Мотивы укладки цепи в белковых молекулах

Третичная структура белка – это расположение всех атомов в пространстве. Для каждого белка третичная структура достаточно специфична и выявить общую тенденцию построения белковой молекулы достаточно сложно на этом уровне организации. Поэтому постараемся выяснить лишь общие моменты построения, то есть расположение отдельных частей белковой молекулы. В основном нас интересуют глобулярные белки. Это наиболее изученные молекулы, и когда говорят о строении белка, в основном подразумевают их.

Рассмотрим некоторые особенности строения глобулярных белков. [18]

1. Глобулярные белки образуют достаточно компактную глобулу. Структура глобулы очень плотная и строго организована. В этом смысле белковая молекула очень похожа на кристалл. Так говоря словами Шрёдингера, белковая структура – это трёхмерный «апериодический кристалл».

2. Ядро белковой глобулы состоит из неполярных аминокислотных остатков. В образовании такой структуры большую роль играют гидрофобные взаимодействия. Они имеют энтропийную природу. Так при введении в воду неполярной группы происходит упорядочение молекул воды на поверхности раздела, что приводит к снижению энтропии системы. Обычно ядро образуют b - слои. При этом боковые группы аминокислот прячутся внутри, образуя «каплю масла». Преимущественное расположение вторичных структур внутри глобулы связано с возможностью образования водородных связей между аминокислотными остатками. Неупорядочным структурам цепи выгоднее находиться на поверхности, где аминокислотные остатки образуют водородные связи с водой.

3. Полярные и заряженные аминокислотные остатки преимущественно располагаются на поверхности белковой глобулы. Это объясняется во – первых резким повышением свободной энергии при введении заряда во внутрь глобулы (диэлектрическая постоянная белка на много меньше диэлектрической постоянной воды),

4.  Во – вторых возможностью образованию связей с молекулами воды.

5. Это особенность связана с первичной структурой белковой цепи. Плотной и стабильной глобуле соответствует достаточно большое количество первичных структур. Конечно можно придумать первичные структуры, которым будут соответствовать очень стабильная структура ( стабильность выше, чем у других глобулярных структур), но их будет немного. То есть в природе заложена определённая вариативность первичной структуры. Важно, чтобы глобула была не только стабильной, но и ей соответствовало достаточное количество последовательностей цепи.

Отметим ещё некоторые особенности денатурации белковой молекулы.

Переход глобула - клубок описывается как фазовый переход первого рода, то есть сходен с плавлением кристалла. Это очень важный момент в физике белка. Так например клубок – глобула для гибкоцепных полимеров происходит плавно и описывается как фазовый переход второго рода.

 Подобное поведение белка говорит о кооперативности перехода. Это значит, что разрушение части белковой молекулы ведёт к разрушению остальных связей, поддерживающих нативную структуру. Поэтому такой переход осуществляется в небольшом температурном интервале. Это отражается в резком повышении свободной энергии при повышении температуры, а также в узком пике зависимости теплоёмкости от температуры.

Затронем некоторые моменты строения мембранных белков. Эти белки встроены в мембрану клетки и выполняют функцию пропускания веществ через мембрану и могут участвовать в окислении органических веществ. Их включение в липидный бислой отражается в следующих мотивах строения.

1. Гидрофобные аминокислотные остатки расположены в середине белковой молекулы, подобно гамбургеру. То есть прослойка образована из неполярных остатков.

2. Гидрофильные и полярные остатки образуют полярные опушки с обеих сторон, взаимодействуя с полярной средой внутри и снаружи клетки.

Такая особенность строения мембранных белков позволяет максимально эффективно удерживаться в мембране клетки.

Понимание общих черт строения белков необходимо для создания адекватных моделей. Основные мотивы строения закладываются в математические модели и служат базой для построения структур белков.

Методы анализа белковых структур

В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что первичная структура белка определяет третичную. Поэтому возникает проблема предсказания пространственной структуры по аминокислотной последовательности. Основной метод – рентгенострруктурный анализ достаточно трудоёмок и поэтому с помощью него нельзя определить все пространственные структуры белка. Так при помощи этого метода определено всего несколько процентов пространственных структур белка. Поэтому для определения третичной структуры используют другие экспериментальные методы, а также мощный набор теоретических подходов. Рассмотрим некоторые математические подходы в решении этой задачи.