпадение белка в осадок наблюдается при высокой концентрации соли – эффект высаливания (это обратимое явление и его часто используют как 1-ый этап в очистке белка). Для дальнейшей очистки и обогащения белков используют различия следующих свойств:

1. молекулярной массы (гель-электрофорез, метод молекулярного сита, ультрацентрифугирование);

2. растворимости;

3. электрического заряда (ионообмен);

4. хроматографии, адсорбируемости белков различными веществами;

5. сродства белков с различными молекулами.

3.8. Физико-химические свойства белков

На поверхности белковой глобулы сосредоточены в основном полярные и заряженные атомы, которые взаимодействуют с водным окружением. Именно группы основной цепи и заряженные атомы боковых цепей, а также полярные боковые цепи находятся на поверхности. Между противоположно заряженными группами образуются солевые мостики (ионные связи). Дисульфидные мостики могут быть расположены как внутри, так и на поверхности белковой глобулы. Внутренность белковой глобулы – это неполярная среда, защищенная от контакта с растворителем плотной упаковкой атомов.

Полярной или заряженной группе энергетически невыгодно находиться в таком гидрофобном окружении, если она не взаимодействует с другой гидрофобной группой или атомом с противоположным зарядом. Поэтому оставшиеся внутри амино- и карбоксигруппы основной цепи белка образуют водородные связи, формируя α-спирали и β-структуры, а заряженные группы глутаминовой кислоты и лизина образуют солевые мостики.

Сворачивание белковой молекулы осуществляется немногими путями. Информация о сворачивании белка заложена в его аминокислотной последовательности. Одно из предположений: отдельные участки белковой молекулы, например, α-спираль, формируются в первую очередь и служат как бы центрами конденсации для остальных частей молекулы. Стабильность свернутой молекулы белка в водном окружении приблизительно оценивается величиной в 40 кДж/моль.

Основной движущей силой процесса сворачивания является энтропийный гидрофобный эффект, из-за которого неполярные группы выходят из водного окружения и оказываются внутри глобулы. В дальнейшем стабилизация приводит к образованию внутренних водородных связей, а также дисульфидных и солевых мостиков, но существует и энтропийный эффект, препятствующий сворачиванию. Речь идет о том, что у свернутой молекулы число конформаций меньше, чем у развернутой. А уменьшение числа конформаций энтропийно невыгодно.

В крупных белках большая вероятность того, что молекула будет состоять из двух доменов. По своей структуре каждый домен представляет собой белок (приблизительно 40 – 300 аминокислотных остатков).

Классификация доменов:

- α/α-домены, когда белковая цепь состоит из α-спирали, а β-участок почти отсутствует; α-цепи располагаются так, что неполярные боковые цепи оказываются внутри.

- β/β-домены, когда возникает несколько β-цепей и нет или почти нет α-спиральных участков (иммуноглобулин G), β-слои частично скручены.

- α-β-домены, когда α- и β-участки чередуются вдоль цепи и β-участки формируют параллельный слой, окруженный α-спиралями.

- α+β-домены, когда α- и β-участки расположены в различных местах молекулы.

Четвертичная структура характерна для белков, построенных из нескольких пептидных цепей. Такие белки называются олигомерами, одну цепь называют протомером. Четвертичная структура – это и количество, и способ укладки протомеров в пространстве.

Протомеры связаны друг с другом посредством водородных связей, ионных и гидрофобных взаимодействий. Они взаимодействуют друг с другом определенными участками своей поверхности (контактами). Взаимное узнавание контактных участков происходит по принципу комплементарности (взаимное дополнение). Следовательно, ошибочные комплексы в олигомере практически невозможны, каждый протомер взаимодействует с другим во многих точках. Олигомерные белки способны взаимодействовать с несколькими лигандами в центрах, удаленных друг от друга. Связывание одного протомера с лигандом изменяет конформацию этого протомера и всего олигомера. При этом изменяется сродство к другим лигандам. Такие лиганды называются аллостерическими.

Функциональная активность олигомерных белков может регулироваться аллостерическими лигандами. Например, гемоглобин – это олигомер, состоящий из четырех промеров. Основная функция гемоглобина− связывание с кислородом в легких, где парциальное давление кислорода высокое. Он взаимодействует с четырьмя молекулами кислорода. Аллостерический эффект проявляется следующим образом: первый связанный лиганд (молекула кислорода) облегчает связывание со вторым; в свою очередь это облегчает связывание с третьим, затем с четвертым. В ткани СО₂ и Н₂О, которые образуются при катаболизме пищевых веществ, взаимодействуют с гемоглобином и уменьшает его сродство с кислородом, в результате регулируется содержание молекул кислорода в ткани.

В эритроцитах имеется аллостерический лиганд 2-3 дифосфоглицерат, способный взаимодействовать с дезоксигемоглобином. Следовательно, связывание гемоглобина с этим лигандом препятствует обратному связыванию освобожденного кислорода с гемоглобином. Этот эффект является результатом связывания лиганда со специфическим участком белка. Это вызывают изменение в молекуле белка, которое влияет на активность другого пространственно удаленного участка. Кооперативные изменения конформации олигомерных белков составляют основу механизма регуляции функциональной активности многих белков.