Рассмотрим сначала фибриллярные белки.

       Фибриллярные белки играют в основном структурную роль. Они образуют микрофиламенты, микротрубочки,  —  а также фибриллы, волосы, шелк и другие защитные покровы; они армируют мембраны и поддерживают структуру клеток и тканей.
       Фибриллярные белки часто образуют огромные агрегаты; их пространственная структура высоко регулярна, сложена в основном из очень больших блоков вторичной структуры, и держится в значительной степени на взаимодействии между разными полипептидными цепями. Первичная структура фибриллярных белков также высоко регулярна, периодична,  —  потому-то из нее и образуется обширная регулярная вторичная структура.

       Типичными представителями фибриллярных белков являются:

       а) b-структурный белок фиброин шелка. У b-листа, как мы знаем, периодичность состоит в чередовании остатков, обращенных "вверх" и "вниз" (Рис.11-1).
 


 

       Соответственно, в фиброине шелка основной мотив первичной структуры выглядит как повтор восьми блоков, где в каждом из блоков идет чередование маленьких (Gly) и более крупных остатков, например:
 

,

и этот восьмикратный повтор шести остатков повторяется около 50 раз.
       Антипараллельные (такие, как на Рис.11-1) b-слои фиброина шелка уложены друга на друга по принципу "лицом к лицу, спина к спине": двойной слой глицинов (расстояние между плоскостями  —  3.5)  —   двойной слой аланинов/серинов (расстояние между плоскостями  —  5.7; это хорошо видит рентген)  —  двойной слой глицинов  —  и т.д.

       б) a-структурные фибриллярные белки, сложенные из длинных перевитых спиралей (coiled coil) (Рис.11-2). В a-кератине или тропомиозине такие спирали охватывают всю белковую цепь,  —  да и большая часть миозиновой цепи образует фибриллу такого типа. Такие структуры содержатся также в шелке  —  но не обычном шелке тутового шелкопряда, а шелке пчел и муравьев.
       Слипаясь, отдельные цепи образуют суперспираль.
 
  

Рис.11-2. Перевитые правые a-спирали. В комплексе они лежат параллельно друг другу и слегка закручены одна вокруг другой так, что каждая из них образует левую суперспираль. Контактирующие аминокислотные остатки занимают в цепи позиции a и d (см. Рис.11-3, 11-4).

       Рис.11-3. Взаимодействие a-спиралей в двойной (а) и тройной (б) суперспирали (вид с торца спирали). В двойной суперспирали непосредственно контактируют с другой спиралью только остатки а и d, а в тройной  —  еще и остатки e и g (хотя и более слабо).
 
 

       На следующем структурном уровне изображенные на Рис.11-2 суперспирали часто (но не всегда  —  например, не в тропомиозине) слипаются друг с другом и образуют фибриллы.
       Входящие в суперспираль a-спирали обычно параллельны, и перевиты они  —  в разных белках  —  по две, три или четыре. У a-спирали, как мы уже знаем, период равен 3.6 остатка на виток. В перевитых спиралях периодичность  —  7 остатков на два витка a-спирали, т.е. 3.5 остатка на виток (Рис.11-3, 11-4).
       Типичная первичная структура при этом выглядит, как на Рис.11-4.
 
 
 

                Рис.11-4.

       На этом рисунке жирные буквы соответствуют гидрофобным (жирным, слипающимся) аминокислотам, а прочие буквы  —  аминокислотам гидрофильным. Интересно, что небольшое увеличение гидрофобности остатков e и g превращает двойную перевитую спираль (Рис.11-3а) в тройную (Рис.11-3б), а еще большее  —  в четверную.

       Остановимся чуть подробнее на том, как спирали слипаются между собой. На a-спирали (Рис.11-5, слева) есть несколько спиральных нарезок  —  "хребтов" из сближенных в пространстве боковых групп. Одни хребты имеют периодичность типа 1  —  4  —  7  — ... , и та их часть, что входит в зону контакта, состоит из пар a₁  —  d₄, a₈  —  d₁₁, ... (Рис.11-5, в центре). Другие хребты имеют периодичность типа 0  —  4  —  8  — 12  —  ... . Та часть этих хребтов, что входит в зону контакта, состоит из пар d₄  — a₈, d₁₁ — a₁₅, ... (Рис.11-5, справа).
 
 
 

       Первые хребты (если проводить их через выступы, образованные боковыми группами) идут под углом примерно 25^о к оси спирали, вторые  —  под углом примерно 45^о (Рис.11-5б и 11-5в). Если, перевернув вокруг вертикальной оси, наложить одну поверхность на другую (Рис.11-6, слева), а затем повернуть на 20^о вокруг вертикальной оси,  —  то хребты типа "1  —  4  —  7" одной спирали окажутся между хребтами типа "0  —  4  —  8" другой, что обеспечит их плотный контакт (Рис.11-6, справа). При этом группы а одной спирали окажутся между группами d другой, а зона контакта образует на поверхности обеих спиралей (пока они не суперспирализованы) слабо скрученную спиральную полосу. А когда эти спирали суперспирализуются (Рис.11-2) и обовьются вокруг общей оси  —  зона контакта окажется в центре слегка перевитого пучка.
 
 
 

       Это  —  не единственный способ плотного контакта спиралей (с другими мы познакомимся, когда будем говорить о глобулярных белках),  —  но единственный, пригодный для очень длинных спиралей, типичных для фибриллярных белков. Он был предсказан еще Криком в том же 1953 году, когда он  —  вместе с Уотсоном  —   предсказал двойную спираль ДНК.

       в) Коллаген. Главный опорный белок. Он образуется особой, тройной суперспиралью, сложенной из трех полипептидов (Рис.11-7). При этом внутри каждого полипептида, внутри каждой нити этой тройной спирали водородных связей нет  —  они есть только между нитями.
       Конформация всех остатков в каждой цепи коллагена близка к конформации полипролиновой [точнее  —  poly(Pro)II] спирали. Это  —  левая спираль, и период ее равен трем. Соответственно, основной мотив первичной структуры в коллагене выглядит как многократный повтор троек (Gly-Pro-Pro)_n, или, точнее, (Gly-нечто-Pro)_n, причем Gly в такой тройке необходим для образования водородных связей: у него есть NH-группа (в отличие от Pro), и нет боковой группы,  —  а любая боковая группа была бы лишней в центре тугой коллагеновой спирали, где сидит глицин.
       Интересно, что экзоны, кодирующие коллагеновую цепь, всегда начинаются с глицинов и всегда содержат число кодонов, кратное трем. Я надеюсь, вы помните, что гены эукариот содержат экзоны, кодирующие белки, и интроны, которые выщепляются из матричной РНК (и потому белки не кодируют).
 
  

Рис.11-7. Модель тройной суперспирали коллагена для последовательности (глицин  —  пролин  —  пролин)n. Каждая цепь выделена своим цветом. Отмечены завязывающие водородные связи Н-атомы NH-групп глицина (синим) и О-атомы СО-групп первого пролина тройки Gly-Pro-Pro (красным). При этом Gly цепи "1" завязывает связь с цепью "2", а Pro  —  с цепью "3", и т.д. Завиваясь вокруг двух других, каждая цепь коллагена образует правую суперспираль. "Супер"  —  потому что на более мелком масштабе, на масштабе конформаций отдельных остатков, коллагеновая цепь уже образует спираль типа poly(Pro)II (причем эта "микроспираль"  —  левая); ее можно проследить по направлению пролиновых колец.

       На следующем структурном уровне, коллагеновые суперспирали также слипаются друг с другом и образуют фибриллы коллагена.

       Биосинтез коллагена, его последующая модификация и образование зрелой структуры коллагеновой фибриллы хорошо изучены (Рис.11-8). Замечу, что сам по себе коллаген не способен к спонтанной и при этом правильной самоорганизации своей пространственной структуры in vitro  —  так же, как и фиброин шелка,  —  и в отличие от глобулярных белков, о которых я буду говорить потом. Для самоорганизации нужен проколлаген, включающий, кроме коллагеновых нитей, глобулярные головки и хвостики. Лишенные головок и хвостиков коллагеновые нити, самоорганизуясь из развернутого состояния in vitro, тоже складываются в тройные спирали  —  но "неправильные", без присущей нативному коллагену гетерогенности тройной спирали (включающей нити двух сортов), без присущего ему регистра (т.е. с неправильным сдвигом нитей относительно друг друга), и т.д.
 
 
 

       Рис.11-8. Образование коллагена in vivo. Шаг 1. Биосинтез про-a₁-цепей и про-a₂-цепей (по 1300 остатков в каждой) в пропорции 2:1. Шаг 2. Гидроксилирование некоторых остатков Pro и Lys. Шаг 3. Присоединение сахаров (GLC-GAL) к гидроксилированным остаткам. Шаг 4. Образование тримера и SS связей на его концах. Шаг 5. Образование тройной спирали в середине проколлагена. Шаг 6. Секреция проколлагена во внеклеточное пространство. Шаг 7. Отщепление глобулярных частей. Шаги 8-10. Спонтанное образование фибрилл из тройных суперспиралей, окончательная модификация аминокислотных остатков и образование ковалентных сшивок модифицированных остатков коллагеновых цепей. Картинка взята из [3] и адаптирована.
 
 

       В заключение, я хочу подчеркнуть, что фибриллярные белки устроены относительно просто в силу периодичности своей первичной и, в силу этого,  —  также и своей вторичной структуры.