Молекулярная биология: Структура и функции белков - Степанов В.М. 2005

Вторичная структура
Об устойчивости вторичной структуры

Оценивая факторы, которые определяют стабильность вторичной структуры, следует учитывать, что стерические ограничения, делающие благоприятными не любые, а только определенные наборы двугранных углов φ и ψ, отнюдь не запрещают иных сочетаний. В то же время система водородных связей, типичная для элементов вторичной структуры, в воде достаточно уязвима, поскольку и группы NH, и карбонильные группировки могут взаимодействовать не только между собой, но и с молекулами воды, что приводит к дестабилизации структуры. К тому же в глобулярных белках протяженность участков вторичной структуры ограничена, а кооперативность в рамках отдельного ее элемента невысока.

Таким образом, взятые сами по себе, в отдельности от компактной белковой глобулы, элементы вторичной структуры не должны обладать значительной стабильностью. Это подтверждает ряд экспериментов, в которых наблюдали за структурообразованием сравнительно коротких пептидов, воспроизводивших последовательность аминокислот в а-спиральных участках белка. Обнаружено, что такие пептиды, в частности фрагменты глобинов или спиральный участок миогемэритрина, в водных растворах содержат лишь флуктуирующие зародышевые а-спирали, причем равновесие, как правило, смещено в сторону развернутых структур. Устойчивость а-спиралей заметно возрастает при понижении полярности среды путем добавления органических растворителей. Например, фрагмент 69—87 миогемэритрина, полностью спирализованный в белке, в смеси вода - трифторэтанол содержал около 50% а-спирали, причем спирализованной оказывалась преимущественно С-концевая половина пептида, тогда как в воде наблюдалось лишь временное образование отдельных оборотов пептидной цепи, быстро распадавшихся. Отмечалось также образование ß-изгибов в водных растворах коротких пептидов.

Следовательно, элементы вторичной структуры приобретают устойчивость только после их объединения в компактную белковую глобулу, поскольку в последней резко повышается кооперативность системы нековалентных взаимодействий, а значительная часть структуры оказывается погруженной в среду с полярностью гораздо меньшей, чем у воды. Наконец, немаловажно, что в компактной структуре значительная часть внутримолекулярных водородных связей скрыта от воздействия воды и вероятность их разрыва гораздо меньше.

Итак, вторичная структура как устойчивое образование существует только в рамках компактной белковой глобулы. Однако флуктуирующие мерцающие элементы вторичной структуры, которые могут возникать уже на коротких участках пептидной цепи, очень важны как предпосылка формирования пространственной структуры, по-видимому начинающегося со взаимодействия, «схлопывания» соседних а-спиралей, ß-изгибов, а затем и элементов ß-структуры. Такие ассоциаты, еще недостаточно стабильные, могут служить зародышами возникновения компактной структуры, единицами ее свертывания.