Белки: структура третичная (пространственная)
В растворе при физиологических условиях полипептидная цепь сворачивается в компактное образование, имеющее определенную пространственную структуру, которую называют третичной структурой белка, и которая практически полностью определяется первичной структурой белка. В настоящее время с помощью методов рентгеноструктурного анализа и ядерной магнитной спектроскопии (ЯМР-спектроскопия) определены пространственные (третичные) структуры большого числа белков. Почти все эти данные можно найти в Брукхейвенской базе данных по белкам, к которой имеется свободный доступ через Интернет (http://www.pdb.bnl.gov).
Первым белком, пространственная структура которого была установлена на основе анализа картины диффракции рентгеновских лучей на кристалле этого белка, был фибриллярный белок фиброин шелка (Герцог Р., Янке В., 1920 г.).
Определение пространственных структур глобулярных белков оказалось более трудной задачей. Для этого необходимо было преодолеть проблему получения качественных белковых кристаллов и решить методологические проблемы получения и интерпретации создаваемых ими диффракционных картин. Д. Берналу и Д. Крауфорту первым удалось получить удовлетворительную диффракционную картину глобулярного белка [ Bernal JD et al, 1934 ]. Кристаллы белков необычны в том отношении, что они содержат примерно 50% воды. При длительной экспозиции образец высыхал и кристалличность белка терялась. Авторы разработали метод получения увлажненных кристаллов и получили четкую диффракционную картину от кристаллического пепсина.
Первыми глобулярными белками, элементы пространственной структуры которых были определены с помощью рентгено-структурного анализа их кристаллов, были эдестин , альбумин и эксельстин.
Общие черты пространственных структур различных белков были установлены в работах Л.Полинга и Р.Кори [ Pauling L et al, 1950 ]:
1. Длины связей и величины валентных углов всех пептидых груп - одинаковы.
2. Все атомы пептидной группы расположены в одной плоскости и предпочтительной конфигурацией пептидной группы является транс-конфигурация
3. Полипептидная цепь полностью насыщена водородными связями
4. Двухгранные углы вращения вокруг связей N - Cа и Cа - С' отвечают минимумам торсионных потенциалов, а расстояния между всеми валентно не связанными атомами превышают суммы ван-дер-ваальсовых радиусов.
5. Конформационные состояния всех звеньев полипептидной цепи эквивалентны.
Полинг и Кори , проанализировав большой экспериментальный материал по пространственным структурам фибриллярных, глобулярных белков и синтетических пептидов, пришли к заключению об их структурной общности и сформулировали гипотезу, согласно которой альфа-спираль и складчатая бэта-структура имеют фундаментальное значение в пространственной организации белковых молекул и что структуры фибриллярных, глобулярных белков и синтетических пептидов могут быть описаны с помощью небольшого числа канонических форм - некоторых структурных блоков.
Работы Перутца [ Perutz MF at al., 1960 ] и Кендрью [ Kendrew JC at al,1960 ], благодаря которым впервые стали известны на атомном уровне пространственные структуры двух глобулярных белков-миоглобина и гемоглобина,дали блестящее и по-видимому бесспорное доказательство справедливости предположения Полинга и Кори, высказанного в несколько другой форме еще Астбэри и господствовавшего в молекулярной биологии в течение десятилетий, в форме предположения о единстве структурных элементов глобулярных, фибрилярных белков и синтетических полипептидов.
Общая структура свернутого белка исключительно компактна. Например, полностью вытянутая цепь панкреатического трипсинового ингибитора (58 остатков) имеет длину 21.1 нм , а максимальный габаритный размер свернутого белка равен около 2.9 нм. Карбоксипептидаза, состоящая из 307 аминокислотных остатков, в вытянутой форме имеет длину 111.4 нм, а в свернутой - 5.0 нм.
Количественные исследования кристаллографических моделей белков позволили получить новые опытные данные об упаковке атомов в глобуле и об атомной плотности белковых молекул. Нативное состояние белковой молекулы имеет очень высокий коэффициент упаковки, в среднем 75% ( с вариацией от 68 до 82 %; Lee B et al, 1971 ]). Для сравнения, - у правильных сферических тел этот коэффициент равен 74 % , а у молекул жидкой воды и жiдкого циклогексана cоставляет соответственно 58 и 44 %.
По плотности упаковки белки очень близки кристаллам малых органических молекул (70-78 %) , связанных между собой дисперсионными, лондоновскими силами. Из-за высокой плотности упаковки белки отличабтся слабой сжимаемостью. Так их коэффициент сжимаемости меньше, чем у масла, и практически совпадает с коэффициентами сжимаемости олова и каменной соли.
Плотность белка не одинакова во всех частях глобулы. Y. Козман [ Kauzmann W, 1959 ] , например, нашел , что плотность центральеной части ниже кажущейся плотности белковой молекулы в растворе. Низкая плотность и даже " пустоты", т.е. области, не заполненные атомами белка , встречаются в различных частях глобулы. Как правило, в них находятся единичные молекулы воды, связанные с аминокислотными остатками водородными связями. Молекулы воды обнаруживаются рентгеноструктурным анализом и составляют с белком как бы единое целое.
Интересно, что белки, содержащие большое число дисульфидных связей, не отличаются повышенными коэффициентами упаковки и большей плотностью. Аминокислотная последовательность в состоянии статистического клубка ( денатурированное состояние ) характеризуется большой гибкостью. Обычно полагают, что остаток в свободном состоянии обладает в среднем десятью приблизительно равновероятными конформациями. В нативной структуре белка из них у каждого остатка реализуется только одна, а в статистическом клубке могут попеременно присутствовать все десять. Поэтому у развернутой полипептидной цепи возможно огромное количество примерно изоэнергетических конформаций ( приблизительно 10n , где n - число остатков в цепи)
[ Попов ЕМ, 1989 ].
