нии его третичной структуры, под которой понимают общее расположение в пространстве составляющих молекулу одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных ковалентными связями. Эту структуру ранее обозначали как архитектонику белковых молекул.

Решение этой сложнейшей в химии белка проблемы связано с усовершенствованием рентгеноструктурного анализа, выразившимся в увеличении разрешающей способности метода до 0,14 нм. Поскольку межатомные расстояния в молекулах органических соединений составляют 0,1—0,2 нм, столь высокая разрешающая способность дает возможность точно установить расположение каждого атома полипептидной цепи в пространстве, т. е. построить

68

i

Рис. 31. Р-Структура белков:

А—возникновение р-структуры; пунктиром обозначены водородные связи между СО- и NH-группами латерально расположенных полипептидных цепей; Б—плоский слой, образованный антипараллельно расположенными молекулами полиглицина; I—фрагмент объемной модели отдельной молекулы полиглицина: [I—слой из объемных моделей молекул полиглицина; В>—рослой, составленный из двух фрагментов полипептидной цепи, построенных с учетом планарности пептидных связей

исчерпывающую модель белковой молекулы. По разрешающей способности рентгеноструктурный анализ превосходит только метод ядерного магнитного резонанса (0,03—0,09 нм), все более часто применяемый для изучения третичной структуры белков. Кроме того, для этой же цели используют электронную микроскопию, круговой дихроизм, дисперсию оптического вращения и нейтронную кристаллографию, не говоря уже о массовом предсказании третичной структуры белков по их первичной структуре при помощи ЭВМ.

69

Рис. 32. Модели свертывания полипептидной цепи в а-спираль с образованием системы водородных связей между витками спирали:

А—в виде бумажной ленты с выписанной на ней структурой полипептидной цепи; водородные связи, являющиеся источником взаимодействия, приводящим к спиралнзации, показаны пунктиром; В—в виде хребта полипептидной цепи, составленного из объемно изображенных NH, СО- и CHR-групп; атомы водорода и кислорода, участвующие в образовании водородных саяэей, помечены знаками «+» и «—» соответственно. Модель в виде бумажной ленты может быть использована в курсе химии средней школы и на кружковых занятиях со школьниками по органической химии

Первая модель молекулы белка—миоглобина (рис. 33), отражающая его третичную структуру, была создана Дж. Кендрю с сотр. (1957). На рис. 34 приведены схематические изображения третичной структуры молекул миоглобина, рибо-нуклеазы, лизоцима и химотрипсиногена. Несмотря на большие трудности, за истекшие три с половиной десятилетия удалось установить третичную структуру почти трехсот белков, причем более трех десятков из них—в СССР. В нашей стране, в частности, выяснена структура пепсина, леггемоглобина, аспартатами-нотрансферазы, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, пластоцианина, фи-тогемагглютинина, у-кристаллина, пирофосфатазы, ряда рибосомальных белков, актшюксантина, лектина, лейцинаминопептидазы, а- и Р-интерферона, лейцинспецифичного белка, родопсина, тубулина, гидрогеназы, метанмоноок-сигеназы и др. Ниже некоторые из них будут охарактеризованы более подробно.

Полагают, что третичная структура белковой молекулы определяется ее первичной структурой, так как решающая роль в поддержании характерного для третичной структуры расположения полипептидной цепи в пространстве

70

Рис. 33. а- и р-Структуры во фрагменте молекулы цитохрома Ь5 и ^спиральные участки в молекуле миоглобина:

А—фрагменты полипептидной цепи цитохрома (остатки 21—25, 28—34, 50—54 и 73—79), образующие р-слой, показаны толстыми линиями, сам слой отмечен значками J3; четыре а^труктуры (остатки 34—39,40—50, 54—63,64—73) изображены в аиде цилиндров; между попарно объединенными ot-спиралями располагается простетнческая группа цитохрома Ь5% содержащая атом железа; Ь—восемь а-спиральных участков в молекуле миоглобина (обозначены буквами латинского алфавита) резко преобладают над изгибами полипептидной цепи (обозначены сочетаниями АВ, ВС и т. д.) по протяженности и пересекаются под различными углами; черный диск в верхней левой части молекулы—группа гема с атомом железа в центре

71

в г

Рис. 34. Третичные структуры миоглобина (i4), лизоцима (Б), рибонук-леазы (В) и химотрипсиногена (Г)

Во всех случаях показаны конфигурация и расположение в пространстве хребта полипептидиой цепи. Радикалы аминокислотных остатков нигде не обозначены, кроме трех радикалов в молекуле химотрипсиногена. А—заштрихованный диск—гем; пунктир—место прикрепления его к хребту полипептидной цепи посредством радикала гистидина; хорошо заметны ос-спирали, составляющие 75% полипептидиой цепи миоглобина; цифрами указаны номера аминокислотных остатков в полипептидиой цепи (см. также рис. 33, б); Б—символами—S—S-обозначены дисульфидные мостики, образуемые при окислении радикалов цистеина; заметно, что а-спи-ральная конфигурация присуща не более чем */з полипептидной цепи; в верхней части молекулы видно углубление (щель), предназначенное для размещения субстрата, расщепляемого лизоци-мом; В—а-спиральных конфигураций почти не видно; остальные условные обозначения, как в А и Б, Г—ясно выраженных о-спиралей не наблюдается;—S—S-связи обозначены точками, здесь же цифрами указаны порядковые номера соответствующих остатков цистеина; в центре молекулы выделены штриховкой радикалы гистидина (пятиугольники) и радикал серина (короткий двурогий отрезок), образующие активный центр химотрипсина (после активирования химотрипсиногена), ответственный за гидролиз пептидных связей

принадлежит взаимодействию радикалов аминокислот друг с другом. Возможные типы связей между радикалами представлены на рис. 35. Особое значение в поддержании третичной структуры белка придают дисульфидным мостикам: именно они в ряде белков (см. рис. 29, 34 и 35) прочно фиксируют расположение участков полипептидной цепи (или цепей) по отношению друг к другу. Таким образом, местоположение в молекуле белка остатков цистеина (и других аминокислот) предопределяет характер межрадикальных связей и, следовательно, третичную структуру. Конечно и здесь, при замыкании дисуль-фидных мостиков, в частности, реализуются далеко не все возможности их возникновения, резко отличающиеся от расчетных (по Т. Крейтону, при пяти SS-связях в белковой молекуле число их комбинаций достигает 945, при 10—654 729 075, а при 25—превышает 5,8 • 10 30).

72

Рнс. 35. Типы связей между радикалами аминокислотных остатков в белковой

молекуле:

а—электростатическое взаимодействие; 6—водородные связи; в—взаимодействие иеполярных боковых цепей, вызванное вталкиванием лиофобных радикалов в «сухую зону» молекулами растворителя (так называемая «жирная капля»); г—дисульфидные связи. Двойная изогнутая линия обозначает хребет

полипептидной цепи

Кроме ковалентных связей третичная структура белковой молекулы поддерживается силами слабых взаимодействий (рис. 35). Рассмотрение полных химических структур некоторых белков показало, что в их третичной структуре отчетливо выявляются зоны, где сконцентрированы гидрофобные радикалы аминокислот и полипептидная цепь фактически обматывается вокруг гидрофобного ядра. Более того, в ряде случаев в белковой молекуле обособляются два и даже три гидрофобных ядра, в связи с чем возникает двух-или трехъядерная структура. Такой тип строения молекулы характерен Для многих белков, обладающих каталитической функцией (рибонуклеаза, лизо-цим и др.).

Данные о полной химической структуре молекул ряда белков явились отправным пунктом для создания учения о доменном принципе строения белковой молекулы. Под доменом понимают обособленную область молекулы белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной автономией. У ряда ферментов, например, обособлены коферментсвязываю-щие домены. С учением о доменном принципе строения белков связано постепенно внедряющееся в белковую химию развитие представлений об элементах однотипности, блочности, стандартности третичной структуры белков, об ограниченности набора пространственных упаковок полипептидных цепей, реально существующих в природных белках.

Сейчас домены считают фундаментальными элементами структуры белковых молекул, и соотношение и характер компоновки ос-спиралей и Р-слоев, как полагают, дает для понимания эволюции белковых молекул и филогенетических связей больше, чем сопоставление первичных структур. Причина этого лежит в том, что в процессе эволюции происходило слияние доменов, их удвоение, возникновение псевдосимметричных доменов из повторяющихся субдоменов; некоторые из этих событий связаны с дупликацией генов и другими изменениями генетического аппарата.

Есть много оснований полагать, что третичная структура белковой молекулы возникает совершенно автоматически. Движущей силой, свертывающей

73

полипептидную цепь белка в строго определенное трехмерное образование, является взаимодействие аминокислотных радикалов с молекулами окружающего растворителя. При этом лиофобные радикалы вталкиваются внутрь белковой молекулы, образуя там сухие зоны («жирная капля»), а лиофиль-ные—ориентируются в сторону растворителя. В некоторый момент достигается энергетически выгодная конформация молекулы в целом, и белковая молекула стабилизируется.

Самоорганизация полипептидной цепи определенного белка в только ему присущую уникальную пространственную структуру, т. е. процесс возникновения третичной структуры, проходит в несколько этапов (рис. 36).

На конформацию возникшей глобулы оказывают сильное влияние такие факторы, как рН среды, ионная сила раствора, а также взаимодействие белковых молекул с другими веществами, что лежит в основе регуляции обмена веществ, в частности аллостерической регуляции активности ферментов.

Разработка представлений о самоорганизации белковых глобул сопровождалась не только введением понятия о доменах, о чем уже было сказано выше, но и новым подходом к характеристике уровней структуры белковых тел: к ним добавился упомянутый уже доменный уровень и надвторичная структура. Под последней подразумевают закономерности возникновения в процессе свертывания полипептидной цепи элементарных структур, представленных Р-слоями (Р, Р'-структура), сочетанием а-спиральных участков (а, а'-структура) или тех и других одновременно (рис. 37). Преобладающей среди надвторичных структур оказалась топология греческого ключа и греческого орнамента.

Существенно, что фрагменты полипептидной цепи, соответствующие доменам и даже субдоменам, способны независимо поддерживать близкую к нативной структуру. Так, цианбромидный фрагмент (121—316-й аминокислотные остатки) и его субдомен (205—316-й остатки) термолизина (протеолитического фермента из термофильной бактерии) самопроизвольно образуют стойко удерживаемую нативную структуру. Весь же процесс формирования третичной структуры таких, например, белков, как угольная ангидраза, а- и Р-лактоглобулин, фосфоглицераткиназа и лактамаза, занимает всего лишь 0,2 с. Вместе с тем выявлены факторы, лимитирующие скорость складывания полипептидов в процессе возникновения третичной структуры; к их числу относится цис-транс-изомеризация связи X—про (где X—любая аминокислота), ускоряемая пептидилпролил-цис-транс-изо-

Рис. 36. Структурные превращения полипептидной цепи при формировании белковой глобулы

На I этапе происходят локальные взаимодействия иа различных участках всей полипептидиой цепи, в результате которых возникают флуктуирующие а-спирали и Р-слои. Образование а-спиралей инициируется с той точки полипептида, где сосредоточены остатки дякарбоиовых аминокислот, и терминируется в зоне остатков диаминокислот, тогда как центральная часть возникающих а-спиралей занята аминокислотными остатками с гидрофобными радикалами. На этом этапе самоорганизации белковой молекулы возникает максимально возможное количество а-спиральных конформации полипептида, охватывающее большую часть полипептидной цепи. Поэтому иллюстрируемая гипотеза самоорганизации белковых молекул получила название гипотезы избыточных спиралей. На II этапе осуществляется направленное сближение зародышевых структур, «схлопывание» а-спиралей и возникновение одного или нескольких гидрофобных ядер за счет контактов гидрофобных радикалов аминокислот а-спиралей. В этот момент возникает глобулярная структура. Ш этап сводится к компактизации зародышевых структур и преобразованию промежуточной, высокоспиральной глобулы в нативную глобулу. На IV этапе возникает окончательная, характерная для данного белка третичная структура

молекулы

74

Рис. 37. Надвторичные структуры белка

меразой. Рассмотренный механизм самоорганизации белковых глобул получил изящное подтверждение в работах (начиная с 1988 года) по синтезу искусственных белков. Их создано к настоящему времени более двух десятков. Исходя из представлений о приуроченности ос-спиралей, р-слоев и участков неорганизованной полипептидной цепи к определенным аминокислотным последовательностям в синтетически полученных полипептидах, удалось сконструировать белковые молекулы, где автоматически и самопроизвольно возникали элементы вторичной и надвторичной структуры, неизбежно занимающие заранее рассчитанные позиции при формировании пространственной структуры молекулы такого искусственного белка. Так созданы методом белковой инженерии синтетические белки, получившие условные названия «Феликс» (от англ. four helices, т. е. из 4-х ос-спиралей), «альбебетин» (построен из ос-спиралей и р-слоев в соотношении 1:2, т. е. аль: бебе) и т. п. Более того, они обладали заранее запрограммированными свойствами и биологической активностью.

Вместе с тем в течение последнего десятилетия взгляды на саморегуляцию процесса свертывания полипептидных цепей белков при формировании их третичной структуры in vivo существенно изменились. Оказалось, что приведенные выше преобразования (см. предыдущую стр. и рис. 36) осуществляются не сами по себе, а под влиянием особых, предназначенных именно для этой цели специфических белков, названных шаперонами (так в Англии называли пожилую даму, удерживающую от непродуманных контактов молодую девушку, впервые выходящую в свет под се руководством). Будучи в большинстве своем трубчатыми олигомерами, составленными из 10—90 кДа субъединиц, объединенных в наложенные друг на друга семичленные кольца, они вовлекают внутрь олигомера пока еще неорганизованную полипептидную цепь и контролируют ход образования ею вторичных и надвторичных структур и их взаимную пространственную укладку (см. рис. 36), обеспечивающую возникновение третичной, присущей нативной (функционально значимой) глобуле данного белка.

Однако и эта концепция, по-видимому,—не последнее слово в далеко неоднозначно решаемой проблеме складывания (фолдинга) полипептидных цепей. Исходя из экспериментальных и теоретических подходов, разработанных в процессе исследований кода белкового синтеза (см. ниже, гл. VII) высказано предположение (Л. Б. Меклер и Р. Г. Йдлис; Г. И. Чипенс) о существовании общего стереохимического генетического кода, позволяющего понять, как трехмерные молекулы белков сформировались из