Белки, построенные из одной полипептидной цепи, имеют только третичную структуру. Но много белков состоят из нескольких идентичных или неидентичных полипептидных цепей, каждая из которых имеет свою третичную
конформацию. Объединяясь, они образуют единый функциональный комплекс с высоким уровнем организации-четвертичную структуру белка (рис. 17).
Белки, имеющие четвертичную структуру, называют олигомерных-ми. Каждый отдельный полипептидная цепь в составе олигомерного белка называется протомеры, или субъединицей. Некоторые авторы термином «субъединица» называют только ту часть молекулы, которой свойственна функциональная активность. Она может быть представлена как одним протомеры, так и несколькими. Например, у белка из четырех одинаковых субъединиц (а4) протомеры является мономер а, а белок из двух типов субъединиц (а4в4) имеет 2 протомеры состав авто. Олигомерные белки чаще построены из четного числа прото-мэров - от 2 до 4 (диммеры, тетрамеры), реже от 6 до 8, 10, 12 и более с молекулярной массой в пределах от нескольких тысяч до 100000 дальтон. Олигомерные белки представляют собой неделимое целое и выполняют биологические функции, несвойственные отдельно взятым субъединиц. При действии на белки с четвертичной структурной организацией различных физических или химических факторов (мочевина, концентрированные растворы нейтральных солей, органические растворители, детергенты, изменение рН среды и т.д.) наблюдается диссоциация их на отдельные субъединицы. При этом разрываются связи, стабилизирующие четвертичную структуру. Диссоциация часто бывает обратимой: после удаления соответствующего агента субъединицы соединяются между собой и четвертичная структура восстанавливается. В этом процессе важно, что при восстановлении структуры олигомерного белка восстанавливается и его биологическая активность. В клетке существует определенное равновесие диссоциации некоторых олигомерных белков, при которой сохраняется содержимое олигомера и его субъединиц в сравниваемых количествах. У белков с четвертичным уровнем организации не меняется основная конформация начальных третичных структур (глобулярная или фибриллярные). Например, гемоглобин - это белок, имеющий четвертичную структуру и состоит из четырех субъединиц. Каждая субъединиц - глобулярный белок и в целом гемоглобин также глобулярную конформацию. Кератина - белка волос и шерсти, которые по третичной структурой относятся к фибриллярных белков, имеют фиб-рилярну конформацию четвертичной структуры.
Итак, четвертичная структура белка - это способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, а также характер связи между ними.
Четвертичная структура стабилизируется и поддерживается в натив-ном состоянии, в основном за счет слабых нековалентных связей (ионных и водородных) и гидрофобных взаимодействий, возникающих между различными функциональными группами, расположенными на поверхности суб-единиц. При этом субъединицы взаимодействуют между собой не любой частью своей поверхности, а определенным участком - контактами или площадкой. Контактные участки образуют десятки связей. Процесс самособирание отличается высокой специфичностью. Протомеры определенного четвертичного белка «находят» и «узнают» друг друга, сочетаясь только между собой. Каждый протомеры взаимодействует с другим в десятках точек, поэтому ошибочное сообщение практически невозможно. Взаимное узнавание протомеры обусловлено особой структурой контактных участков, богатых гидрофобные аминокислотные остатки («липкие» пятна), которые при соединении протомеры образуют гидрофобное ядро олигомерного белка. При этом контактируют ризноименно заряженные ионные группы и группы, способные образовывать водородные связи или гидрофобные взаимодействия. Если в третичной структуре одного из протомеры есть выступ, то у другого - в соответствующем месте - углубление, в которое при контакте входит выступление. Такие взаемовидповидни контактные поверхности называют комплементарными, они ориентируются друг на друга по типу «ключ-замок». Таким образом, взаимодействие между контактными поверхностями протомеры происходит по принципу ком-ментарности - универсальным принципом, характерным живой природе. Комплементарные взаимодействия молекул (не только белковых) составляют основу многих биохимических процессов в организме.
Понятие о четвертичную структуру приобрел особое значение в последние годы. Выяснилось, что, например, в гемоглобине и в некоторых ферментов субъединицы структурно зависят друг от друга. Так, модификация любой субъединицы приводит к изменениям в третичной структуре других субъединиц, что проявляется в особенностях их биологической функции. Четвертичной структуры принадлежит большая роль в регуляции биологической активности белков, поскольку она очень чувствительна к внешним условиям (концентрация веществ, рН, ионный состав, наличие биологически активных соединений и т.д.). Незначительные отклонения со стороны этих факторов вызывают изменения взаиморасположения субъединиц и в связи с этим - изменения биологической активности белка. Это явление является одним из основных механизмов регуляции обмена веществ (метаболизма), поскольку многие ферменты и некоторые другие биологически активные белки имеют четвертичную структуру.
Совокупное использование, главным образом, РСА (рентгенострукту-рного анализа) и электронной микроскопии, а также других методов (определения молекулярной массы, электрофорез, денатурацийни исследования и т.д.) позволило установить четвертичную структуру нескольких сотен белков, в том числе ферментов альдолазы , пируват-киназы, лактатдегидрогеназы и многих других. Примером белка с четвертичной структурой является фермент глутаматдегидрогеназы, молекула которого состоит из 8 идентичных субъединиц. Диссоциация их достигается простым разбавлением среды. Другой пример: фермент лактатдегидрогеназа содержит четыре субъединицы (типа Н и М), различные сочетания которых образуют разные молекулы изоэнзимов. Фермент приобретает активности лишь при сочетании четырех субъединиц, причем различные типы соединений отличаются и степенью биологической активности. Оболочку некоторых вирусов образуют белки, в состав которых входит огромное количество субъединиц. Так, оболочка вируса табачной мозаики состоит из 2130 одинаковых субъединиц, которые располагаются вокруг одной молекулы рибонуклеиновой кислоты по типу винтовой лестницы. Классическим примером белков с четвертичной структурой является гемоглобин, молекула которого построена из 4 субъединиц: двух а-и двух ß-полипептидных цепей. Эти цепи образуют чрезвычайно упорядоченную и компактную структуру. Гемоглобин имеет 4 гемогрупы, и представляет собой уникальный образец взаимоотношений между молекулярной структурой и функцией белка. Главная функция гемоглобина состоит в переносе кислорода из легких в ткани. Английский биохимик М.Перутц убедительно доказал, что в процессе выполнения своей функции, т.е. при присоединении и потере гемоглобином кислорода, конформация четвертичной структуры испытывает закономерных изменений: связывание кислорода сопровождается сжатием молекулы (между двумя ß-полипептидными цепями) за счет сближения отдельных ее участков. Отдача же кислорода приводит к соответствующему увеличению объема молекулы. Таким образом, молекула гемоглобина, по образному выражению академика В.О.Енгельгардта, будто дышит, сжимаясь и расширяясь подобно тому, как сжимается и расправляется при дыхании наша грудная клетка. Кроме того, четыре субъединицы гемоглобина функционируют кооперативно, т.е. изменения в одной субъединицы при присоединении кислорода, вызов изменений во второй и так далее, что облегчает постадийное связывания кислорода. Разновидностью четвертичной структуры считают также доменные белки. Они, как и олигомерные, содержащие значительной мере обособленные зоны (участки, маленькие глобулы) - домены, подобные протомеры. Однако в доменных белков эти зоны (глобулы) образуются одним поли-пептидной цепи (см. выше), а сами домены соединяются между собой этим же цепью (короткими перемычками). Домены в белках, кроме пептидных перемычек, соединены еще и слабыми связями, как протомеры в олигомерных белках. Для разделения доменов в белках необходимо приложить больше усилий, чем для диссоциации олигомер-ных белков на протомеры, что связано с разрывом устойчивых пептидных связей в перемычке. Считают, что доменные белки по функциональным свойствам подобные олигомерных белков.
Таким образом, современные методы изучения глобулярных и фибриляр-ных белков свидетельствуют, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная структура. Первичная структура белка имеет особый биологический смысл, поскольку она определяет все остальные уровни организации. Как увидим далее, в наследственном аппарате заложена информация только о первичной структуре белка. Первичная структура начинает другие уровни структурной организации, образуются самопроизвольно.
В медицине широко используются фармпрепараты белковой природы: ферменты, гормоны, вакцины, сыворотки, белковые препараты крови, тканей и др.. Поэтому работникам в области фармации необходимо знать правила их хранения, методы контроля, признаки недоброкачественности т.д..