Кратко и по сути.
1) Какие силы формируют третичную структуру и как они действуют
- Гидрофобные взаимодействия: неполярные боковые цепи стремятся вглубь белка, стабилизируют компактный «ядро» и определяют расположение участков на поверхности и внутри.
- Водородные связи: между главной цепью (C=O…H–N) и боковыми цепями стабилизируют спирали и петли и фиксируют положение элементов вторичной структуры.
- Ионные взаимодействия (соляные мостики): заряд-сопряжённые остатки (–/+), стабилизируют конформации и чувствительны к pH/ионной силе.
- Ван-дер-Ваальсовы силы и π–π / катион–π взаимодействия: тонкая «доработка» плотной упаковки.
- Дисульфидные мостики (ковалентны): связь между цистеинами ($\mathrm{Cys}-\mathrm{S}-\mathrm{S}-\mathrm{Cys}$) жестко фиксирует участки цепи, особенно важна в внеклеточных/секретируемых белках, где среда окислительная.
В сумме эти силы задают минимумы свободной энергии, при которых белок стационарно свернут.
2) Как изменения последовательности нарушают структуру (механизмы)
- Замена полярного/заряженного на гидрофобный остаток — появление внешней гидрофобной поверхности → агрегация (см. полимеризацию).
- Потеря или появление цистеина — нарушение/лишнее образование дисульфидных связей → неправильная топология, агрегаты или ретенция в ЭР.
- Введение пролина в α-спираль — ломает спиральную структуру, дестабилизирует локальную конформацию.
- Уменьшение стабильности глобальной структуры → увеличение доли частично раскрытых состояний, в которых «скрытые» гидрофобные участки доступны и способствуют самосборке в амилоиды/поли-меры.
- Сбо́й в локальных взаимодействиях (например, сольный мостик) → нарушение каталитического центра или области связывания → потеря функции.
3) Конкретные примеры болезней
- Серповидноклеточная анемия: мутация $E6V$ в β‑глобине — замена заряженной глутаминовой кислоты на гидрофобную валин создаёт гидрофобную «пятну», которое при дехолорировании вызывает полимеризацию гемоглобина и деформацию эритроцитов. Результат: потеря нормальной функции кровяных клеток и гемолиз.
- Муковисцидоз: делеция $\Delta F508$ в CFTR (удалён фенилаланин в позиции $508$) — нарушается правильное сворачивание NBD1, белок распознаётся системой контроля качества ЭР и деградируется → потеря канальной функции.
- Семейная амилоидная поли­невропатия (транsthиретин, TTR): замена $V30M$ destabilizes тетрамер → диссоциация мономеров и формирование амилоидных фибрилл, отложение в нервах и органах.
- Преобразование при прионных болезнях: нормальный PrP${}^C$ (богат α-спиралями) конвертируется в β‑богатую PrP${}^{Sc}$, которая агрегирует и индуцирует конформационные изменения других молекул — нейродегенерация. Некоторые мутации (например, $E200K$) повышают склонность к превращению.
- Мутации SOD1 при семейном ALS: разнообразные замены снижают стабильность и/или изменяют поверхность белка → образование токсичных агрегатов моторных нейронов.
- Потеря/изменение цистеинов: в секретируемых белках (антитела, факторы свертывания и пр.) отсутствие нужных дисульфидных мостиков ведёт к неправильно свернутым молекулам, удержанию в ЭР или секреции неработающих форм; обратная ситуация — появление дополнительного цистеина — может вызвать межмолекулярные ковалентные сшивки и агрегирование.
4) Итог (коротко)
- Третичная структура — результат баланса слабых нековалентных взаимодействий и, для внеклеточных белков, ковалентных дисульфидных мостиков.
- Мутации, которые нарушают этот баланс (изменяют полярность, заряд, гибкость или дисульфидный рисунок), приводят либо к потере функции (деградация, утрата каталитической поверхности), либо к патологической агрегации (амилоидные отложения, полимеры), что лежит в основе многих заболеваний.