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

Третичная структура белка
Роль дисульфидных связей в стабилизации третичной структуры некоторых белков

Дисульфидные связи образуются при окислении сближенных в пространственной структуре белка остатков цистеина в остатки цистина. Как уже упоминалось, это единственный тип ковалентных связей, участвующих в дополнение к обсужденным выше нековалентным взаимодействиям в стабилизации третичной структуры. Дисульфидыые связи встречаются далеко не во всяком белке, более того, известны весьма стабильные, в том числе термостабильные, белки, совсем лишенные их. Таким образом, наличие в белке дисульфидных связей вовсе не является непременным условием его стабильности, однако роль этих связей нельзя и недооценивать.

Вклад дисульфидной связи в конформационную стабильность белка существенно зависит от ее расположения в пространственной структуре. Полученные для ряда белков (панкреатической рибонуклеазы, лизоцима, легкой цепи иммуноглобулинов) оценки вклада дисульфидных связей в энергию стабилизации нативной пространственной структуры находятся в пределах 2,3— 5 ккаль/моль. Значимость этих величин очевидна, если сравнить их с небольшой — порядка 10 ккал/моль — энергией стабилизации белковой глобулы. По-видимому, стабилизация белковой структуры дисульфидными связями объясняется прежде всего тем, что они, сохраняясь в денатурированном белке, резко сокращают число возможных конфигураций развернутой полипептидной цепи, понижая тем самым ее энтропию.

Как следствие, переход от такой развернутой цепи, содержащей дисульфидные связи, к нативной компактной структуре оказывается сопряженным с меньшей убылью конформационной энтропии и, следовательно, более выгодным, чем при отсутствии дисульфидных связей. Вероятно также, что сохранение в развернутой цепи ковалентных дисульфидных связей между участками, которым надлежит быть сближенными в нативной глобуле, облегчает поиск правильного пути образования пространственной структуры, благоприятно сказывается на кинетике ренатурации белковой молекулы.

Очевидно, что оба фактора, способствующие ренатурации белковой глобулы и препятствующие ее денатурации, могут действовать только после формирования пространственной структуры белка. Образование же дисульфидных связей в ходе биосинтеза не предшествует свертыванию полипептидной цепи в глобулу, а как бы сопутствует этому процессу, идет параллельно с ним.

При формировании белковой глобулы, вероятно, могут возникать промежуточные состояния, где некоторые дисульфидные связи «неправильны», т е. образованы не теми остатками цистеина, между которыми они устанавливаются в нативной структуре белка. Лишь на конечной стадии может происходить их «корректировка».

Опыты по введению дополнительных дисульфидных связей в некоторые белки методами белковой инженерии показали, что далеко не всегда это приводит к повышению стабильности белка.

В большинстве случаев трудно судить с достаточной определенностью, почему для стабилизации некоторых белков используются дисульфидные связи, тогда как другие белки вполне устойчивы только за счет нековалентных взаимодействий. По-видимому, дисульфидные связи важны для «кинетической» стабилизации (устойчивости к внешним факторам) секреторных белков, функционирующих вне более или менее постоянной внутриклеточной среды. Ясно, что дисульфидные связи, часто множественные, особенно важны для стабилизации маленьких белков, в которых не может возникнуть обширная система нековалентных взаимодействий. Таковы, например, многие ингибиторы протеиназ, в частности панкреатический ингибитор трипсина. Его пептидная цепь, состоящая всего из 54 аминокислотных остатков, так хорошо стабилизирована четырьмя дисульфидными связями, что этот белок, несмотря на малые размеры, сохраняет компактную грушевидную форму при нагревании до 95°С.

Впрочем, эти соображения не могут рассматриваться как сколько-нибудь жесткие правила, так как нетрудно указать секреторные, а также небольшие белки, не имеющие дисульфидных связей и тем не менее вполне стабильные.