Аналіз численних ґлобулярних протеїнів виявив у них спільні структурні мотиви

; Архітектура протеїнів - третинна структура великих ґлобулярних протеїнів.

Вивчення студентами складних третинних структур ґлобулярних протеїнів, значно більших, ніж на рис. 4-18, розмірів, найкраще починати з розгляду структурних мотивів, що часто повторюються в різних, іноді цілком неспоріднених протеїнах. Тривимірну структуру типового ґлобулярного протеїна можна розглядати як об’єднання поліпептидних сеґментів у конформаціях α-спіралі та β-складки, з’єднаних сполучними сегментами. У першому наближенні таку структуру можна охарактеризувати тим, як ці сеґменти розташовуються один над одним і як упорядковані сеґменти, що їх з'єднують. Такий підхід дозволив створити бази даних для порівняння третинних структур протеїнів, що доповнює інші бази даних, які використовують для порівняння амінокислотних послідовностей.

Для з’ясування повної тривимірної структури молекули спочатку необхідно проаналізувати її частини. Ми розпочнемо з визначення термінів для позначення субструктур протеїнів, а потім перейдемо до основних принципів їх згортання, виявлених на основі аналізу структур багатьох протеїнів.

Надвторинні структури, які називають також мотивами або просто згортками (англ. folds) –це дуже стабільні впорядкування декількох елементів вторинної структури разом із зв'язками, що їх з’єднують. У вчених поки немає спільної домовленості щодо використання цих трьох термінів, тому вони часто застосовуються як взаємозамінні. Використовують їх також для позначення широкого спектра структур. Певні мотиви – від простих до складних, іноді виявляють у повторюваних одиницях чи комбінаціях. Буває, що із одного великого мотиву може складатися весь протеїн. Ми уже розглянули вище один добре вивчений мотив - надспіраль α-кератину, яка зустрічається також і в інших протеїнах.

Поліпептиди, до складу яких входить понад кілька сотень амінокислотних залишків, часто згортаються у дві чи більше стабільні ґлобулярні одиниці, названі доменами. У багатьох випадках домени великих протеїнів зберігають свою тривимірну структуру навіть після їх відділення (наприклад, внаслідок протеолітичного розщеплення) від решти поліпептидного ланцюга. У протеїнів з багатьма доменами кожен із них може існувати у вигляді окремої ґлобулярної частинки (Рис. 4-19), але набагато частіше розділення окремих доменів досить ускладнене існуванням міцного контакту між ними. Окремі домени часто мають різні функції, наприклад, зв'язування малих молекул чи взаємодія з іншими протеїнами. Невеликі протеїни зазвичай мають лише один домен (у цьому випадку доменом є весь протеїн).

Процес згортання поліпептидів відбувається з певними фізичними і хімічними обмеженнями. Аналіз основних правил згортання, які уже встановлені, дає можливість навести деякі прості мотиви:

1.Гідрофобні взаємодії істотно стабілізують структуру протеїну. Для того, щоб виключити взаємодію R-груп гідрофобних амінокислот з водою, необхідні принаймні два шари вторинної структури. Такі шари утворюють два прості мотиви: петлю β-α-βі кут α-α  (Рис. 4-20а).

2.Якщоу протеїні наявні і α-спіралі, і β-складки, то вони зазвичай розташовані в різних структурних шарах. Це зумовлено тим, що поліпептидний сегмент у β-конформації (Рис. 4-7) нездатний легко формувати водневі зв'язки із сусідньою α-спіраллю.

3. Поліпептидні сеґменти, що знаходяться поряд у первинній послідовності, зазвичай укладаються поряд і у згорненій структурі. Віддалені сеґменти у третинній структурі також можуть виявитися поруч, але це буває набагато рідше.

4.З'єднання між елементами вторинної структури не можуть перетинатися чи утворювати вузли (Рис. 4-20б).

5.β-Конформація найстабільніша у тому випадку, якщо індивідуальні сеґменти трохи закручені вправо. Це впливає як на впорядкування β-складок між собою, так і на спосіб з'єднання поліпептидів між ними. Наприклад, дві паралельні β-нитки для повинні перетнутися для з'єднання між собою (Рис. 4-20в). У принципі це з'єднання  може бути закручене як вправо, так і вліво, однак у складі протеїнів - майже завжди воно закручене вправо. Такі правозакручені з'єднання зазвичай коротші порівняно з лівозакрученими, і легше утворюються, оскільки мають менші кути згинання. Закручування окремих β-складок також призводить до характерного закручування структури, яка формується, коли багато сеґментів з'єднуються разом. Два приклади таких структур – це β-циліндр і скручена β-складка (Рис. 4-20г), які формують осердя багатьох великих структур.

Виходячи з цих правил, можна конструювати складні мотиви з простих. Наприклад, набір петель β-α-β, розміщених так, що β-нитки формують циліндр, утворюють особливо стабільний і поширений мотив, названий α/β ‑ циліндром (або α/β-бочкою, рис. 4-21). У цій структурі кожний паралельний β-сеґмент з'єднаний із сусіднім за допомогою α-спірального сегмента, всі з'єднання правозакручені. а/β-Циліндр знайдено у багатьох ензимах, частопоблизу одного з його кінців розташований  центр зв'язування кофактора чи субстрата в формі кишені. Про домени з подібними способами згортання кажуть, що вони мають однаковий мотив, хоча їх α-спіралі і β-складки можуть відрізнятися за довжиною.