Четвертинна структура

Окремі поліпептидні ланцюги, що входять до складу білкової молекули та характеризуються певними первин­ною, вторинною і третинною структурами, можуть мати досить слабкі (нековалентні) зв’язки між собою.

Такі субодиниці (або протомери) можуть об’єднатися між собою з утворенням молекули, яку називають мульти­мером. Просторове впорядкування протомерів в мультимер називається четвертинною структурою. Звичайно при утворенні четвертинної структури відбувається асоціація (об’єднання) парної кількос­ті протомерів (2 або 4, більш рідко 6, 8, 10, 12 тощо). Кла­сич­ним прикладом білко­вої молекули, якій притаманна четвертинна структура, є мо­ле­­кула гемоглобіна, що скла­да­­єть­ся з 4 субодиниць (функ­­ці­­­ональ­но активних час­­тин біл­­ко­вого мульти­мера). Як за­зна­­­чалося вище, об’єднання цих субодиниць в четвер­тин­ну струк­­туру, досягається завдя­ки гідрофобним взаємодіям.

На закінчення цього параграфу розглянемо досить просту і водночас дуже корисну модель Фішера-Бреслера-Талмуда, яка дозволяє передбачити форму білкової макро­молекули в залежності від відношення гідрофільних і гідрофобних груп, що входять до її складу.

Спочатку знайдемо те співвідношення, виконання якого гарантує сферичну глобулярну структуру білкової макромо­ле­кули. Нехай радіус сферичної глобули – R, радіус внут­ріш­­нього гідрофобного ядра – r, товщина гідрофільного шару – h (мал. 6.13). Обчислимо відношення об’ємів гідрофільної та гідрофобної частин в такій сферичній глобулі

, (6.9)

де враховані очевидні рівності для площі поверхні гідро­фоб­ного ядра S = 4 pr ², для об’єму гідрофільного шару завтовшки h на цьому ядрі V_{гідрофільн} = 4 pr ² h, для об’єму само­го сферичного гідрофільного ядра V_{гідрофобн} = 4 pr ³/3, а також для радіусу всієї сферичної глобули R = r + h.

Звідси випливає, що для забезпечення сферичної форми білкової макромолекули повинно виконуватися наступне співвідношення для параметру b_сф, що характеризує відно­шення об’ємів гідрофільної та гідрофобної частин:

, (6.10)

де – загальний об’єм сферичної макромоле­ку­ли, а коефіцієнт .

Таким чином, на кривій залежності параметра b_сф від V ^1/3, яка відповідає формулі (6.10), розташовуються білкові макромолекули, що мають сферичну форму (див. мал. 6.14). Якщо параметр набуває біль­шо­го значення, ніж те, що визначається формулою (6.10), тобто , (область над графіком b_сф = f (V ^1/3) на мал. 6.14), то білкова макромолекула набуває не сферичної, а еліпсоїдаль­ної (фібрилярної) форми. Причина появи фібрилярної структури полягає в тому, що із зростанням кількості гідрофільних амінокислотних залишків вони прагнуть завдяки диполь-дипольним взаємодіям покрити більшу площу, аніж площа сферичної поверхні, яка є мінімальною за величиною при фіксованому об’ємі.

Мал. 6.14. Можливі форми білкових макромолекул в моделі Фішера-Бреслера-Талмуда.

В тому ж випадку, коли (область під кривою залежності b_сф від V ^1/3 на мал. 6.14), кількості гідрофільних груп не вистачає навіть для покриття поверхні сферичної глобули. На сферичній поверхні залишаються гідрофобні області, які повинні “заховатися” від полярного оточення. Тому стає детермінованим процес (ймовірність якого пря­мує до одиниці) об’єднання глобул з утворенням четвертин­ної структури. Типовим проявом подібного механізму утворення четвертинної структури є молекула гемоглобіну, що складається, як вже зазначалося, з 4 глобул, саме завдяки гідрофобним взаємодіям.