25.3. Третичная структура

Определения и обозначения

Третичная структура белка — пространственная укладка одной полипептидной цепи в компактную форму. Иными словами, это не порядок аминокислот, а то, как вся цепь располагается в трёхмерном пространстве. От неё зависят форма белка, его растворимость и биологическая активность.

Глобула — характерная компактная форма, которую принимает полипептидная цепь при формировании третичной структуры. Цепь не превращается в идеальный шар, но обычно собирается в плотное образование с внутренней и внешней частями. Представление о глобуле помогает понять, почему разные радикалы оказываются в разных участках белка.

Гидрофобное взаимодействие — сближение неполярных боковых радикалов с вытеснением их из контакта с водой. Такие радикалы сами по себе не образуют отдельной прочной связи, но вода как бы выталкивает их в менее доступную для себя внутреннюю область. Это взаимодействие формирует устойчивое гидрофобное ядро глобулы.

Дисульфидная связь — ковалентная связь между атомами серы двух остатков цистеина. Она возникает при соединении двух групп —SH с образованием фрагмента —S—S—. Такая связь особенно прочно закрепляет положение удалённых участков одной цепи или разных цепей.

Как это устроено

Боковые радикалы аминокислот отличаются размером, зарядом и способностью взаимодействовать с водой. При сворачивании цепи радикалы, оказавшиеся рядом, притягиваются, образуют водородные или ионные контакты либо избегают воды. Поэтому цепь не складывается случайно: сочетание свойств радикалов направляет её к определённой пространственной форме.

Неполярные радикалы обычно оказываются внутри глобулы, потому что вода плохо окружает их и не образует с ними выгодных взаимодействий. Сближение таких групп уменьшает площадь их контакта с водой и делает систему устойчивее. Полярные и заряженные группы, напротив, могут взаимодействовать с молекулами воды, поэтому чаще располагаются на поверхности, хотя отдельные полярные участки могут находиться и внутри.

Гидрофобные взаимодействия создают внутреннее ядро, а водородные связи дополнительно фиксируют участки цепи с полярными группами. Ионные взаимодействия возникают между боковыми группами с противоположными зарядами и помогают удерживать соседние фрагменты. Дисульфидные связи между цистеинами действуют как прочные ковалентные «скрепы» и особенно заметно укрепляют структуру.

Первичная структура — это последовательность аминокислот, вторичная — локальная укладка участков цепи в спирали или складчатые фрагменты, а третичная — общая форма всей одной цепи. Последовательность определяет, где находятся радикалы и какие контакты могут возникнуть после сворачивания. Поэтому изменение даже одного остатка иногда меняет укладку и свойства белка.

Взаимодействия, стабилизирующие третичную структуру белка

Таблицу удобно читать по цепочке: сначала определить группы, затем установить вид контакта и его роль. Невалентные взаимодействия по отдельности обычно слабее ковалентной дисульфидной связи, но их совместное действие формирует устойчивую глобулу. При анализе задачи один и тот же белок может использовать сразу несколько типов взаимодействий.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Для белковой цепи указаны остатки валин, лейцин, лизин, аспарагиновая кислота и цистеин. Определите, какие взаимодействия между их боковыми радикалами могут участвовать в формировании третичной структуры.

1. Определим свойства радикалов. Валин и лейцин имеют неполярные углеводородные радикалы, лизин — основную группу, а аспарагиновая кислота — кислотную карбоксильную группу.
2. Валин и лейцин могут сближаться внутри глобулы за счёт гидрофобного взаимодействия. Положительно заряженная группа лизина и отрицательно заряженная группа аспарагиновой кислоты могут образовать ионное взаимодействие.
3. Цистеин способен участвовать в дисульфидной связи, но для этого рядом или в другой части цепи нужен второй остаток цистеина. Между полярными группами также возможны водородные связи, если их расположение и ориентация подходят.

Ответ: валин и лейцин участвуют в гидрофобном взаимодействии, лизин и аспарагиновая кислота — в ионном, а цистеин может образовать дисульфидную связь со вторым цистеином; возможны также водородные связи.

Задача 2

Условие: Белок содержит четыре остатка цистеина. Сколько дисульфидных связей может образоваться при их попарном соединении и как изменится структура белка после обработки восстановителем?

1. Одна дисульфидная связь образуется из двух остатков цистеина, поэтому общее число остатков нужно разделить на два.
2. Четыре остатка можно объединить в две пары: 4 : 2 = 2. Следовательно, максимально образуются две дисульфидные связи, если все остатки доступны для соединения.
3. Восстановитель разрывает связи S—S и превращает их в отдельные тиольные группы —SH. Прочные «скрепы» исчезают, поэтому третичная структура ослабевает или нарушается, хотя пептидный остов обычно сохраняется.

Ответ: могут образоваться 2 дисульфидные связи. После действия восстановителя они разрываются, третичная укладка нарушается, а первичная структура обычно остаётся сохранённой.

Задача 3

Условие: Сравните действие нагревания, изменения pH и добавления вещества-восстановителя на третичную структуру белка. Укажите, какие взаимодействия нарушаются и может ли сохраниться первичная структура.

1. При нагревании усиливается движение атомов, из-за чего нарушаются слабые гидрофобные, водородные и часть ионных взаимодействий. Если температура не вызывает химического расщепления цепи, пептидные связи сохраняются.
2. Изменение pH меняет заряд кислотных и основных боковых групп. Поэтому ослабевают или исчезают ионные пары, а вместе с изменением зарядов могут нарушиться водородные связи и общая укладка.
3. Восстановитель действует прежде всего на дисульфидные связи, превращая их в группы —SH. При мягком воздействии первичная структура также обычно сохраняется, поскольку пептидные связи не являются главной мишенью этих факторов.

Ответ: нагревание нарушает главным образом слабые взаимодействия, изменение pH — ионные контакты и связанные с ними связи, а восстановитель — дисульфидные. Во всех случаях третичная структура может разрушиться, но первичная обычно сохраняется.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Третичной структурой называют последовательность аминокислот. Так происходит из-за смешения названий уровней организации белка. Проверка проста: последовательность — это первичная структура, а третичная описывает форму цепи в пространстве.

Ошибка 2. Дисульфидную связь принимают за водородную. Обе участвуют в стабилизации белка, но дисульфидная является ковалентной и соединяет атомы серы двух цистеинов. Если в рассуждении нет цистеина и фрагмента —S—S—, такую связь указали неверно.

Ошибка 3. Утверждают, что все неполярные радикалы находятся на поверхности. В водном растворе им невыгодно контактировать с водой, поэтому они преимущественно скрываются внутри глобулы. Проверяйте, с какой средой взаимодействует радикал и полярен ли он.

Ошибка 4. Считают, что денатурация всегда разрывает пептидные связи. Обычно она разрушает вторичную, третичную и четвертичную организацию, но первичная структура может сохраниться. Для проверки уточните, было ли воздействие достаточно сильным именно для химического расщепления цепи.

Связь с другими темами

Для понимания третичной структуры нужны знания о строении аминокислот, пептидной связи, а также о первичной и вторичной структурах белка. Первичная структура задаёт порядок остатков, вторичная описывает локальные элементы, а третичная объединяет их в общую форму одной цепи.

Эта тема объясняет, почему форма белка связана с его свойствами и биологической активностью. Она также подготавливает к изучению денатурации — потери пространственной организации — и ренатурации, то есть возможного восстановления исходной укладки.

Что запомнить

• Третичная структура — пространственная укладка одной полипептидной цепи.
• Последовательность аминокислот задаёт возможность формирования определённой третичной структуры.
• Неполярные радикалы обычно образуют внутреннее гидрофобное ядро глобулы.
• Третичную структуру стабилизируют гидрофобные, водородные, ионные и дисульфидные взаимодействия.
• Дисульфидная связь образуется между двумя остатками цистеина.
• Денатурация нарушает пространственную организацию белка, но не обязательно разрушает его первичную структуру.