А. Свертывание белков

Свертывание полипептидной цепи в нативную конформацию идет наиболее успешно в физиологических условиях. Потеря нативной конформации, денатурация, наступает при экстремальных значениях рН, высокой температуре или под действием органических растворителей, детергентов и других денатурирующих веществ.

К факторам, стабилизирующим конформацию белка, относятся водородные связи, дисульфидные мостики, электростатическое взаимодействие и комплексообразование с ионами металлов (см. с. 73). Другим очень важным стабилизирующим фактором является «гидрофобный эффект». Как отмечалось на с. 34, в смеси неполярных вещесте с ведой происходит разделение фаз («эффект масляных капель»), т. е. идет самопроизвольный процесс, при котором поверхность контакта между фазами стремится быть минимальной. По аналогии с этим процессом полипептидная цепь свертывается в водной среде таким образом, чтобы как можно больше неполярных боковых групп аминокислотных остатков были бы спрятаны внутри глобулы, тогда как полярные группы контактируют с водой (1). Такой механизм позволяет объяснить распределение соответствующих группировок и в молекуле инсулина (см. с. 83).

В настоящее время не существует полного описания энергетики процесса свертывания полипептидной цепи (2). В этом разделе обсуждается лишь предельно простая модель. В заданных условиях конформация полипептидной цепи будет устойчивой лишь в том случае, если она обладает минимумом свободной энергии (изменение свободной энергии свертывания ΔG_СВ имеет знак минус) (см. с. 22). Вместе с тем свертывание полипептидной цепи повышает степень упорядоченности белковой молекулы. А как указывалось на с. 26, рост упорядоченности означает уменьшение энтропии системы (ΔS_КОНФ — величина отрицательная), а следовательно возрастание энтропийного члена в уравнении Гиббса-Гельмгольца (-Т · ΔS_КОНФ имеет знак плюс) (фиолетовая стрелка). На процесс свертывания также оказывают стабилизирующее воздействие ковалентные и другие типы связей, образующиеся в белковой глобуле. Поэтому изменение энтальпии свертывания ΔH_СВ — величина отрицательная (красная стрелка). Другим фактором, влияющим на ход процесса, является изменение энтропии окружающей среды (воды) за счет гидрофобного эффекта. При свертывании полипептидной цепи снижается степень упорядоченности воды и образуется максимально возможное число водородных связей. При этом возрастает энтропия водной среды, т. е. ΔS_ВОД —величина положительная, а следовательно, энтропийный член уравнения -T · ΔS_ВОД имеет знак минус (синяя стрелка). Таким образом, уменьшение энтропии полипептидной цепи перекрывается ростом энтропии окружающей среды и энтропия системы в целом возрастает. Следовательно, полипептидная цепь самопроизвольно принимает нативную конформацию, характеризующуюся минимумом свободной энергии суммарной системы (ΔG_СВ — величина отрицательная) (зеленая стрелка).

Б. Свертывание белков: примеры

При сравнении наиболее крупных глобулярных белков становится очевидным, что существует определенная схема свертывания полипептидной цепи, которая воспроизводится с незначительными вариациями. Рассмотрим ряд примеров (α-спирали выделены красным цветом, плоскости складчатого листа — зеленым), глобулярные белки, построенные из α-спиралей, как например, миоглобин (см. с. 330, гем выделен желтым цветом), встречаются редко. Обычно наблюдаются сочетания складчатых листов и спирализованных участков, как, например, во флаводоксине, небольшом флавопротеине (FMN выделен желтым цветом), где 5 расположенных веером складчатых листов из пяти параллельных тяжей формируют ядро молекулы; 4 α-спиральных участка окружают ядро снаружи. Иммуноглобулин (см. с. 288) построен из нескольких похожих доменов (независимых, компактно свернутых фрагментов полипептидной цепи), в которых два антипараллельных складчатых листа из трех или четырех тяжей образуют бочкообразную структуру (см. с. 292), Приведенный на схеме СН₂-домен несет олисахарид (желтый), который в более наглядной форме приведен на с. 51.

Молекулярные модели: инсулин

На схеме А приведена молекулярная модель небольшого белка инсулина. Строение, биосинтез и функции этого важнейшего гормона подробно обсуждаются в других разделах (см. cc. 78, 162).

Чистый инсулин необходим а большом количестве для лечения диабета (Diabetes mellitus) — заболевания, которое чаще всего обусловлено абсолютным или относительным дефицитом инсулина в организме (см. с. 162). В Германии ежегодный объем производства инсулина составляет более 500 кг. До недавнего времени гормон приходилось получать дорогостоящим и трудоемким способом из поджелудочной железы животных. Другой недостаток животного инсулина состоит в том, что при продолжительном применении он вызывает образование антител и гиперэргическую реакцию. Поэтому в последнее время инсулин человека стремятся получать с помощью суперэкспрессии гена инсулина в штаммах бактерий, трансформированных с помощью методов генной инженерии (см. с. 258).

В качестве примера рассматривается молекула инсулина свиньи, который отличается от инсулина человека только одним аминокислотным остатком (вместо Аlа-30 в инсулине человека стоит треонин). На схеме А выделены наиболее существенные структурные элементы мономера инсулина, а на схеме Б показана схема упаковки гексамера в двух проекциях.