Характеристика конформацій поліпептидів

Спіральна структура. Модель просторової конфігурації поліпептидного ланцюга у вигляді спіралі вперше запропонували Л. Полінг і Р. Корі в 1951 p. на основі даних рентгеноструктурного аналізу білків і пептидів (рис. 4). Спіральна структура утворюється, як правило, тоді, коли в усіх ланках поліпептидного ланцюга кути повороту навколо простих зв’язків близькі до 60 або 45°. Це приводить до поступового закручування поліпептидного ланцюга та утворення a-спіралі. Згідно з розрахунками Л. Полінга і Р. Корі, a-спіраль є найоптимальнішою в енергетичному відношенні, оскільки має найменший рівень вільної енергії. Стабілізується a-спіраль внутрішньомолекулярними водневими зв’язками, які виникають між воднем іміногрупи та киснем карбонільної групи пептидних угрупувань остову поліпептидного ланцюга.

Рис. 4. Вторинна структура: (а) – площинна; (b) – α-спіраль;

(c) – вид зверху; (d) – вид збоку.

Усі водневі зв’язки, які стабілізують a-спіраль, приблизно паралельні до осі спіралі і колінеарні один одному, що відповідає мінімуму вільної енергії. Радикали залишків амінокислот розміщуються на периферичних ділянках утвореного a-спіраллю уявного циліндра по різні боки від осі спіралі. Кислотно-основні властивості радикалів можуть забезпечувати гідрофобну або гідрофільну природу окремих ділянок поверхні a-спіральної структури.

Велика кількість неполярних радикалів, згрупованих на одному боці a-спіралі, утворює так звані гідрофобні кластери, або дуги, які можуть створювати умови для зближення окремих a-спіральних ділянок. Це має певне значення при формуванні надвторинних структур.

Радикали амінокислот помітно впливають на утворення і стабілізацію a-спіралі. Так, проведені дослідження з поліаланіном, радикали якого за величиною незначні і не мають заряду, свідчать про те, що він самовільно утворює a-спіральну структуру у водному розчині при рН=7,0. Поліпептид на основі іншої амінокислоти – лізину, тобто полілізин, при цьому самому значенні рН a-спіралі не утворює, а має вигляд невпорядкованого клубка. У нейтральному середовищі радикали лізину мають позитивний заряд, що перешкоджає їм зближуватися, оскільки діють сили відштовхування, причому ці сили переважають сили, які необхідні для утворення внутрішньоланцюгових водневих зв’язків. Подібні експерименти було проведено з поліамінокислотами. Це дало змогу встановити, що деякі амінокислоти (аланін, валін, лейцин, метіонін, фенілаланін, тирозин, триптофан, гістидин тощо) сприяють утворенню a-спіралі, особливо коли вони розміщені поряд у поліпептидному ланцюгу. Інші амінокислоти, такі як лізин, аргінін, гліцин, серин, треонін, аспарагінова і глутамінова кислоти сприяють дестабілізації a-спіралі. Разом з цим окремі амінокислоти, зокрема пролін і оксипролін, просторово в спіральну структуру не вкладаються. На цих ділянках напрям поліпептидного ланцюга змінюється на 103°, і спіральна структура порушується.

Наведені вище дані свідчать проте, що поліпептидні ланцюги у молекулах білка спіралізовані не повністю. Для кожного білка характерний певний ступінь спіралізації поліпептидного ланцюга. Наприклад, для білка гемоглобіну ступінь спіралізації дорівнює 75%, для альбуміну курячого яйця – 45, а для рибонуклеази – лише 17%. Тому під вторинною структурою білка розуміють певне співвідношення спіралізованих ділянок поліпептидного ланцюга з лінійними, нерегулярними, аморфними переходами, в яких порушені водневі зв’язки.

a-Спіраль характеризується такими параметрами. На один виток a-спіралі припадає 3,6 залишки амінокислот, а крок спіралі (відстань між витками) дорівнює 0,54 нм. Кут підйому витка дорівнює 26°, а висота одного залишку амінокислоти досягає 0,15 нм. Період ідентичності, тобто довжина відрізка спіралі, яка повністю повторюється по ходу її, становить 2,7 нм і включає 18 залишків амінокислот. Число атомів витка, який стабілізується водневими зв’язками, 13. Отже, формула a-спіралі має такі параметри: 3,6₁₃-спіраль.

a-Спіраль може бути ліво- або правозакрученою (рис. 5). У білках, як правило, правозакручена a-спіраль, що певною мірою пов’язано з тим, що до складу білків входять амінокислоти L-ряду. Для a-спіралі характерні певні особливості – a-спіраль має гвинтову симетрію і регулярність витків.

Пошарово-складчаста структура. Це різновид вторинної структури білків, яка має зигзагоподібну конфігурацію і характерна для розміщених паралельно витягнутих ділянок одного поліпептидного ланцюга (крос-b-форма) або кількох поліпептидних ланцюгів (повна b-структура) (рис. 6). У першому випадку структура стабілізується водневими зв’язками в межах окремих ділянок одного поліпептидного ланцюга (внутрішньо ланцюгові водневі зв’язки), а в другому – водневими зв’язками між суміжними ділянками кількох поліпептидних ланцюгів (міжланцюгові водневі зв’язки).

Рис. 5. a-Спіраль може бути ліво- або правозакрученою

Рис. 6. b-структура (а) – антипаралельна; (b) – паралельна

У нативних білках зустрічаються обидва види пошарово-складчастої структури. Крім того, пошарово-складчаста структура має ще таку її різновидність, як b-вигин (реверсний розворот), який виникає тоді, коли поліпептидний ланцюг робить розворот назад та орієнтується вздовж самого себе в зворотному напрямку (рис. 7).

Рис. 7. b-вигин

Уперше b-структуру, як один з варіантів просторової конфігурації поліпептидного ланцюга, було описано в 1941 p. У. Астбері на основі рентгеноструктурного аналізу білка b-кератину. В 50-х роках Л. Полінг і Р. Корі докладно вивчили особливості b-структури, її види, стабілізацію тощо. До білків з b-структурою належать фіброїн шовку, кератин волосся та інші фібрилярні білки. У глобулярних білків у формуванні b-структур беруть участь до15 % залишків амінокислот.

Отже, просторова конфігурація поліпептидннх ланцюгів значною мірою визначається видом білка. Так, у фібрилярних білків вторинна структура може бути представлена лише спіральними або лише пошарово-складчастими структурами. В глобулярних білках можливі різні варіанти:

а) частина структури – a-спіраль, друга частина – складчастий лист, частина – статичний клубок;

б) частина структури – спіраль, частина – статичний клубок;

в) складчастий лист – статичний клубок;

г) уся структура – статичний клубок.

Третинна структура – це просторове розташування вторинної будови у вигляді глобули (куля, еліпсоїд) або фібріли (товщина менше довжини у 7 або більше разів). Ця будова стабілізується зв’язками між радикалами: дисульфідними (цис-цис), водневими (асн-сер), гідрофобними (Ван-дер-Ваальсові між неполярними радикалами), складно-ефірними (між асп, глу з одного боку та сер, тре з другого), просто-естерними (сер-тре), ізопептидними (між асп та глу з одного боку та ліз, арг, гіс з другого) та іонними (між цими ж амінокислотними залишками). У місцях локалізації проліну (та оксіпроліну) ланцюг якби зламується (один водневий зв’язок, жорсткий зв’язок С-N у самому радикалі амінокислоти), загин ланцюга також проходить у місцях локалізації гліцину, де радикал – атом водню. Звичайно у центрі водорозчинного білка містяться гідрофобні амінокислотні залишки, а навколо цього ядра ланцюг з гідрофільних амінокислот, що зв’язують молекули води (рис.2).

Четвертинна структура – це об’єднання декількох первинних структур (субодиниць) у одну молекулу з участю різних зв’язків (рис. 2). Наприклад, молекула гемоглобіну складається з двох a- (по 142 амінокислотних залишки) та двох b- (по 146 амінокислотних залишків) субодиниць, причому кожна субодиниця несе по одному гему.