Четвертинна структура протеїнів: від простих димерів до великих комплексів

; Архітектура протеїнів - четвертинна структура. Багато протеїнів складаються з численних поліпептидних субодиниць. Асоціації поліпептидних ланцюгів можуть виконувати різні функції. Значна кількість мультисубодиничних протеїнів виконує реґуляторну роль; зв'язування малих молекул може впливати на взаємодію між субодиницями, призводячи до суттєвих змін активності протеїну внаслідок навіть незначних змін концентрації субстрату чи реґуляторних молекул (Розділ 6). В інших випадках окремі субодиниці можуть виконувати відмінні, але споріднені функції, такі як каталіз і реґуляція. Окремі асоціати, як, наприклад, розглянуті вище фібрилярні протеїни чи протеїни оболонки вірусів, виконують структурні функції. Деякі дуже великі об'єднання протеїнів служать місцем здійснення складних багатостадійних реакцій. Як приклад можна навести рибосому - місце синтезу протеїнів, яка складається з десятків протеїнових субодиниць і кількох структурних молекул РНК.

Мультисубодиничні протеїни часто називають мультимерами. Вони можуть об’єднувати від двох до сотень субодиниць. Мультимер з кількох субодиниць часто називають оліґомером. Якщо мультимер складається з декількох неоднакових субодиниць, то його загальна структура може бути асиметричною і досить складною. Однак більшість мультимерів містить однакові субодиниці, або повторювані групи неоднакових субодиниць, зазвичай розміщених симетрично. Як було відзначено в розділі 3, повторювана структурна одиниця в таких мультимерних протеїнах, будь то одна субодиниця чи група субодиниць, називається протомером.

Першим оліґомерним протеїном, тривимірну структуру якого вдалося розшифрувати, був гемоґлобін (М_r 64 500); він складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів і чотирьох простетичних гемових груп, в яких атоми заліза перебувають у ферро(Fe²⁺)-формі (Рис. 4-17). Протеїнова частина, яка називається ґлобіном, складається з двох α-ланцюгів (по 141 амінокислотному залишку у кожному) і двох β-ланцюгів (по 146 амінокислотних залишки). Зауважимо, що в цьому випадку позначення α і β не відносяться до елементів вторинної структури. Оскільки гемоґлобін у чотири рази більший від міоґлобіну, то для визначення його тривимірної структури за допомогою рентгеноструктурного аналізу потрібно було набагато більше часу й зусиль. Такі дослідження були завершені у 1959 р. Максом Перутцом, Джоном Кендрю та їхніми колеґами. Було встановлено, що субодиниці гемоґлобіну розташовані симетричними парами (Рис 4-23), кожна з яких має одну α- і одну β-субодиниці. Тому гемоґлобін може бути зображений або як тетрамер, або як димер αβ-протомерів.

Ідентичні субодиниці мультимерних протеїнів звичайно розташовуються у вигляді однієї чи декількох симетричних конфігурацій. Для опису структури таких протеїнів необхідно визначити поняття симетрії. Оліґомери можуть мати обертову (ротаційну) симетрію, або спіральну симетрію, тобто окремі субодиниці можуть накладатися на інші (суміщатися) внаслідок обертання навколо однієї або декількох осей, чи внаслідок обертання по спіралі. У протеїнах із обертовою симетрією субодиниці упаковані навколо осей обертання у формі закритих структур. Протеїнам зі спіральною симетрією властива тенденція утворювати структури з відкритими кінцями, до яких по спіралідодаються субодиниці.

Існує кілька форм обертової симетрії. Найпростіша з них циклічна симетрія,коли обертання відбувається навколо однієї осі (Рис. 4-24а). Якщо субодиниці можуть накладатися одна на одну шляхом обертання навколо однієї осі, то протеїн належить до класу симетрії С_n (С– з анг. сyclic, тобто циклічний; n- число об’єднаних віссю субодиниць). Сама вісь називається віссю обертання n-го порядку. αβ-Протомери гемоґлобіну (Рис. 4-23) відносяться до класу симетрії С₂. Дещо складніший тип обертової симетрії – діедрична симетрія, в котрій вісь обертання другого порядку перетинає вісь n-го порядку під прямими кутами. Така симетрія позначається D_n (Рис. 4-24б). Протеїн з діедричною симетрією має 2n протомерів.

Протеїни з циклічною або діедричною типами симетрії дуже поширені. Можливе існування також і складніших видів обертової симетрії, але лише декілька з них зустрічаються в протеїнах. Один з таких прикладів - ікосаедрична симетрія. Ікосаедр – правильний многогранник з 12 кутами і 20 рівносторонніми трикутними гранями (Рис. 4-24в). Кожна грань може бути суміщена з іншою шляхом обертання навколо однієї чи більше із трьох осей обертання. Таку структуру, як правило, має оболонка віруса, або капсида. Ікосаедрична капсида характерна і для поліовіруса людини (Рис. 4-25а). Кожна трикутна грань складається з трьох протомерів, а кожен протомер містить одну з копій чотирьох різних поліпептидних ланцюгів, три з яких виступають на поверхню. 60 протомерів утворюють 20 граней ікосаедричної оболонки, що оточує ґенетичний матеріал (РНК).

Для капсид характерний і інший тип симетрії оліґомерів – спіральна симетрія. Вірус тютюнової мозаїки складається з 2130 ідентичних субодиниць, що утворюють правозакручений спіральний філамент (Рис. 4-25б). Ця циліндрична структура оточує вірусну РНК. Протеїни із спірально впорядкованими субодиницями можуть також утворювати довгі фібрилярні структури, наприклад, філаменти актину м'язів (Рис 5-30).