Перші дані про складну структуру ґлобулярних протеїнів було отримано при досліджені міоґлобіну

; Архітектура протеїнів - третинна структура малих ґлобулярних протеїнів, ІІ. Міоґлобін. Перший прорив у розумінні тривимірної структури ґлобулярних протеїнів було здійснено в 1950-х роках внаслідок дослідження міоґлобіну методом дифракції рентгенівських роменів, виконаного Джоном Кендрю з колеґами. Міоґлобін – це відносно невеликий (M_r 16 700) протеїн, що зв'язує кисень у клітинах м'язів. Функція його подвійна: він запасає кисень та прискорює його дифузію до клітин м'язів, які швидко скорочуються. Міоґлобін складається з одного поліпептидного ланцюга, що містить 153 амінокислотні залишки, послідовність розташування яких встановлено, і однієї гемової групи - сполуки заліза з протопорфірином. Така ж гемогрупа знаходиться і в гемоґлобіні - протеїні еритроцитів, що зв'язує кисень і надає міоґлобіну та гемоґлобіну насиченого червоно-коричневого кольору. Особливо великі кількості міоґлобіну виявлено у морських ссавців, таких як кити, морські леви і дельфіни, внаслідок чого їхні м’язи забарвлені в коричневий колір. Запасання і виділення кисню міоґлобіном м'язів дозволяє цим тваринам перебувати під водою впродовж тривалого часу. Функціонування міоґлобіну та інших ґлобінових молекул детальніше буде розглянуто у розділі 5.

На рис. 4-16 наведено кілька різних зображень структури міоґлобіну, які ілюструють згортання поліпептидного ланцюга у трьох вимірах - тобто його третинну структуру. Огорнута протеїном група червоного кольору позначає гем. Каркас молекули міоґлобіну складається з восьми відносно прямих відрізків α-спіралі, розділених згинами, деякі із них є β-поворотами. Найдовша α-спіраль має 23 амінокислотні залишки, найкоротша - лише 7; всі спіралі правозакручені. У таких α-спіральних ділянках міоґлобіну перебуває понад 70% амінокислотних залишків. Рентґеноструктурний аналіз виявляє точне положення кожної з R-груп, що займають практично весь простір усередині згорненого ланцюга.

Вивчення структури міоґлобіну дозволило зробити багато важливих висновків. Розташування бічних ланцюгів амінокислотних залишків свідчить про утворення структури, стабільність якої забезпечується в основному гідрофобними взаємодіями. Більшість гідрофобних R-груп знаходиться всередині молекули міоґлобіну і захищена від контакту з водою. Всі полярні R-групи, окрім двох, розміщені на поверхні молекули у гідратованому стані. Молекула міоґлобіну настільки компактна, що всередині її можуть поміститися лише чотири молекули води. Таке щільне гідрофобне осердя загалом характерне для ґлобулярних протеїнів. В орґанічних рідинах атоми займають від 0,4 до 0,6 частини простору; а в типових кристалах - від 0,7 до 0,78, що близько до теоретичного максимуму. У ґлобулярних протеїнах заповнено близько 0,75 простору, що можна прирівняти до кристалів. У такій щільній упаковці слабкі взаємодії між атомами взаємно підсилюються. Наприклад, неполярні бічні ланцюги там розташовані настільки щільно, що ван дер Ваальсові взаємодії, які діють на коротких відстанях, відіграють важливу роль у стабілізації гідрофобних взаємодій.

Дослідження структури міоґлобіну підтвердило окремі припущення і дозволило виявити деякі нові елементи вторинної структури. Як і передбачали Полінґ та Корі, всі пептидні зв'язки мають плоску транс-конфіґурацію. Виявлення α-спіралей в міоґлобіні стало першим прямим експериментальним підтвердженням існування такого типу вторинної структури. Три з чотирьох залишків Pro у міоґлобіні розташовані у місцях згинів (згадаймо, що пролін з його фіксованим кутом зв'язку φ і відсутністю з’єднаної пептидним зв’язком N‑H групи для формування водневого зв'язку, практично не здатний брати участь в утворенні α-спіральних структур). Четвертий залишок Pro перебуває усередині α-спіралі, де він утворює різкий згин, необхідний для її щільної упаковки. Інші згини містять залишки амінокислот Ser, Thr і Asn, великий розмір і форма яких у разі близького розташування у послідовності також не сприяють формуванню α-спіральної структури ( стр.   ).

Плоска гемова група розміщена у щілині, або «кишені», молекули міоґлобіну. Атом заліза в центрі гемової групи має два зв'язувальні (координаційні) центри, розташовані перпендикулярно до площини гема (Рис. 4-17). Один з них зв'язує R-групу залишку His у положенні 93, інший - молекулу О₂. Доступ розчинника до розміщеної всередині кишені гемогрупи дуже обмежений. Це важливо для функціонування протеїну, оскільки вільні гемові групи за наявності кисню швидко окиснюються, при цьому феро-форма (Fe²⁺) оборотно зв’язує О₂ з утворенням закисної фери-форми (Fe³⁺), не здатної до такого зв’язування.

З’ясування структури міоґлобіну вперше дозволило вченим у деталях зрозуміти кореляцію між структурою і функцією протеїну. Виявлено багато різних структур міоглобіну, що дало можливість дослідити зміни структури у разі зв’язування кисню чи інших молекул. З того часу подібному аналізу було піддано сотні протеїнів. Тепер нові методи, наприклад, ЯМР-спектроскопія, доповнюють дані методу дифракції рентгенівських променів, надаючи додаткову інформацію щодо структури протеїнів (Додаток 4-4). Секвенування ґеномної ДНК багатьох орґанізмів (Розділ 9) дозволило визначити тисячі ґенів, які кодують протеїни з відомою структурою, але невідомою функцією. Наші уявлення щодо функціонування таких протеїнів часто обмежуються відсутністю даних про те, які взаємозв’язки існують між первинною і третинною структурами, та між третинною структурою і функцією цих макромолекул.

_________________________________________________________________________________

Додаток 4-4 Біохімічні дослідження

Методи визначення тривимірної структури протеїнів.