Третичная структура белка: типы связей

Третичная структура белка - это пространственная укладка одной полипептидной цепи в компактную трёхмерную форму, чаще всего глобулу. Если вторичная структура отвечает за локальные мотивы (альфа-спирали и бета-листы), то третичная описывает, как эти мотивы складываются в единое целое и как располагаются друг относительно друга боковые радикалы аминокислот. Держит эту укладку не одна связь, а целый набор взаимодействий разной природы и прочности: дисульфидные мостики, ионные и водородные связи, гидрофобные и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Ниже разберём каждый тип связей, чем ковалентная связь отличается от слабых нековалентных, какой вклад в стабильность вносит каждая и где студенты чаще всего путаются. Чтобы сразу увидеть, как складываются вклады разных связей, покрути калькулятор ниже - он показывает энергию стабилизации и то, какой тип держит укладку сильнее всего.

Какие связи стабилизируют третичную структуру

Третичную структуру удерживают пять основных типов взаимодействий между боковыми радикалами аминокислотных остатков. Их принято делить на две группы по природе:

• Ковалентные - дисульфидные мостики. Это единственный по-настоящему прочный, химический тип связи на этом уровне.
• Нековалентные (слабые) - ионные (солевые мостики), водородные связи, гидрофобные взаимодействия и ван-дер-ваальсовы силы. Поодиночке каждая слабая, но их много, и в сумме именно они задают основную долю стабильности.

Рассчитать для своей задачи

Ключевое отличие третичной структуры от вторичной в том, что здесь работают взаимодействия именно боковых радикалов ($R$-групп), а не атомов основной цепи. Во вторичной структуре водородные связи идут между группами пептидного остова; в третичной к делу подключаются заряженные, полярные и неполярные радикалы, и спектр взаимодействий становится шире.

Удобно сразу оценить порядок величин. Если умножить число связей каждого типа на типичную энергию одной связи, получится оценка суммарной энергии стабилизации:

$E = \sum_i n_i \, \varepsilon_i,$

где $n_i$ - число связей данного типа, а $\varepsilon_i$ - энергия одной связи (для дисульфидной около $210$ кДж/моль, для ионной и водородной по $12{,}5$, для гидрофобной около $8$, для ван-дер-ваальсовой около $4$). Именно эту формулу считает калькулятор выше: двигая ползунки, видно, что несколько дисульфидов дают ковалентный вклад, а десятки слабых связей - основную часть нековалентного. Дальше разберём каждый тип отдельно.

Дисульфидные мостики - единственная ковалентная связь

Дисульфидный мостик - это ковалентная связь $-S-S-$ между атомами серы двух остатков цистеина. Две тиольные группы $-SH$ окисляются, теряют по атому водорода и сшиваются, образуя цистин:

$2\,(-SH) \;\longrightarrow\; -S-S- + 2H^+ + 2e^-$

Это самая прочная связь третичной структуры: её энергия порядка $210$ кДж/моль, на порядок выше любой нековалентной. Дисульфидные мостики работают как локальные «скрепки», жёстко фиксируя удалённые по цепи участки. Особенно их много в секреторных и внеклеточных белках (инсулин, иммуноглобулины, кератин), которым важна устойчивость во внешней среде. Разрушаются они только восстановителями (например, меркаптоэтанолом), а не простым нагреванием.

Рассчитать для своей задачи

Ионные связи (солевые мостики)

Ионная связь возникает между противоположно заряженными боковыми радикалами: положительно заряженными группами (остатки лизина, аргинина, гистидина) и отрицательно заряженными (аспарагиновая и глутаминовая кислоты). Такую пару называют солевым мостиком. Энергия одной ионной связи невелика - порядка $12{,}5$ кДж/моль, и она сильно зависит от среды: смена $pH$ меняет заряды радикалов и может разорвать солевой мостик. Именно поэтому многие белки чувствительны к кислотности раствора - изменение $pH$ нарушает их третичную структуру.

Водородные связи

Водородные связи в третичной структуре образуются между полярными радикалами, содержащими группы $-OH$, $-NH_2$, $-COOH$ (остатки серина, треонина, тирозина, аспарагина и других). Атом водорода, связанный с электроотрицательным атомом, притягивается к другому электроотрицательному атому. Одна такая связь слабая (около $12{,}5$ кДж/моль), но водородных связей в белке очень много, и суммарно они дают весомый вклад в стабильность. Часть водородных связей в третичной структуре идёт также между радикалами и молекулами воды на поверхности глобулы.

Гидрофобные взаимодействия - двигатель сворачивания

Гидрофобные взаимодействия - это стремление неполярных радикалов (остатки валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина) уйти от контакта с водой и собраться внутри молекулы. Формально это не «связь» в химическом смысле, а энтропийный эффект: вода вытесняет неполярные группы в гидрофобное ядро глобулы. Именно гидрофобные взаимодействия считают главной движущей силой сворачивания: они формируют компактное неполярное ядро, наружу которого выставлены полярные и заряженные радикалы.

Рассчитать для своей задачи

Вклад одного гидрофобного контакта невелик (порядка $8$ кДж/моль), но таких контактов в ядре много, поэтому суммарно гидрофобные взаимодействия - один из самых весомых стабилизаторов. Сдвинь слайдер гидрофобных контактов в калькуляторе вверху: видно, как быстро растёт нековалентный вклад и общая энергия стабилизации.

Ван-дер-ваальсовы силы

Ван-дер-ваальсовы силы - это слабое притяжение между близко расположенными атомами за счёт флуктуаций электронной плотности. Каждое такое взаимодействие очень слабое (порядка $4$ кДж/моль) и действует лишь на коротких расстояниях. Но в плотно упакованном ядре глобулы атомы прилегают друг к другу почти вплотную, число контактов огромно, и ван-дер-ваальсовы силы заметно дополняют гидрофобный эффект, обеспечивая плотную «подгонку» радикалов.

Денатурация: что разрушается и в каком порядке

Денатурация - это разрушение третичной (и вторичной) структуры без разрыва пептидных связей первичной. Разные воздействия бьют по разным связям:

• Нагревание, мочевина рвут слабые нековалентные связи - водородные, ионные, гидрофобные взаимодействия.
• Восстановители ($\beta$-меркаптоэтанол, дитиотреитол) рвут именно дисульфидные мостики.
• Изменение $pH$ нейтрализует заряды радикалов и разрушает солевые мостики.

Если разрушены только слабые связи, денатурация часто обратима: при возврате к нормальным условиям белок может снова свернуться (ренатурация). Если же разорваны дисульфидные мостики, восстановить исходную укладку гораздо сложнее. Классический эксперимент Анфинсена с рибонуклеазой показал, что после восстановления дисульфидов и удаления денатуранта белок самопроизвольно сворачивается обратно в нативную форму, - значит, вся информация об укладке заложена уже в первичной структуре, в последовательности аминокислот.

Понимание того, какая связь чем разрушается, - это и есть практический смысл темы. Спрашивают ли в задаче, почему белок свернулся именно так, почему он теряет функцию при нагревании или почему смена $pH$ выводит фермент из строя, - ответ всегда сводится к балансу пяти типов взаимодействий. Поэтому при разборе любой конкретной задачи полезно сначала выписать, какие радикалы участвуют, какие связи между ними возможны и что в условии задачи на эти связи действует.

Частые ошибки

• Считать все связи третичной структуры ковалентными. Ковалентны только дисульфидные мостики; ионные, водородные, гидрофобные и ван-дер-ваальсовы - нековалентные и слабые.
• Путать водородные связи вторичной и третичной структуры. Во вторичной они между атомами пептидного остова, в третичной - между боковыми радикалами.
• Называть гидрофобное взаимодействие химической связью. Это энтропийный эффект вытеснения неполярных групп водой, а не образование связи.
• Считать дисульфидный мостик главным стабилизатором. По суммарному вкладу основную долю обычно дают многочисленные нековалентные взаимодействия, а дисульфидов в белке единицы.
• Игнорировать влияние среды. $pH$ рвёт ионные связи, нагревание - слабые связи; забывать про это при анализе денатурации - типичная ошибка.

FAQ

Какая связь самая прочная в третичной структуре белка? Дисульфидный мостик - ковалентная связь $-S-S-$ между остатками цистеина. Её энергия порядка $210$ кДж/моль, что на порядок выше любой нековалентной связи этого уровня.

Чем третичная структура отличается от вторичной по типам связей? Вторичную структуру держат водородные связи между атомами основной цепи. Третичную - взаимодействия боковых радикалов: дисульфидные, ионные, водородные, гидрофобные и ван-дер-ваальсовы.

Какие взаимодействия играют главную роль в сворачивании белка? Главной движущей силой считают гидрофобные взаимодействия: неполярные радикалы уходят от воды и собираются в ядро глобулы. Остальные связи дополнительно фиксируют сложившуюся укладку.

Коротко

Третичную структуру белка стабилизирует пять типов взаимодействий: ковалентные дисульфидные мостики (около $210$ кДж/моль) и слабые нековалентные - ионные, водородные (по $12{,}5$ кДж/моль), гидрофобные (около $8$) и ван-дер-ваальсовы (около $4$). Дисульфид - самая прочная связь, но по суммарному вкладу основную долю дают многочисленные нековалентные взаимодействия, а движущей силой сворачивания служит гидрофобный эффект. Денатурация рвёт эти связи в порядке от слабых к ковалентным, и пока целы дисульфиды, укладка часто восстановима.