Вторинна структура протеїнів

Термін вторинна структура відноситься до локальної конформації певної частини поліпептиду. Обговорення вторинної структури найкраще сфокусувати на поширених способах регулярного згортання поліпептидного ланцюга. Особливо стабільні і досить поширені кілька типів вторинної структури протеїнів. Найважливіші з них - описані нижче α-спіраль та β-конформації. Використовуючи фундаментальні хімічні закони та деякі експериментальні спостереження, Полінґ і Корі передбачили існування цих вторинних структур ще 1951 р., за кілька років до першого визначення повної структури протеїну.

Поширеною вторинною структурою протеїнів є α-спіраль

; Архітектура протеїнів - α-спіраль. Полінґ і Корі розуміли важливість водневих зв'язків для орієнтування полярних хімічних груп, таких як С=O і N-H групи пептидного зв'язку. Вони також знали про одержані в 1930-х роках Вільямом Астбері експериментальні результати перших рентґеноструктурних досліджень протеїнів. Астбері показав, що протеїн, з якого складаються волосся та голки дикобраза (фібрилярний протеїн α-кератин), має реґулярну структуру з періодом повторення 5,15-5,20 Å. (Å - анґстрем, названий на честь фізика Андерса Й. Анґстрема, дорівнює 0,1 нм. Хоча ця одиниця не входить до системи СІ, вона звичайно використовується структурними біологами для вимірювання міжатомних відстаней). Використовуючи цю інформацію і власні дані щодо природи пептидного зв'язку, а також точно побудовані молекулярні моделі, Полінґ і Корі змогли запропонувати ймовірні конформації молекул протеїну.

Найпростішою конформацією, якої може набути поліпептидний ланцюг з жорсткими пептидними зв'язками (проте навколо інших одинарних зв'язків обертання можливе) - це спіральна структура, її Полінґ і Корі назвали α-спіраллю (Рис. 4-4). У цій структурі поліпептидний ланцюг туго закручений навколо уявної осі, що проходить через середину спіралі, а R-групи амінокислотних залишків виступають назовні. Повторюваною одиницею є один виток спіралі, який простягається приблизно на 5,4 Å вздовж її осі, що лише незначно перевищує визначену Астбері за допомогою рентгеноструктурного аналізу величину періоду у структурі кератину волосся. Амінокислотні залишки в α-спіралі мають конформацію із значенням ψ від - 45^о до -50^о, а φ -60^о; на кожен виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків. α-Спіраль в усіх протеїнах закручена вправо (Додаток 4-1). Встановлено, що α-спіраль є основною структурою α-кератинів. Загалом, близько чверті амінокислотних залишків поліпептидів входять до складу α-спіралей, проте в різних протеїнах ця пропорція дуже відрізняється.

Чому α-спіраль в протеїнах утворюється набагато легше, ніж інші можливі конформації? Частково відповідь полягає в тому, що в α-спіралі внутрішньомолекулярні водневі зв'язки розташовані оптимально. Структура стабілізується водневим зв'язком між атомом водню, з'єднаним з електронеґативним атомом азоту пептидного зв'язку і електронеґативним атомом карбонільного кисню четвертої амінокислоти з амінотермінальної сторони пептидного зв'язку (Рис. 4-4б). Всередині α-спіралі такі водневі зв'язки утворює кожен пептидний зв'язок (за винятком розміщених на кінцях спіралі). Кожен наступний виток α-спіралі з’єднаний із сусідніми трьома чи чотирма водневими зв'язками. Разом вони надають спіральній структурі високої стабільності.

Подальше моделювання показало, що α-спіраль може утворюватися в поліпептидах, що складаються лише або з L-, або з D-амінокислот. При цьому всі залишки повинні належати до одного стереоізомерного типу, оскільки наявність D-амінокислот спричиняє руйнування реґулярної структури, що складається з L-амінокислот, і навпаки. Природні L-амінокислоти здатні утворювати і право-, і лівозакручені спіралі, але наразі більш-менш довгих лівозакручених спіралей у складі протеїнів не виявлено.

______________________________________________________________________

Додаток 4-1             Біохімічні дослідження