Общие закономерности, наблюдаемые в структуре белков. Мотивы укладки. Термодинамические характеристики образования структур белковых молекул.

На самом деле здесь действует правило "80%:20%". В применении к белкам — "80% всех белков вписывается в 20% наблюдаемых архитектур белковых глобул".

Существуют "типовые проекты" строения белковых глобул. Архитектуры вновь расшифрованных белков все чаще и чаще оказывались сходными с архитектурами белков уже известных — но при этом совсем других и по функции, и по аминокислотной последовательности. Поэтому причина сходства структур, видимо, заключается не только в эволюционной дивергенции и не в функциональной конвергенции белков, а в ограничении набора укладок какими-то физическими закономерностями.

Между двумя "традиционными" структурными уровнями (вторичная структура белка и его детальная атомная трехмерная структура) находится промежуточный уровень — «мотив укладки" белковой цепи, определяемый взаимным расположением α- и/или β-участков в глобуле — и что именно на этом уровне проявляется сходство белков, не связанных ни эволюционно, ни функционально. В отличие от детальной, атомной трехмерной структуры, "мотивы укладки" удивительно просты и даже красивы

Почему стабильность плотной глобулы требует, чтобы каркас белковой молекулы выглядел бы как компактная упаковка α- и β-слоев, чтобы α- и β-участки шли от одного края глобулы до другого, и чтобы нерегулярные участки не лежали внутри глобулы? Тут все дело в водородных связях, которые стоят дорого, а потому все должны быть насыщены в стабильной структуре. Доноры и акцепторы таких связей есть в пептидной группе каждого аминокислотного остатка. Насытиться они могут или водой, или при образовании вторичной структуры. Поэтому только вторичные структуры могут не контактировать с водой — лежать внутри глобулы — а содержащие свободные полярные пептидные группы элементы — петли, края β-листов и концы α-спиралей — должны быть на поверхности.

Вытянутые α- и β-структуры должны, ради стабильности глобулы, со всех сторон плотно окружать гидрофобное ядро, создаваемое боковыми группами этих участков, и тем самым отделять его от воды. В то же время α-спирали и β-листы не могут смешиваться в одном слое, — пропадут водородные связи края β-листа. Значит, стабильность глобулы требует образования α-слоев и — отдельно — β-слоев. Такие слои (обычно не плоские — скрученные, иногда цилиндрические, а в α-спиральных глобулах — даже квазисферические) типичны для белковых глобул.

Подавляющее большинство доменов может быть представлено в виде двух-, трех- или (редко) четырехслойных структур, хотя отдельные белки (особенно те, которые содержат металлоорганические комплексы или много S-S связей боковых групп) могут и не вполне удовлетворять этой схеме. Более чем четырехслойных доменов нет. У них внутри, в отдалении от воды находилось бы слишком много остатков, и при типичном для белковых цепей — точнее, для цепей водорастворимых глобулярных белков — соотношении 1:1 между неполярными и полярными остатками многие полярные остатки увлекались бы внутрь белка, что энергетически крайне невыгодно: такой белок не был бы стабильным. Поэтому очень большие единые глобулы "обычного" аминокислотного состава должны быть нестабильны, и большие белки должны разбиваться на субглобулы, домены.

Статистический анализ показывает, что аминокислотные последовательности водорастворимых глобулярных белков — а о них-то сейчас и идет у нас речь — выглядят как "случайные". То есть в них разные аминокислотные остатки перемешаны примерно так, как можно было бы ожидать при случайной сополимеризации. Конечно, каждая последовательность не есть результат случайного биосинтеза; каждая белковая цепь кодируется геном. Однако аминокислотные последовательности водорастворимых глобулярных белков выглядят как "случайные", — в том смысле, что в них нет ни блочности, характерной для мембранных белков

(где явно гидрофобные куски перемежаются с явно гидрофильными), ни периодичности, характерной для белков фибриллярных.

Мотивы укладок белковых цепей часто удивительно красивы. Ход белковых цепей часто напоминает линии, орнаментирующие керамику. Это сходство не случайно — так как и линия орнамента, и белковая цепь "решает" одну и ту же задачу — окружить объем (в белке это центр глобулы, ее гидрофобное ядро), избежав самопересечений этой линии.

Физическая теория фазовых переходов. Понятие фазового перехода. Типы фазовых переходов. Образование и разрушение пространственной структуры белка с позиции теории фазовых переходов.

Фаза вещества – это состояние вещества, которому в данных условиях соответствует минимум свободной энергии. При изменении условий могут происходить переходы между фазами, изменение фазового состояния вещества. По характеру изменения свободной энергии выделяют три типа фазовых переходов.

ФП 1 рода. В процессе ФП наблюдается только начальное и конечное состояния, невозможно уловить промежуточные состояния. ФП происходит в узком диапазоне условий, зависимость свободной энергии от условий носит S-образный характер. Изменение фазы происходит по принципу "Всё или Ничего". Стабильные состояния между ФП 1 рода разделены достаточно высоким энергетическим барьером, поэтому они происходят достаточно длительное время.

ФП 2 рода. Для этого типа ФП характерно постепенное изменение фазы через многочисленные промежуточные состояния, принцип "Всё или Ничего" отсутствует. Скачок энергии в малом диапазоне условий отсутствует, поэтому ФП 2 рода происходят быстро и в более широком диапазоне условий. При достижении температуры ФП происходит скачок теплоёмкости системы, в результате дальнейший рост температуры сопровождается слабым ростом энергии.

Нефазовые переходы. Для них характерно значительное изменение упорядоченности системы без изменения её агрегатного состояния и размерности.

В процессах денатурации и ренатурации белка разные стадии представляют собой фазовые переходы разного рода. Для малых белков процесс можно считать одностадийным. Этот процесс происходит как ФП 1 рода. Для крупных белков этот процесс многостадийный, и разные его стадии происходят как ФП разного рода. Ранние этапы самосборки различаются в зависимости от типа вторичной структуры. Образование α-спирали происходит как нефазовый переход, так как оба фазовых состояния одномерны и не происходит изменения границы фаз. Образование β-листов происходит как ФП 1 рода, площадь контакта цепи с листом зависит от размера контактирующих элементов. Процесс образования β-структуры происходит значительно дольше.

Процесс образования и разрушения нативной структуры происходит как ФП 1 рода. В процессе этого перехода происходит изменение энтропии системы, компенсированное изменением свободной энергии. Это обеспечивается наличием большого числа слабых связей с низкой энергией.

К ФП 2 рода могут относиться процессы образования и разрушения доменных структур, которые часто сопровождаются ростом теплоёмкости системы.