25.4. Четвертичная структура

Определения и обозначения

Четвертичная структура белка — пространственная организация нескольких полипептидных цепей, объединённых в одну белковую молекулу. Иначе говоря, это способ расположения цепей друг относительно друга после того, как каждая из них свернулась. Понятие нужно, чтобы описывать строение сложных белков, состоящих не из одной цепи.

Субъединица — отдельная полипептидная цепь или структурно обособленная часть многосубъединичного белка. Чаще всего цепь сначала приобретает собственную пространственную форму, а затем включается в общий комплекс. Это понятие помогает различать части белка и прослеживать, как их взаимодействие влияет на работу всей молекулы.

Олигомерный белок — белок, молекула которого состоит из двух или более субъединиц. Название подчёркивает, что в состав комплекса входит несколько структурных частей, а не одна цепь. Термин нужен, чтобы отличать такие белки от односубъединичных и описывать состав их молекул.

Протомер — минимальная структурная единица олигомерного белка, повторением которой может образоваться его четвертичная структура. Он может включать одну или несколько полипептидных цепей, поэтому не всегда совпадает с одной субъединицей. Это понятие удобно, когда в крупном комплексе повторяется одинаковый набор частей.

Как это устроено

Четвертичная структура возникает после формирования отдельных свернутых цепей: несколько таких цепей соединяются в общий комплекс. Причина такого порядка в том, что пространственная форма каждой цепи задаёт участки, способные взаимодействовать с соседними субъединицами. Если поверхности подходят друг к другу, комплекс может собраться в устойчивую функциональную молекулу. Поэтому четвертичная структура описывает не сворачивание одной цепи, а её взаимное расположение с другими.

Субъединицы в основном удерживаются нековалентными взаимодействиями: водородными, ионными, гидрофобными и ван-дер-ваальсовыми. Эти контакты возникают между подходящими участками поверхностей, а их совокупность помогает комплексу сохранять форму. Отдельное взаимодействие может быть слабым, но множество контактов вместе обеспечивает заметную устойчивость. Иногда к ним добавляются дисульфидные связи, которые ковалентно соединяют части белка.

В составе комплекса могут быть как одинаковые, так и разные субъединицы. Если субъединицы одинаковы, белок относят к гомоолигомерам; если различаются — к гетероолигомерам. Разный состав позволяет цепям выполнять неодинаковые задачи или по-разному реагировать на сигналы. Поэтому число и тип субъединиц связаны с возможностями белкового комплекса.

Объединение субъединиц может создавать активный центр — участок, где белок связывает вещество или осуществляет химическое превращение. Даже если активный центр расположен в одной цепи, соседняя субъединица способна менять его форму и свойства через контакты между частями комплекса. В результате четвертичная структура влияет на функцию и может обеспечивать регуляцию активности. У гемоглобина, например, связывание кислорода одной частью комплекса связано с изменениями, влияющими на связывание другими.

Контакты между субъединицами зависят от условий среды, в том числе от кислотности и температуры. При их изменении меняются заряды и взаимодействия на поверхностях цепей, поэтому комплекс может потерять устойчивость и распасться. Это не обязательно означает, что каждая цепь полностью развернулась: её вторичная и третичная структуры могут сохраниться. Однако потеря общей сборки часто нарушает биологическую активность белка.

Основные особенности четвертичной структуры белка

Используйте таблицу, чтобы сравнить состав комплекса, типы контактов и их функциональные последствия. При разборе конкретного белка сначала выясните число и сходство субъединиц, а затем оцените, как они удерживаются вместе. Последний признак помогает проверить, есть ли у белка четвертичная структура вообще.

Разбор задач

Задача 1. Белок состоит из четырёх полипептидных цепей, каждая из которых имеет собственную третичную структуру. Определите, какой уровень организации описывает объединение этих цепей. Нужно отличить форму отдельной цепи от способа соединения нескольких цепей в одну молекулу.

1. Сначала подсчитаем части: указаны четыре полипептидные цепи.
2. Каждая цепь уже имеет третичную структуру, то есть собственную пространственную форму. Поэтому речь идёт не о сворачивании одной цепи, а о взаимодействии нескольких готовых субъединиц.
3. Объединение двух или более субъединиц в общий комплекс соответствует четвертичному уровню организации.

Ответ: объединение четырёх цепей описывает четвертичная структура белка. Каждая цепь является субъединицей комплекса. Наличие у цепей собственной третичной структуры не отменяет существования следующего уровня организации.

Задача 2. Опишите, какие взаимодействия могут стабилизировать комплекс из двух одинаковых субъединиц и почему изменение pH способно нарушить его структуру. Нужно назвать контакты между цепями и связать их с воздействием среды. Само наличие двух одинаковых субъединиц означает, что белок является гомоолигомером.

1. На поверхностях субъединиц могут возникать водородные, ионные, гидрофобные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. В отдельных белках дополнительно присутствуют дисульфидные связи.
2. Изменение pH влияет на заряд некоторых групп белка. Из-за этого ионные контакты могут ослабнуть или измениться, а форма участков взаимодействия — стать менее подходящей.
3. Если суммарное действие контактов становится недостаточным, субъединицы могут разъединиться. Следовательно, изменится четвертичная структура комплекса.

Ответ: комплекс удерживается совокупностью нековалентных взаимодействий, иногда также дисульфидными связями. Изменение pH меняет заряд групп и способно нарушить часть контактов. Поэтому устойчивость сборки снижается, а субъединицы могут разойтись.

Задача 3. Объясните, почему замена аминокислоты на поверхности одной субъединицы гемоглобина может изменить свойства всего белкового комплекса. Нужно рассмотреть не только саму заменённую цепь, но и её контакты с соседними частями. Гемоглобин состоит из нескольких субъединиц, работающих согласованно.

1. Аминокислота на поверхности может участвовать в контактах между субъединицами. Замена меняет свойства боковой группы: например, её заряд, размер или способность взаимодействовать с водой.
2. Из-за этого могут измениться прочность контакта или взаимное расположение субъединиц. Даже небольшая перемена в одной части комплекса способна повлиять на форму и свойства других участков.
3. Поскольку субъединицы гемоглобина взаимодействуют при связывании кислорода, изменение контактов может повлиять на работу всего белка. Так структурное изменение связывается с изменением функции.

Ответ: замена аминокислоты может перестроить межсубъединичные контакты. Это способно изменить свойства комплекса и согласованность работы его частей. Поэтому последствия замены одной аминокислоты могут проявиться на уровне всего гемоглобина.

Типичные ошибки

Считать четвертичной структурой любое сворачивание одной цепи — ошибка: такое сворачивание формирует третичную структуру. Её часто допускают, потому что оба уровня описывают пространственную форму белка. Проверка простая: если в условии дана только одна полипептидная цепь, четвертичной структуры нет; для неё нужны несколько субъединиц.

Неверно утверждать, что субъединицы всегда соединены ковалентно. Обычно комплекс удерживается совокупностью нековалентных контактов, а дисульфидные связи встречаются лишь в некоторых белках. Путаница возникает из-за представления о белке как о единой молекуле с обязательными прочными связями. Чтобы проверить ответ, перечислите типы взаимодействий и не называйте ковалентную связь единственным вариантом.

Субъединицу нельзя путать с аминокислотным остатком: остаток — часть полипептидной цепи, а субъединица представляет собой целую цепь или крупный структурный блок. Ошибка появляется, когда слова «часть белка» понимают слишком широко. Проверьте масштаб: субъединица сама имеет сложное строение, тогда как аминокислотный остаток является одним звеном цепи.

Распад четвертичной структуры не обязательно разрушает первичную структуру. При разъединении субъединиц аминокислотная последовательность каждой цепи может сохраниться, а её третичная структура — не измениться. Ошибку допускают, считая, что нарушение одного уровня автоматически уничтожает все остальные. Проверяйте, какие именно связи и контакты изменились: межсубъединичные контакты могут исчезнуть без разрыва пептидных связей.

Связь с другими темами

Для понимания четвертичной структуры нужно знать уровни организации белка, строение полипептидной цепи, пептидную связь и взаимодействия между радикалами аминокислот. Эти знания помогают различать связи внутри цепи и контакты между субъединицами. Дальше тема пригодится при изучении денатурации, ферментов, гемоглобина и аллостерической регуляции. Она также показывает, как изменение строения белка может повлиять на его функцию.

Что запомнить

• Четвертичная структура есть только у многосубъединичных белков.
• Субъединицы — самостоятельно свернувшиеся полипептидные цепи или их структурные блоки.
• Субъединицы могут быть одинаковыми или различными.
• Основу стабилизации четвертичной структуры составляют нековалентные взаимодействия.
• Объединение субъединиц обеспечивает согласованную работу белкового комплекса.
• Изменение условий среды может нарушить контакты между субъединицами.
• Распад четвертичной структуры часто сопровождается потерей функции белка.