Третинна структура

Третинна структура – це трьохмірна укладка поліпептидного ланцюга, яка стабілізується внутрішньомолекулярними взаємодіями радикалів амінокислотних залишків. Внаслідок вільного обертання навколо a-вуглецевих атомів радикали можуть по-різному орієнтуватись в просторі, утворюючі зв’язки із спорідненими групами і забезпечуючи термодинамічно вигідну укладку молекули.

В глобулярних білках поліпептидний ланцюг містить багато гідрофільних полярних радикалів, які орієнтуються назовні глобули, до оточуючого водного середовища, утворюючі водневі зв’язки з молекулами води. Гідрофобні радикали переважно занурюються всередину глобули, уникаючи контактів із водним середовищем, і утворюють між собою гідрофобні зв’язки. Оскільки кожний радикал є полярним (гідрофільним), або неполярним (гідрофобним), то водневі і гідрофобні зв’язки відіграють вирішальну роль в формуванні глобули. Утворена компактна кулеподібна структура стабілізується більш міцними йонними та дисульфідними зв’язками:

Зв’язки у третинній структурі білка: 1 – водневі, 2 – йонні, 3 – дисульфідні, 4 – гідрофобні.

В компактній глобулі поруч опиняються групи, які в поліпептидному ланцюгу розташовані на значній відстані. Вони утворюють області з просторовою і хімічною специфічністю і забезпечують виконання певних функцій молекули. Такі відносно структурно і функціонально автономні фрагменти третинної структури називаються доменами. Домени виділяються при обережному розщепленні білків і зберігають характерні властивості цілого білку.

Перша модель третинної структури була створена для міоглобіну кашалота в 1957 році Дж. Кендрю із співробітниками (Англія) і удостоєна Нобелівської премії в 1962 p. Виявилось, що поліпептидний ланцюг міоглобіну, утворений з 153 амінокислотних залишків, має 8 відносно прямолінійних спіралізованих ділянок, розділених між собою згинами. Укладка молекули міоглобіну така компактна, що всередині може розміститись лише чотири молекули води.

Таким чином, з усіх можливих конформацій внаслідок вільного обертання амінокислотних радикалів і транс-розташування атомів в пептидних групах, поліпептидний ланцюг укладається в енергетично найбільш вигідну, найменш напружену. Для кожного індивідуального ланцюга з певною амінокислотною послідовністю в фізіологічних умовах клітини реалізується лише одна конформація, в якій він проявляє біологічну активність. Отже просторова форма білкових молекул однозначно визначається їх первинною структурою.

Значення способу укладки поліпептидного ланцюга яскраво проявляється на прикладі відкриття молекулярної мішені сметрельної хвороби коров’ячого сказу – інфекційної енцефалопатії, яка проявляється через віддалений час (більше року) після ураження і не має видових бар’єрів. Доведено (Prusiner at.al., 1982), що збудник хвороби має унікальну природу – це білок, названий “пріон”, який складається лише з одного поліпептидного ланцюга (Mr – 27 – 30 кД). Білок з ідентичною первинною структурою закодований в нормальному генотипі і повсемісно знайдений в досліджуваних організмах. Відмінність між нормальним білком і пріоном виявляється на рівні просторової структури. Дослідження, проведені в 1990 – 1993 р.р.(Pan et al), показали, що нормальний білок має енергетично вигідну конформацію, в якій на α-спіраль припадає біля 40% ланцюга, а на β-антипаралельні складки – лише 7% (всього 8 залишків в двох коротких фрагментах), тоді як молекула пріону на 50% утворена β-структурою і тільки на 20% - α-спіраллю. Відповідно нормальний білок є розчинним, а його токсичний варіант нерозчинний і утворює аморфні агрегати. Незрозуміло, чому токсичність пріону проявляється саме у центральній нервовій системі, тоді як нормальний аналог дуже поширений, які причини і механізм трансформації білка. На даному етапі можна лише узагальнити, що сучасні методи дослідження дозволили відкрити принципово новий механізм перенесення інфекції, який може бути застосований до хвороб, відомих досить довгий час.

Гомологічні білки, які виконують однакову функцію у різних організмів, дещо відрізняють за амінокислотним складом. Однак, як правило, ці відмінності не позначаються на характері зв’язків і тому вони мають однакову доменну будову.

Однак, є випадки, коли заміна лише одного залишку у великій молекулі істотно позначається на її функції. Наприклад, у хворих на серповидноклітинну анемію, при якій еритроцити крові мають неправильну форму, що приводить до порушення кровопостачання, причиною аномалії є заміна в молекулі гемоглобіну: в двох b-ланцюгах негативно зарядженого залишку глутамінової кислоти в положенні № 6 на гідрофобний залишок валіну. Ця аномалія є результатом мутації і передається по спадковості.

Існування чисельних амінокислотних послідовностей в природі визначає різноманітність форм білкових молекул. Таким чином, вже на найнижчому рівні організації - молекулярному - обумовлюється морфологічна багатоманітність форм.

Укладка поліпептидного ланцюга в просторову структуру відбувається дуже швидко. Якби поліпептид із ста амінокислотних залишків згортався в просторі шляхом “проб і помилок”, це зайняло би не менш, ніж 1050 років. В дійсності час укладки такої молекули при 370 становить біля п’яти секунд.

Дата добавления: 2015-09-06