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

Четвертичная структура белка
Взаимодействия между субъединицами, стабилизирующие четвертичную структуру

Межсубъединичные контакты, которые определяют существование четвертичной структуры, представляют собой весьма развитую систему нековалентных взаимодействий. Ковалентные дисульфидные связи весьма редко используются для стабилизации четвертичной структуры (например, они соединяют легкие и тяжелые цепи в иммуноглобулинах), причем даже в этих случаях они играют подчиненную роль, дополняя нековалентные контакты.

В организации сети межсубъединичных контактов важная роль принадлежит водородным связям. Очень часто система таких связей соединяет в одну очень протяженную структуру ß-складчатые листы контактирующих субъединиц. Если на поверхность субъединицы выходит крайний отрезок ß-складчатого листа, то такой же отрезок будет занимать соответствующее положение в другой субъединице. Поворот последней на 180° позволит сблизить упомянутые отрезки так, что между ними установится характерная для антипараллельной ß-структуры система водородных связей. Например, в четвертичной структуре алкогольдегидрогеназы лошади (фермента, катализирующего превращение различных спиртов в альдегиды) две субъединицы, контактируя, образуют протяженный ß-складчатый слой, который состоит из 12 пептидных отрезков. В зоне контакта в общей сложности устанавливается 8 водородных связей между С=О- и N—Н-группами главной цепи:

В дополнение к этой системе могут возникать и отдельные водородные связи между функциональными группами разных субъединиц.

Как ни значима роль водородных связей, сами по себе они не смогли бы обеспечить поддержание достаточно устойчивой четвертичной структуры, особенно в водных растворах. Как и при образовании третичной структуры, большое значение имеют при этом контакты между гидрофобными группами и целыми гидрофобными участками на поверхности взаимодействующих субъединиц. Уже упоминалось, что около половины гидрофобных аминокислотных остатков локализовано в поверхностном слое белка, поэтому возникновение таких контактов вполне объяснимо. Так, четвертичная структура алкогольдегидрогеназы кроме водородных связей стабилизируется гидрофобными контактами, в которых со стороны каждой из двух субъединиц участвуют два остатка метионина, один — лейцина, три — изолейцина, два — пролина, один — триптофана, в общей сложности 18 остатков, размещенных на площади 600 А². Гидрофобные боковые группы этих остатков в изолированной субъединице имели бы термодинамически невыгодные контакты с водой, упорядочивая ее структуру. Поэтому формирование межсубъединичного контакта приводит к возрастанию энтропии системы, и равновесие оказывается сдвинутым в сторону олигомера.

Сочетание системы водородных связей и гидрофобных контактов делает очень прочным связывание субъединиц алкогольдегидрогеназы. Диссоциация четвертичной структуры этого белка достигается только в 8 М мочевине.

Межсубъединичные контакты нередко содержат ионные пары, в которых устанавливаются электростатические взаимодействия между противоположно заряженными функциональными группами субъединиц, например между карбоксилат-ионами остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот и катионными группами боковых цепей лизина или аргинина. При этом вовсе не обязательно образование только ионных пар: нередко возникают целые системы, кластеры пространственно сближенных разноименных зарядов. Исключение воды из межсубъединичного контакта делает такие взаимодействия, не слишком устойчивые на поверхности белка, весьма значимыми.

Анализ четвертичной структуры нескольких белков показал, что среди аминокислотных остатков, обеспечивающих межсубъединичные контакты, 67% являются неполярными, 20 — полярными, 13% несут заряженные группы.

В целом зона контакта между субъединицами представляет собой кооперативную систему нековалентных взаимодействий, стабильность которой существенно зависит от внешних условий и, что особенно важно, даже от небольших изменений в пространственной структуре каждой из взаимодействующих субъединиц. Здесь кроется молекулярный базис одной из наиболее специфичных функций четвертичной структуры — ее способности передавать структурные перестройки одной субъединицы на другие.

Прочность четвертичной структуры может колебаться в широких пределах. Ее иногда измеряют долей поверхности субъединиц, которая участвует в межсубъединичном контакте и оказывается скрытой от воды при формировании структуры.

Заметим, что стабилизация четвертичной структуры обусловлена качественно теми же нековалентными взаимодействиями, от которых зависит и устойчивость третичной структуры, хотя вклад гидрофобных контактов несколько меньше. Различие носит скорее количественный характер: как правило, третичная структура значительно прочнее четвертичной, поэтому при воздействии факторов, нарушающих отмеченные связи, четвертичная структура обычно утрачивается первой, диссоциируя на сохранившие нативность субъединицы. Это правило имеет исключения, важно, однако, что относительно меньшая стабильность четвертичной структуры дает большие преимущества при использовании ее изменений как факторов регуляции функциональных свойств белков.