Глобоидальные белки

Глобоидальные белки — это класс белков, молекулы которых имеют компактную, сферическую или эллипсоидную (глобулярную) пространственную структуру. В отличие от фибриллярных белков, вытянутых в нити, глобулярные белки свёрнуты в плотные глобулы, где гидрофобные (водоотталкивающие) аминокислотные остатки спрятаны внутри, а гидрофильные (водолюбивые) — на поверхности. Такая укладка обеспечивает растворимость в воде и физиологических жидкостях, а также способность к специфическому связыванию с другими молекулами (лигандами). Глобулярные белки составляют основу большинства ферментов, транспортных белков, антител, гормонов и структурных компонентов клеток.

История изучения

Первые представления о глобулярной форме белков возникли в начале XX века. В 1920-х годах шведский химик Теодор Сведберг, разработав метод ультрацентрифугирования, показал, что многие белки (например, гемоглобин) имеют сферическую форму и определённую молекулярную массу. В 1930-х годах британский биохимик Джон Бернал с помощью рентгеноструктурного анализа впервые определил трёхмерную структуру глобулярного белка — пепсина. В 1958 году Макс Перуц и Джон Кендрю расшифровали структуру миоглобина и гемоглобина, за что получили Нобелевскую премию по химии в 1962 году. С развитием методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и криоэлектронной микроскопии в конце XX — начале XXI века стало возможным изучение глобулярных белков в растворе и в нативных условиях.

Структура

Первичная структура

Последовательность аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями, определяет все последующие уровни организации. Для глобулярных белков характерно чередование гидрофобных и гидрофильных участков, что задаёт направление сворачивания.

Вторичная структура

Глобулярные белки содержат элементы α-спиралей и β-складчатых листов, соединённых нерегулярными петлями. Соотношение этих элементов варьирует: например, в миоглобине преобладают α-спирали (около 75 %), а в иммуноглобулинах — β-слои.

Третичная структура

Пространственная укладка полипептидной цепи в компактную глобулу стабилизируется несколькими типами связей:

• Гидрофобные взаимодействия — основные силы, удерживающие неполярные остатки внутри глобулы.
• Водородные связи — между боковыми группами полярных аминокислот и пептидными группами.
• Ионные связи — между противоположно заряженными остатками (например, лизин и глутамат).
• Дисульфидные мостики — ковалентные связи между остатками цистеина, придающие дополнительную жёсткость (часто встречаются в секретируемых белках).

Четвертичная структура

Некоторые глобулярные белки состоят из нескольких полипептидных цепей (субъединиц), объединённых нековалентными взаимодействиями. Примеры: гемоглобин (тетрамер из двух α- и двух β-цепей), гексокиназа (димер), аспартаткарбамоилтрансфераза (двенадцать субъединиц).

Классификация

Глобулярные белки классифицируют по нескольким признакам:

По функции

• Ферменты — катализируют химические реакции (например, трипсин, рибонуклеаза).
• Транспортные белки — переносят малые молекулы или ионы (гемоглобин, сывороточный альбумин, трансферрин).
• Защитные белки — антитела (иммуноглобулины), компоненты системы комплемента.
• Регуляторные белки — гормоны (инсулин, соматотропин), факторы транскрипции.
• Рецепторы — связывают сигнальные молекулы на поверхности клеток.
• Запасные белки — овальбумин (яичный белок), казеин (молоко).

По растворимости

• Водорастворимые — большинство цитоплазматических и плазменных белков (альбумин, глобулины).
• Солерастворимые — требуют присутствия солей для стабилизации (например, некоторые белки мышечной ткани).

По структурным классам

На основе укладки вторичных элементов выделяют три основных класса:

• α-белки — преимущественно α-спирали (миоглобин, гемоглобин).
• β-белки — преимущественно β-складчатые листы (иммуноглобулины, супероксиддисмутаза).
• α/β-белки — чередование α-спиралей и β-слоёв (триозофосфатизомераза, алкогольдегидрогеназа).

Свойства

Растворимость

Глобулярные белки хорошо растворимы в воде и разбавленных солевых растворах благодаря гидрофильной поверхности. Растворимость зависит от pH, ионной силы и температуры. При изменении pH до изоэлектрической точки (где суммарный заряд равен нулю) растворимость минимальна, что используется в методах осаждения (изоэлектрическое фокусирование).

Денатурация

При нагревании (выше 40–60 °C), воздействии кислот, щелочей, тяжёлых металлов или органических растворителей глобулярные белки теряют нативную структуру — денатурируют. При этом гидрофобные участки выходят на поверхность, белок агрегирует и выпадает в осадок (например, свертывание яичного белка при варке). В отличие от фибриллярных белков, денатурация глобулярных белков часто необратима.

Связывание лигандов

Благодаря наличию впадин и карманов на поверхности, глобулярные белки способны специфично связывать различные молекулы: кислород (гемоглобин), глюкозу (гексокиназа), антигены (антитела). Константа связывания определяет аффинность (сродство) белка к лиганду.

Применение

В медицине

• Лекарственные препараты — инсулин (рекомбинантный), интерфероны, моноклональные антитела (например, адалимумаб).
• Диагностика — использование антител в иммуноферментном анализе (ИФА), тест-полосках для определения глюкозы (глюкозооксидаза).
• Ферментная терапия — панкреатин (смесь пищеварительных ферментов) при недостаточности поджелудочной железы.

В биотехнологии

• Производство рекомбинантных белков — экспрессия в бактериях (E. coli), дрожжах или клетках млекопитающих.
• Биокатализ — использование иммобилизованных ферментов в промышленности (например, липазы для синтеза биодизеля).
• Биосенсоры — глюкозооксидаза в глюкометрах.

В пищевой промышленности

• Желатин — продукт частичного гидролиза коллагена (фибриллярный белок), но в растворе образует глобулярные структуры.
• Сывороточные белки — лактальбумин, лактоглобулин (используются в спортивном питании).
• Ферменты — химозин (сычужный фермент) в сыроварении.

Примеры глобулярных белков

Интересные факты

• Глобулярные белки составляют около 70–80 % всех белков в клетке человека.
• Прионные болезни (например, коровье бешенство) связаны с превращением нормального глобулярного прионного белка (PrP^C) в патологическую фибриллярную форму (PrP^Sc).
• Некоторые глобулярные белки, такие как белки теплового шока (шапероны), помогают другим белкам правильно сворачиваться, предотвращая агрегацию.
• Самый крупный известный глобулярный белок — титин (молекулярная масса около 3 000 кДа), но он имеет вытянутую форму и относится к фибриллярным белкам. Среди истинно глобулярных рекордсменом является ацетил-КоА-карбоксилаза (около 500 кДа).

Источники

• Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки». — 5-е изд. — М.: Лаборатория знаний, 2015.
• Ленинджер А. «Основы биохимии». — 4-е изд. — М.: Мир, 2011.
• Нельсон Д., Кокс М. «Основы биохимии Ленинджера». — М.: Бином, 2014.
• Branden C., Tooze J. «Introduction to Protein Structure». — 2nd ed. — Garland Science, 1999.
• Creighton T. E. «Proteins: Structures and Molecular Properties». — 2nd ed. — W. H. Freeman, 1993.