Вторичная структура белков

Пептидные цепи белков организованы во вторичную структуру, стабилизированную водородными связями. Атом кислорода каждой пептидной группы образует при этом водородную связь с NH-группой, соответствующей пептидной связи. При этом формируются следующие структуры: а-спираль, структура и р-изгиб.

а-Спираль. Одной из наиболее термодинамически выгодных структур является правая а-спираль. На рис. 3.1 изображена а-спираль, представляющая устойчивую структуру, в которой каждая карбонильная группа образует водородную связь с четвертой по ходу цепи NH-группой. В а-спирали на один ее виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг спирали составляет примерно 0,54 нм, а расстояние между остатками — 0,15 нм. В а-спиральных участках торсионные углы ф и у равны 60 и 45^е и последовательно расположенные полипептидные звенья взаимно ориентированы.

L-Аминокислоты могут образовывать только правые а-спирали, причем боковые радикалы расположены по обе стороны оси и обращены наружу. В а-спирали полностью использована возможность образования водородных связей, поэтому она не способна в отличие от p-структуры образовывать водородные связи с другими элементами вторичной структуры. При образовании а-спирали боковые цепи аминокислот могут сближаться, образуя гидрофобные или гидрофильные компактные сайты. Эти сайты играют существенную роль при образовании трехмерной конформации белковой макромолекулы, так как используются для упаковки а-спиралей в пространственной структуре белка.

Рис. 3.1. а-Спираль белка аполипопротсина С-1 (но В. М. Степанову): а — гидрофильная поверхность: б — гидрофобная поверхность а-спирали белка Спираль-клубок. Содержание а-спиралсй в белках неодинаково и является индивидуальной особенностью каждой белковой макромолекулы. Для некоторых белков, например для миоглобина, а-спираль лежит в основе структуры, другие, например химотрипсин, не имеют а-спирализованных участков. В среднем глобулярные белки имеют степень спирализации порядка 60—70%. Спирализованные участки чередуются с хаотическими клубками, причем в результате денатурации переходы спираль—клубок увеличиваются. Спирализация полипептидной цепи зависит от аминокислотных остатков, ее образующих. Так, отрицательно заряженные группы глутаминовой кислоты, расположенные в непосредственной близости друг от друга, испытывают сильное взаимное отталкивание, что препятствует образованию соответствующих водородных связей в а-спирали. По той же причине спирализация цепи затруднена в результате отталкивания близко расположенных положительно заряженных химических группировок лизина или аргинина. Большие размеры радикалов аминокислот также являются причиной, по которой спирализация полипептидной цепи затруднена (серин, треонин, лейцин). Наиболее часто интерферирующим фактором при образовании а-спирали является аминокислота пролин. Как известно, в пролине атом азота входит в состав жесткого кольца, что препятствует вращению вокруг связи N—С_а. Кроме того, пролин не образует внутрицепочечную водородную связь из-за отсутствия при атоме азота водородного атома. Таким образом, во всех случаях, когда в полипептидной цепи встречается пролин, а-спиральная структура нарушается и образуется клубок или р-изгиб.

Р-Структура. В отличие от а-спирали p-структура образована за счет межцепочечных водородных связей между соседними участками полипептидной цепи, так как внугрицепочечные контакты отсутствуют. Если эти участки направлены в одну сторону, то такая структура называется параллельной (ср = —119°, ц/ = +113°) (рис. 3.2), если же в противоположную (<�р = -139^е, у = +135°), то анти параллельной (рис. 3.3).

Рис. 3.2. Параллельная p-структура флаволокеина (по В. М. Степанову): пунктиром показаны водородные связи.

Рис. 3.3. Анти параллельная и кристаллическая структуры супероксиддисмутазы.

Полипептидная цепь в p-структуре сильно вытянута и имеет не спиральную, а скорее зигзагообразную форму. Расстояние между соседними аминокислотными остатками по оси составляет 0,35 нм, т. е. в три раза больше, чем в а-спирали, число остатков на виток равно 2.

В случае параллельного расположения p-структуры водородные связи менее прочны по сравнению с таковыми при антипараллельном расположении аминокислотных остатков. В отличие от а-спирали, насыщенной водородными связями, каждый участок полипептидной цепи в p-структуре открыт для образования дополнительных водородных связей. Сказанное относится как к параллельной, так и к антипараллельной p-структуре, однако в антипараллельной структуре связи более стабильны. В отрезке полипептидной цепи, образующей p-структуру, находится от трех до семи аминокислотных остатков, а сама p-структура состоит из 2—6 цепей, хотя их число может быть и большим. p-Структура имеет складчатую форму, зависящую от соответствующих а-углеродных атомов. Поверхность ее может быть плоской и левозакрученной таким образом, чтобы угол между отдельными отрезками цепи составлял 20—25° (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Протяженный р-складчатый слой (в карбангидразс человека).

Рис. 3.5. р-Изгиб полипептидной цепи (по В. М. Степанову).

р-Изгиб. Глобулярные белки имеют шарообразную форму во многом благодаря тому, что для полипептидной цепи характерно наличие петель, зигзагов, шпилек, причем направление цепи может изменяться даже на 180°. В последнем случае имеет место p-изгиб (рис. 3.5).

Этот изгиб по форме напоминает шпильку для волос и стабилизируется одной водородной связью. Фактором, препятствующим его образованию, могут быть большие боковые радикалы, и поэтому довольно часто наблюдается включение в него наименьшего аминокислотного остатка — глицина. Эта конфигурация оказывается всегда на поверхности белковой глобулы, в связи с чем р-изгиб принимает участие во взаимодействии с другими полипептидными цепями.

Супервторичные структуры. Впервые супервторичные структуры белков были постулированы и затем обнаружены Л. Полингом и Р. Кори. В качестве примера можно привести суперспирализованную а-спираль, в которой две аспирали скручены в левую суперспираль (рис. 3.6). Однако чаше суперспиральные структуры включают в себя как а-спирали, так и р-складчатыс листы. Их состав может быть представлен следующим образом: (cm), (ар), (ра) и (РХР). Последний вариант представляет собой два параллельных складчатых листа, между которыми находится статистический клубок (рСр), а-спираль (раР) или p-структура (РРР).

Соотношение между вторичной и супервторичной структурами имеет высокую степень вариабильности и зависит от индивидуальных особенностей той или иной белковой макромолекулы.

Домены — более сложные уровни организации вторичной структуры. Они представляют собой обособленные глобулярные участки, соединенные друг с другом короткими так называемыми шарнирными участками полипептидной цепи. Д. Бирктофт одним из первых описал доменную организацию химотрипсина, отметив наличие двух доменов у этого белка. Каждый из них имеет цилиндрическую форму, образованную p-структурой, и состоит из 6 антипараллельных цепей. В один из этих доменов входят 139 аминокислот с УУ-конца, другой — С-концевой включает в себя 115 аминокислотных остатков.

Рис. 3.6. Супервторичные p-структуры:

цилиндрами обозначены а-спирали; затемненные области — нсспирялизованные участки; стрелки — р-складчатые слои Доменная организация характерна для многих белков. В этих белках, как правило, находится несколько структурных доменов, каждый из которых содержит до 200 аминокислотных остатков. Примером тому может быть белок глицеральдегидфосфатдегидрогеназа (ГАФД) (рис. 3.7).

В некоторых белках, например в иммуноглобулинах или сериновых протсиназах, структурные домены сходны по своей первичной структуре, что указывает на возможный механизм дубликации соответствующих генов, в других белках, например в гемоглобине, имеются определенные различия.

Рис. 3.8. Домены гемоглобина человека: цилиндры — u-спирали; связывающие их нити — аморфные участки (по PDB-2001) (Yang, J., Kloek, А. Р., Goldberg, D. Е., Mathews, F. S.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92. p. 4224, 1995).

Рис. 3.7. Домены ГАФД из мышц омара (по А. А. Анисимову): а — НАД" -связывающий домен; 6 — каталитический домен.

(рис. 3.8). По строению домены в белках разделяют на несколько групп в зависимости от содержания в них а-спиралей и^{-складчатых} листов.

Таким образом, можно отметить следующее.

• • Водородные связи достаточно лабильны сами по себе, причем уязвимость их увеличивается при образовании вторичной структуры, так как карбоксильные и аминные группы могут взаимодействовать не только между собой, но и с водой. Оказалось, что вторичная структура является достаточно устойчивой только при образовании компактной белковой глобулы.
• • Формирование вторичной структуры обусловлено последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Боковые радикалы, взаимодействуя друг с другом, индуцируют процесс образования пространственной структуры, наиболее стабильной ее конформации. Более того, оказалось возможным предсказать тип вторичной структуры наиболее точно для а-спирали по сравнению с р-складчатыми листами.