Існують обмеження розміру протеїнів

Відносно великі розміри молекул протеїнів пов'язані з особливостями їх функціонування. Наприклад, ензим повинен мати стабільну структуру з «кишенею», достатньо великою для зв'язування субстрату і каталізу відповідної реакції. Проте розмір протеїну має певні межі, зумовлені двома факторами – ґенетичною кодуючою здатністю нуклеїнових кислот і точністю процесу біосинтезу протеїнів. Віруси використовують багато копій одного або кількох протеїнів для утворення великої замкненої структури (капсиди), така  стратегія важлива для їхнього виживання, оскільки спрямована на збереження генетичного матеріалу. Пригадайте, що існує пряма залежність між послідовністю ґена в нуклеїновій кислоті і амінокислотною послідовністю кодованого ним протеїна (див. Рис. 1-31). Нуклеїнові кислоти віруса надто малі для кодування інформації, необхідної для утворення протеїнової оболонки із одного поліпептида. У той же час у разі використання багатьох копій невеликих поліпептидів необхідна набагато коротша нуклеїнова кислота для кодування капсидних субодиниць, окрім того, вона може ефективно функціонувати багато разів. Великі комплекси поліпептидів функціонують також у клітинах м'язів, війок, цитоскелета та інших структур, і клітинам ефективніше синтезувати багато копій малого, ніж одну копію дуже великого поліпептида. Фактично більшість протеїнів з молекулярною вагою вище 100 000 складаються з численних однакових, або різних, субодиниць.

Другий фактор, що обмежує розмір протеїнів, - це частота помилок у процесі їх біосинтезу. Вона досить невелика (приблизно 1 на 10000 амінокислотних залишків), але навіть ця величина призводить до високої ймовірності синтезу дефектного протеїну, якщо він має надто великий розмір. Простіше кажучи, ймовірність включення "неправильної" амінокислоти у молекулу великого протеїну набагато вища, ніж у молекулу малого протеїну.

Підсумок 4.3 Третинна і четвертинна структури протеїнів

-Третинна структура - це повна тривимірна структура поліпептидного ланцюга. На основі третинної структури виділяють два класи протеїнів: фібрилярні та ґлобулярні.

-Фібрилярні протеїни виконують в основному структурні функції і складаються з простих повторюваних елементів вторинної структури.

-Ґлобулярним протеїнам властива складніша третинна структура, в одному поліпептидному ланцюзі вони часто містять декілька типів вторинних структур. Першим ґлобулярним протеїном, структура якого була визначена за допомогою метода дифракції рентґенівських променів, був міоґлобін .

-Складні структури ґлобулярних протеїнів вивчають шляхом оцінки їхніх стабільних субструктур, які називають надвторинними структурами, а саме мотивів або згорток. Тисячі відомих структур протеїнів здебільшого складаються з набору лише кількох сотень мотивів. Ті ділянки поліпептидного ланцюга, які здатні згортатися незалежно від інших ділянок, називають доменами.

-Четвертинна структура виникає внаслідок взаємодії між субодиницями мультисубодиничних (мультимерних) протеїнів або великих протеїнових ансамблів. Деякі мультимерні протеїни містять повторювані одиниці, що складаються з однієї субодиниці, або їх груп, названих протомером. Протомери у молекулі протеїна зазвичай об’єднуються за допомогою обертової або спіральної симетрії.

Денатурація та згортання протеїнів

Всі протеїни синтезуються рибосомами у вигляді лінійної послідовності амінокислотних залишків (Розділ 27). Щоб набути нативної конформації, утворений поліпептид повинен згорнутися. Як уже наголошувалося вище, нативна конформація протеїну стабільна лише відносно. Навіть незначні зміни в середовищі можуть спричинити структурні зміни протеїну, що вплине на його функціонування. Розглянемо детальніше процеси, які супроводжують перехід між згорненим і незгорненим станами протеїну.

Втрата структури протеїну призводить до втрати його функції

Структура протеїнів пристосована до функціонування в певному клітинному оточенні. В умовах, відмінних від клітинних, можуть відбуватися великі чи незначні зміни структури протеїну. Втрата тривимірної структури, яка веде до втрати функції протеїну, називається денатурацією. Денатурований стан не обов'язково означає повне розгортання протеїну і набуття неупорядкованої конформації. У більшості випадків денатуровані протеїни існують у формі частково згорнутих конформацій, які вивчені досить слабо.

Більшість протеїнів можна денатурувати під дією тепла, що складним чином впливає на слабкі види взаємодій (у першу чергу на водневі зв'язки). Якщо температура зростає повільно, то конформація протеїну залишається незмінною до певного моменту, а потім у вузькому інтервалі температури відбувається раптова втрата структури (і функції) (Рис. 4-26). Така раптовість зміни свідчить про те, що розгортання є кооперативним процесом: втрата структури в одній ділянці протеїну дестабілізує інші його ділянки. Проте у цілому передбачити вплив тепла на струтуру протеїнів не просто. Наприклад, дуже стійкі до дії тепла протеїни термофільних бактерій пристосовані до функціонування при температурах гарячих джерел (близько 100^оС). Часто у таких умовах їхня структура мало відрізняється від структури гомолоґічних протеїнів, виділених з інших бактерій, наприклад, із Escherichia coli. Досі невідомо, як саме такі незначні відмінності забезпечують стабільність структури за високих температур.

Протеїни можна денатурувати не лише під дією тепла, але і в умовах крайніх значень рН, під впливом певних водорозчинних орґанічних сполук типу спирту чи ацетону, розчинів сечовини і ґуанідингідрохлориду, або детерґентів. Кожен з цих денатуруючих аґентів діє відносно м'яко і не розриває ковалентних зв'язків поліпептидного ланцюга. Орґанічні розчинники, сечовина і детерґенти в першу чергу руйнують гідрофобні взаємодії, які забезпечують стабільність осердя ґлобулярних протеїнів; крайні значення рН змінюють сумарний заряд протеїнів, призводячи до електростатичного відштовхування і розриву деяких водневих зв'язків. Денатуровані стани молекули протеїна, які виникають під дією різних факторів, можуть також бути неоднаковими.