Химические взаимодействия в белковой молекуле
Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи — образуется за счет пептидных связей. Пептидная связь образуется за счет карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты. При образовании пептидных связей в клетках сначала активируется карбоксильная группа одной аминокислоты, а затем она соединяется с аминогруппой другой.
Пептидная связь является повторяющимся фрагментом полипептидной цепи. Она имеет ряд особенностей, которые влияют не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи. Одна из таких особенностей - способность к образованию водородных связей, причем каждая из пептидных групп может образовывать две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными.
Вторичная структура представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную структуру благодаря образованию водородных связей между пептидными группами одной цепи или смежными полипептидными цепями. По конфигурации вторичные структуры делятся на спиральные (α-спираль) и слоисто-складчатые (β-структура и кросс-β-форма).
α-Спираль. Это разновидность вторичной структуры белка, имеющая вид регулярной спирали, образующейся благодаря межпептидным водородным связям в пределах одной полипептидной цепи. Модель строения α-спирали (рисунок), учитывающая все свойства пептидной связи, была предложена Полингом и Кори.
β-структура является еще одним очень распространенным типом локальной пространственной компоновки аминокислот. β-листы состоят из β-цепей, связанных с боков двумя или тремя водородными связями, образуя слегка закрученные, складчатые листы. Более высокоуровневые структуры,
образованные множеством β-листов, приводят к образованию белковых агрегатов и фибрилл, наблюдаемых при многих заболеваниях человека и животных, в частности, амилоидозы (в том числе, болезнь Альцгеймера).
В белках возможны переходы от α-структур к β-структурам и обратно вследствие перестройки водородных связей. Вместо регулярных межпептидных водородных связей вдоль цепи (благодаря им полипептидная цепь скручивается в спираль) происходит раскручивание спирализованных участков и замыкание водородных связей между вытянутыми фрагментами полипептидных цепей. Такой переход обнаружен в кератине — белке волос.
В стабилизации третичной структуры играют роль связи между боковыми радикалами аминокислот. Эти связи можно разделить на:
сильные (ковалентные);
слабые (полярные и Ван-дер-ваальсовы).
К ковалентным связям относятся дисульфидные связи (—S—S—) между боковыми радикалами цистеинов, находящихся в разных участках полипептидной цепи, а также изопептидные, или псевдопептидные. Редко встречается эфирная связь, образуемая СООН-группой дикарбоновых аминокислот и ОН-группой гидроксиаминокислот.
К полярным связям относятся водородные и ионные. Водородные связи, как обычно, возникают между группой —NН2, — ОН или —SН бокового радикала одной аминокислоты и карбоксильной группой другой. Ионные, или электростатические, связи образуются при контакте заряженных групп боковых радикалов —NН+3 (лизина, аргинина, гистидина) и —СОО- (аспарагиновой и глутаминовой кислот).
Неполярные, или ван-дер-ваальсовы, связи образуются между углеводородными радикалами аминокислот. Гидрофобные радикалы аминокислот аланина, валина, изолейцина, метионина, фенилаланина в водной среде взаимодействуют друг с другом. Слабые ван-дер-ваальсовы связи способствуют формированию гидрофобного ядра из неполярных радикалов внутри белковой глобулы. Чем больше неполярных аминокислот, тем большую роль в укладке полипептидной цепи играют ван-дер-ваальсвы связи.
Многочисленные связи между боковыми радикалами аминокислот определяют пространственную конфигурацию белковой молекулы.
Четвертичная структура — объединение в определенном порядке двух и большего количества субъединиц в ассоциат или комплекс субъединиц, способных к диссоциации.
Таблица 1. Характеристика связей, участвующих в структурной организации белков
| Уровень организации | Типы связей (по прочности) | Разновидность связи |
| Первичная (линейная полипeптидная цепь) | Ковалентные (сильные) | Пептидная — между α-амино- и α-карбоксильными группами аминокислот |
| Вторичная (α-спираль, β-структуры) | Слабые | Водородные — между пептидными группами (каждой первой и четвертой) одной полипептидной цепи или между пептидными группами смежных полипептидных цепей |
| Ковалентные (сильные) | Дисульфидные — дисульфидные петли в пределах линейного участка полипептидной цепи | |
| Третичная (глобулярная, фибриллярная) | Ковалентные (сильные) | Дисульфидные, изопептидные, сложноэфирные — между боковыми радикалами аминокислот разных участков полипептидной цепи |
| Слабые | Водородные — между боковыми радикалами аминокислот разных участков полипептидной цепи Ионные (солевые) — между противоположно заряженными группами боковых радикалов аминокислот полипептидной цепи Ван-дер-ваальсовы — между неполярными боковыми радикалами аминокислот полипептидной цепи | |
| Четвертичная (глобулярная, фибриллярная) | Слабые | Ионные — между противоположно заряженными группами боковых радикалов аминокислот каждой из субъединиц Водородные — между боковыми радикалами аминокислотных остатков, расположенными на поверхности контактирующих участков субъединиц |
| Ковалентные (сильные) | Дисульфидные — между остатками цистеина каждой из контактирующих поверхностей разных субъединиц |
Все белки, у которых обнаружена четвертичная структура, выделены в виде индивидуальных макромолекул, не распадающихся на субъединицы. Контакты между поверхностями субъединиц возможны только за счет полярных групп аминокислотных остатков, поскольку при формировании третичной структуры каждой из полипептидных цепей боковые радикалы неполярных аминокислот (составляющих большую часть всех протеиногенных аминокислот) спрятаны внутри субъединицы. Между их полярными группами образуются многочисленные ионные (солевые), водородные, а в некоторых случаях и дисульфидные связи, которые прочно удерживают субъединицы в виде организованного комплекса. Применение веществ, разрывающих водородные связи, или веществ, восстанавливающих дисульфидные мостики, вызывает дезагрегацию протомеров и разрушение четвертичной структуры белка.