Конформація протеїнів значною мірою стабілізується за допомогою слабких взаємодій

ТРИВИМІРНА СТРУКТУРА ПРОТЕЇНІВ

Загальний огляд структури протеїнів

Вторинна структура протеїнів

Третинна та четвертинна структури протеїнів

Денатурація та згортання протеїнів

Напевно, найдивовижнішою особливістю (міоґлобіну) є його складність і відсутність симетрії. Його структура майже не має того типу впорядкованості, якого можна було б підсвідомо очікувати, вона складніша, ніж це передбачала будь-яка з теорій про структуру протеїнів

Джон Кендрю, стаття в Nature, 1958

Ковалентний каркас молекули типового протеїна містить сотні зв’язків. Оскільки навколо багатьох із цих зв'язків можливе вільне обертання, то молекула протеїну могла б набувати необмеженого числа конформацій. Проте кожен протеїн виконує специфічну хімічну чи структурну функцію, що чітко вказує на його унікальну тривимірну структуру (Рис. 4-1). У кінці 1920-х років вперше були отримані кристали кількох протеїнів, зокрема гемоґлобіну (М_r 64500) і ензиму уреази (M_r 483000). Відомо, що впорядковане розташування молекул у кристалі може утворюватися тільки у випадку ідентичності молекулярних одиниць, тому вже сам факт існування кристалів багатьох протеїнів чітко вказував на те, що навіть дуже великі із них – це окремі хімічні утворення з унікальною структурою. Цей висновок мав визначальний вплив на подальше розуміння структури і функцій протеїнів.

У цьому розділі ми розглянемо тривимірну структуру протеїнів, звернувши увагу на таких п'ять основних моментів: (1) тривимірна структура протеїну визначається його амінокислотною послідовністю; (2) функція протеїну залежить від його структури; (3) виділений протеїн зазвичай існує в одній чи декількох стабільних структурних формах; (4) найважливіші сили, які стабілізують специфічну структуру протеїну, – це нековалентні взаємодії; (5) у великому розмаїтті унікальних структур протеїнів можна виділити декілька спільних структурних мотивів, які  допомагають зрозуміти будову протеїнів у цілому.

Все наведене зовсім не означає, що протеїни існують у формі статичних, незмінних тривимірних утворень. У процесі їх функціонування досить часто відбувається взаємоперетворення двох чи навіть кількох різних структурних конформацій. Динамічні аспекти структури протеїнів буде розглянуто в розділах 5 та 6.

Взаємозв'язок між амінокислотною послідовністю протеїну і його тривимірною структурою – складна проблема, яка вирішується поступово з розвитком методів сучасної біохімії. З’ясування структури, у свою чергу, необхідне для обговорення функцій протеїнів у подальших розділах. Використовуючи фундаментальні принципи хімії та фізики ми можемо відкрити і зрозуміти багато нового у біохімічному лабіринті даних щодо структури протеїнів.

Загальний огляд структури протеїнів

Просторове розташування атомів в молекулі протеїну називають його  конформацією. Можливі конформації протеїну включають такі структурні стани, яких може набути молекула без розриву ковалентних зв'язків. Зміна конформації може відбуватися, наприклад, у випадку обертання атомів навколо одинарних зв'язків. З усіх численних теоретично можливих конформацій протеїну, з сотнями одинарних зв'язків, в біологічних умовах переважає одна або (частіше) декілька з них. Існування численних стабільних конформацій пов’язане із змінами, що відбуваються у більшості протеїнів під час зв'язування з іншими молекулами, або в процесі каталізу. За певних умов молекула протеїну, к правило, існує в одній, термодинамічно найстабільнішій конформації, якій властивий найнижчий рівень вільної енерґії Ґіббса (G). Протеїни, які перебувають у своїй функціональній, згорнутій конформації, називають нативними протеїнами.

За якими принципами визначається найбільш стабільна конформація протеїну? Вивчення цього питання найкраще проводити поступово, починаючи з розгляду первинної структури, наведеного в Розділі 3, а потім - вторинної, третинної та четвертинної структур. До такого традиційного підходу слід додати нові ідеї відносно надвторинних структур, а також зростаючу кількість даних про відомі і вже класифіковані способи згортання протеїнів, що вносить важливий організаційний момент у розуміння цієї складної проблеми. Ми почнемо з обговорення деяких основних принципів структури протеїнів.

Конформація протеїнів значною мірою стабілізується за допомогою слабких взаємодій

Відносно структури протеїнів термін стабільність можна визначити як здатність підтримувати нативну конформацію. Нативні протеїни можна вважати стабільними лише досить умовно; за фізіолоґічних умов згорнену і незгорнену конформації типових протеїнів розділяє різниця в ΔG лише в межах від 20 до 65 кДж/моль. Теоретично будь-який поліпептидний ланцюг може мати незліченну кількість різних конформацій, внаслідок чого його незгорнений стан характеризується високим значенням конформаційної ентропії. Ця ентропія і велика кількість водневих зв'язків, що виникають між групами поліпептидного ланцюга та розчинником (водою), сприяють існуванню незгорненої конформації. Хімічні взаємодії, які протидіють цим впливам і стабілізують нативну конформацію, – це дисульфідні зв'язки і описані в розділі 2 слабкі (нековалентні) взаємодії, а саме водневі зв'язки, гідрофобні та іонні взаємодії. Визначальна роль слабких взаємодій особливо важлива для розуміння того, яким чином поліпептидний ланцюг згортається в специфічну вторинну і третинну структури, а також взаємодіє з іншими поліпептидами з утворенням четвертинної структури.

Для розриву одного ковалентного зв'язку необхідно витратити від 200 до 460 кДж/моль, тоді як для слабких взаємодій це значення складає від 4 до 30 кДж/моль. Певні ковалентні зв'язки, що беруть участь у підтриманні нативної конформації протеїнів (як, наприклад, дисульфідні зв'язки між окремими частинами поліпептидного ланцюга), набагато сильніші за окремі слабкі взаємодії. Але саме завдяки своїй чисельності слабкі взаємодій виступають основним стабілізуючим фактором структури протеїнів. Загалом конформація протеїну з найнижчою вільною енерґією (тобто найбільш стабільна) характеризується максимальною кількістю слабких взаємодій.

Стабільність протеїну - це не просто сума вільних енерґій системи, всередині якої існує багато слабких взаємодій. Кожна група, що утворює водневі зв'язки у згорненому поліпептидному ланцюзі, до згортання мала водневий зв'язок з водою, тобто, у разі утворення кожного водневого зв'язку в молекулі протеїну був розірваний водневий зв'язок (подібної міцності) між цією групою і молекулою води. Сумарна стабільність, привнесена даною слабкою взаємодією, або різниця між вільними енерґіями згорненого і незгорненого станів, може бути близькою до нуля. Отже, повинні існувати інші пояснення переваги нативної конформації протеїнів.

Ми встановили, що значення слабких взаємодій для стабільності протеїну можна зрозуміти, виходячи з властивостей води (Розділ 2). Чиста вода складається із мережі зв'язаних водневими зв'язками молекул води. Жодна інша молекула не здатна утворювати таку кількість водневих зв'язків, а поява будь-якої розчиненої у воді молекули речовини знижує цю її здатність. Якщо вода оточує гідрофобну молекулу, то внаслідок оптимального розташування водневих зв’язків навколо неї утворюється високоструктурована оболонка, або сольватний шар води. Зростання впорядкованності молекул води у шарі корелює із енергетично невигідним зменшенням ентропії води. Проте якщо неполярні групи молекул об'єднаються між собою, то об'єм сольватного шару зменшиться, оскільки кожна група не контактуватиме з розчином всією своєю поверхнею. Це призведе до збільшення загальної ентропії системи. Як було відзначено в розділі 2, така зміна ентропії виступає головною термодинамічною рушійною силою, що об'єднує між собою гідрофобні групи у водному розчині. Унаслідок цього гідрофобні бічні ланцюги амінокислот групуються всередині молекули протеїну, віддалік від молекул води.

У фізіологічних умовах такі ж ентропійні процеси значною мірою контролюють і утворення водневих зв'язків в протеїнах, і іонні взаємодії. Полярні групи, як правило, здатні утворювати водневі зв'язки з молекулами води і тому розчиняються у ній. Однак кількість водневих зв'язків на одиницю маси в чистій воді загалом вища, ніж у будь-якій рідині чи розчині, і навіть для найбільш полярних молекул існують межі розчинності, оскільки їх наявність веде до сумарного зменшення кількості водневих зв’язків на одиницю маси. Тому навколо полярних молекул також певною мірою утворюється сольватна оболонка структурованої води. Хоча енерґія утворення внутрішньомолекулярного водневого зв'язку чи іонної взаємодії між двома полярними групами у макромолекулі значною мірою і збалансовується руйнуванням таких взаємодій між цими групами та водою, але вивільнення структурованої води під час формування внутрішньомолекулярної взаємодії забезпечує ентропійну рушійну силу для згортання протеїнів. Тому значна зміна вільної енергії, яка спостерігається під час формування слабких взаємодій всередині молекули протеїну, відбувається внаслідок зростання ентропії у навколишньому водному розчині, що спричинено зануренням всередину гідрофобних поверхонь. Це набагато перевершує значне зниження конформаційної ентропії у випадку утворенні згорненої конформації поліпептиду.  

Гідрофобні взаємодії відіграють важливу роль у стабілізації конформації протеїнів; здебільшого внутрішня частина молекули протеїну, тобто її осердя (або серцевина, англ. – core),  складається із щільно упакованих гідрофобних бічних ланцюгів амінокислот. Важливо також, що кожна полярна або заряджена група всередині молекули протеїну має відповідного партнера для утворення водневих зв'язків чи іонних взаємодій. Внесок одного водневого зв'язку в стабілізацію нативної структури може бути досить незначним, проте наявність здатних до утворення водневого зв’язку чи заряджених груп без відповідних партнерів у гідрофобній серцевині протеїну може бути настільки дестабілізуючим фактором, що конформація з такими групами термодинамічно невигідна. Вигідна зміна вільної енергії внаслідок взаємодії такої групи з партнером у навколишньому розчині може перевищувати різницю у вільній енергії між згорненою і незгорненою конформаціями. Окрім того, водневі зв'язки між групами у протеїнах виникають кооперативно, утворення одного із них полегшує утворення інших. Загалом же внесок водневих зв'язків та інших нековалентних видів взаємодій в стабілізацію конформації протеїнів ще остаточно не з’ясовано. Взаємодія протилежно заряджених груп з утворенням іонних пар (соляних містків) може також мати стабілізуючий вплив на одну або кілька нативних конформації певних протеїнів.

Більшість структурних конформацій, що розглядаються у цьому розділі, грунтуються на двох простих правилах: (1) гідрофобні залишки здебільшого заховані всередині молекули протеїну та ізольовані від води, і (2) кількість водневих зв'язків в молекулі протеїну максимальна. Нерозчинні і мембранні протеїни (які ми розглянемо в розділі 11) підлягають дещо іншим правилам, що викликано відмінністю їхніх функцій чи оточення, проте слабкі взаємодії також відіграють критичну роль у формуванні їх структури.