Структура нативного состояния

РЕНТГЕНОВСКАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ БЕЛКОВ

В 1934 г. Бернал и Кроуфут открыли, что кристалл пепсина дает четкую картину дифракции рентгеновых лучей. Потребовались три десятилетия и появление компьютеров, чтобы получить первые трехмерные (3D) структуры белков (Renfrewetal., 1960). С тех пор установлены нативные структуры нескольких тысяч белков. Примеры представлены на рис. 1.

ТРЕХМЕРНАЯ СТРУКТУРА БЕЛКА

Структура нативного состояния

Тело человека содержит поразительно большое количество типов белков (около 100 000). Белки являются «умными» молекулами, которые исполняют весьма специфические функции, такие как высокоэффективный катализ биохимических реакций, мышечное сокращение, механическая стабильность тела, перенос (транспорт) организме и регуляция генов. Для оптимального осуществления функций в ходе длительной эволюции путем естественного отбора создались (отобрались) высоко специфические белковые с Жизнедеятельность человека, животных и растений решающим образом зависят от целостности этих структур. Даже небольшие нарушение структуры белка могут снизить жизнедеятельность организма, а в худшем случае — привести к смертельным болезням.

Белки обычно состоят из тысяч атомов, таких как водород (Н), углерод (С), азот (N), кислород (О) и сера (S). Их ван-дер-ваальсовы радиусы суть примерно: 1,4 Å для Н, 2,1 Å для — СН₃, 1,8 Å дл для О и 2,0 Å для S. Типичные размеры белковых молекул е от нескольких нанометров до 200 нм. Графические изображения; на которых представлены все атомы в молекуле (рис.1, а) или остов (скелет) (рис.1, б), для большинства белков оказываются ненаглядными. Поэтому общепринятыми становятся ленточные диаграммы (схемы), на которых остов молекулы белка изображаете с помощью лент трех типов (рис.1, в).

Различают несколько уровней структурной организации молекул. Основополагающей является первичная структура, которая есть последовательность аминокислотных остатков. 20 канонических аминокислот, входящих в состав белков, можно разделить на три группы: неполярные, полярные и заряженные. Некоторые физические свойства аминокислот представлены в таб.1 Типичные белки содержат 50-1000 аминокислотных остатков.

Рис.1. Трехмерная структура флаводоксина из Excherichia coli, седловидного белка, переносящего электроны. а - представление полной структуры молекулы с помощью объемных атомно-молекулярных моделей; б – представление белкового остова с помощью каркасных (шарико-стержневых) моделей; в – ленточное представление: ленты (a-спирали), стрелки ( b-тяжи) и линии (b- изгибы).

Следующий уровень — вторичная структура. Существуют три основных типа вторичной структуры: спирали (a-спирали), листы (складчатые или рифленые, образуемые b-тяжами) и изгибы b-изгибы). Длинные связки между a-спиралями и b-структурами, которые являются нерегулярными структурами, часто называют «петлями» или «b-изгибами».

Третий уровень - третичная структура — отражает информацию о трехмерном расположении элементов вторичной структуры в одиночной (автономной) белковой молекуле или в субъединице. Третичная структура белковой молекулы (или субъединиц расположение в пространстве всех ее атомов, безотносительно их взаимодействию с соседствующими молекулами (или субъединицами). Это определение подразумевает, что белки могут состоять из субъединиц. Каждая субъединица состоит из одной полипептидной цепи и может содержать кофакторы.

Наконец, четвертичная структура есть расположение субъединиц в пространстве с образованием контактов с субъединицами, безотносительно к внутренней геометрии субъединиц.