Proteini su jedan od važnih organskih elemenata svake žive ćelije u tijelu. Oni obavljaju mnoge funkcije: potpornu, signalnu, enzimsku, transportnu, strukturnu, receptorsku, itd. Primarne, sekundarne, tercijarne i kvartarne strukture proteina postale su važna evoluciona adaptacija. Od čega su napravljeni ovi molekuli? Zašto je pravilna konformacija proteina u ćelijama tela toliko važna?
Strukturne komponente proteina
Monomeri bilo kojeg polipeptidnog lanca su aminokiseline (AA). Ova niskomolekularna organska jedinjenja su prilično česta u prirodi i mogu postojati kao nezavisni molekuli koji obavljaju svoje inherentne funkcije. Među njima su transport supstanci, prijem, inhibicija ili aktivacija enzima.
Postoji oko 200 biogenih aminokiselina, ali se može naći samo 20 njih, lako su rastvorljive u vodi, imaju kristalnu strukturu, a mnoge od njih imaju slatki ukus.
Sa hemijske tačke gledišta, AA su molekuli koji nužno sadrže dve funkcionalne grupe: -COOH i -NH2. Uz pomoć ovih grupa, aminokiseline formiraju lance, povezujući se jedna s drugom peptidnim vezama.
Svaka od 20 proteinogenih aminokiselina ima svoj radikal, u zavisnosti od čega variraju njena hemijska svojstva. Na osnovu sastava takvih radikala, svi AA su klasifikovani u nekoliko grupa.
- Nepolarni: izoleucin, glicin, leucin, valin, prolin, alanin.
- Polarni i nenabijeni: treonin, metionin, cistein, serin, glutamin, asparagin.
- Aromatični: tirozin, fenilalanin, triptofan.
- Polarni i negativno nabijeni: glutamat, aspartat.
- Polarni i pozitivno nabijeni: arginin, histidin, lizin.
Bilo koji nivo organizacije proteinske strukture (primarni, sekundarni, tercijarni, kvaternarni) zasniva se na polipeptidnom lancu koji se sastoji od AK. Jedina razlika je u tome kako se ovaj niz savija u prostoru i uz pomoć kojih hemijskih veza se ova konformacija održava.
Primarna struktura proteina
Bilo koji protein se formira na ribosomima - nemembranskim ćelijskim organelama koje sudjeluju u sintezi polipeptidnog lanca. Ovdje su aminokiseline povezane jedna s drugom pomoću jake peptidne veze, formirajući primarnu strukturu. Međutim, ova primarna struktura proteina je izuzetno različita od kvartarne, pa je potrebno dalje sazrijevanje molekula.
Proteini poput elastina, histona, glutationa, čak i sa tako jednostavnom strukturom, u stanju su obavljati svoje funkcije u tijelu. Za veliku većinu proteina, sljedeća faza je formiranje složenije sekundarne konformacije.
Sekundarna struktura proteina
Formiranje peptidnih veza je prvi korak u sazrevanju većine proteina. Da bi mogli obavljati svoje funkcije, njihova lokalna konformacija mora proći kroz određene promjene. To se postiže uz pomoć vodikovih veza – krhkih, ali u isto vrijeme brojnih veza između bazičnih i kiselih centara molekula aminokiselina.
Tako nastaje sekundarna struktura proteina, koja se od kvartarne strukture razlikuje po jednostavnosti sklapanja i lokalnoj konformaciji. Ovo posljednje znači da se cijeli lanac ne mijenja. Vodikove veze se mogu formirati na više mjesta na različitim udaljenostima jedna od druge, a njihov oblik ovisi i o vrsti aminokiselina i načinu sklapanja.
Lizozim i pepsin su predstavnici proteina koji imaju sekundarnu strukturu. Pepsin je uključen u procese probave, a lizozim obavlja zaštitnu funkciju u tijelu, uništavajući stanične zidove bakterija.
Karakteristike sekundarne strukture
Lokalne konformacije peptidnog lanca mogu se razlikovati jedna od druge. Nekoliko desetina ih je već proučeno, a tri su najčešća. To uključuje alfa heliks, beta listove i beta okret.
- Alfa heliks je jedna od uobičajenih konformacija sekundarne strukture većine proteina. To je čvrsti štapni okvir sa hodom od 0,54 nm. Radikali aminokiselina su usmjereni prema van.
Desnoruke spirale su najčešće, a ponekad se mogu naći i levoruke. Funkciju oblikovanja oblika obavljaju vodikove veze, koje stabiliziraju kovrče. Lanac koji formira alfa spiralu sadrži vrlo malo prolina i polarno nabijenih aminokiselina.
- Beta zaokret je odvojen u posebnu konformaciju, iako se može nazvati dijelom beta lista. Suština je savijanje peptidnog lanca, koji je podržan vodoničnim vezama. Tipično, sam zavoj se sastoji od 4-5 aminokiselina, među kojima je prisustvo prolina obavezno. Ovaj AK je jedini sa krutim i kratkim kosturom, koji mu omogućava da formira okret.
- Beta sloj je lanac aminokiselina koji formira nekoliko zavoja i stabilizira ih vodoničnim vezama. Ova konformacija jako podsjeća na list papira presavijen u harmoniku. Najčešće, agresivni proteini imaju ovaj oblik, ali ima mnogo izuzetaka.
Postoje paralelni i antiparalelni beta slojevi. U prvom slučaju, C- i N-termini na tačkama savijanja i na krajevima lanca se poklapaju, ali u drugom slučaju ne.
Tercijarna struktura
Dalje pakovanje proteina dovodi do formiranja tercijarne strukture. Ova konformacija se stabilizuje uz pomoć vodikovih, disulfidnih, hidrofobnih i jonskih veza. Njihov veliki broj omogućava da se sekundarna struktura uvije u složeniji oblik i stabilizuje.
Dijele se na globularne i Globularni peptidni molekul ima sfernu strukturu. Primjeri: albumin, globulin, histoni u tercijarnoj strukturi.
Formiraju jake pramenove čija dužina prelazi njihovu širinu. Takvi proteini najčešće obavljaju strukturne i oblikotvorne funkcije. Primjeri su fibroin, keratin, kolagen, elastin.
Struktura proteina u kvaternarnoj strukturi molekula
Ako se više globula spoji u jedan kompleks, formira se takozvana kvartarna struktura. Ova konformacija nije tipična za sve peptide, a nastaje kada je to potrebno za obavljanje važnih i specifičnih funkcija.
Svaka globula u sastavu predstavlja zaseban domen ili protomer. Zajedno, molekul se naziva oligomer.
Tipično, takav protein ima nekoliko stabilnih konformacija, koje stalno zamjenjuju jedna drugu, bilo ovisno o utjecaju bilo kojeg vanjskog faktora, ili kada je to potrebno za obavljanje različitih funkcija.
Važna razlika između tercijarne strukture proteina i kvartarne su intermolekularne veze, koje su odgovorne za povezivanje nekoliko globula. U središtu cijele molekule često se nalazi ion metala, koji direktno utiče na stvaranje međumolekulskih veza.
Dodatne strukture proteina
Lanac aminokiselina nije uvijek dovoljan za obavljanje funkcije proteina. U većini slučajeva, druge tvari organske i anorganske prirode su vezane za takve molekule. Budući da je ova karakteristika karakteristična za veliku većinu enzima, sastav složenih proteina obično se dijeli na tri dijela:
- Apoenzim je proteinski dio molekule, koji je sekvenca aminokiselina.
- Koenzim nije protein, već organski dio. Može sadržavati različite vrste lipida, ugljikohidrata ili čak nukleinskih kiselina. Ovo uključuje i predstavnike biološki aktivnih spojeva, među kojima su i vitamini.
- Kofaktor je neorganski dio, predstavljen u velikoj većini slučajeva metalnim jonima.
Struktura proteina u kvaternarnoj strukturi molekula zahtijeva učešće više molekula različitog porijekla, pa mnogi enzimi imaju tri komponente odjednom. Primjer je fosfokinaza, enzim koji osigurava prijenos fosfatne grupe iz ATP molekula.
Gdje se formira kvarterna struktura proteinskog molekula?
Polipeptidni lanac počinje da se sintetiše na ribosomima ćelije, ali dalje sazrevanje proteina se dešava u drugim organelama. Novoformirani molekul mora ući u transportni sistem koji se sastoji od nuklearne membrane, ER, Golgijevog aparata i lizosoma.
Komplikacija prostorne strukture proteina nastaje u endoplazmatskom retikulumu, gdje se ne formiraju samo različite vrste veza (vodikove, disulfidne, hidrofobne, intermolekularne, ionske), već se dodaju i koenzim i kofaktor. Tako se formira kvartarna struktura proteina.
Kada je molekul potpuno spreman za rad, ulazi ili u citoplazmu ćelije ili u Golgijev aparat. U potonjem slučaju, ovi peptidi se pakuju u lizozome i transportuju u druge ćelijske odjeljke.
Primjeri oligomernih proteina
Kvartarna struktura je struktura proteina koja je dizajnirana da olakša obavljanje vitalnih funkcija u živom organizmu. Složena konformacija organskih molekula omogućava, prije svega, da utiče na rad mnogih metaboličkih procesa (enzima).
Biološki važni proteini su hemoglobin, hlorofil i hemocijanin. Porfirinski prsten je osnova ovih molekula, u čijem je središtu metalni jon.
Hemoglobin
Kvaternarna struktura proteinske molekule hemoglobina sastoji se od 4 globule povezane intermolekularnim vezama. U sredini je porfin sa ionom gvožđa. Protein se transportuje u citoplazmi crvenih krvnih zrnaca, gdje zauzimaju oko 80% ukupnog volumena citoplazme.
Osnova molekule je hem, koji je više anorganske prirode i obojen je crvenom bojom. To je također razgradnja hemoglobina u jetri.
Svi znamo da hemoglobin obavlja važnu transportnu funkciju – prijenos kisika i ugljičnog dioksida kroz ljudsko tijelo. Kompleksna konformacija proteinske molekule formira posebne aktivne centre, koji su sposobni da vežu odgovarajuće gasove za hemoglobin.
Kada se formira protein-gasni kompleks, formiraju se takozvani oksihemoglobin i karbohemoglobin. Međutim, postoji još jedna vrsta takvih asocijacija koja je prilično stabilna: karboksihemoglobin. To je kompleks proteina i ugljičnog monoksida, čija stabilnost objašnjava napade gušenja zbog prekomjerne toksičnosti.
Hlorofil
Još jedan predstavnik proteina sa kvaternarnom strukturom, čije su domenske veze podržane jonom magnezijuma. Glavna funkcija cijele molekule je sudjelovanje u procesima fotosinteze u biljkama.
Postoje različite vrste hlorofila, koji se međusobno razlikuju po radikalima porfirinskog prstena. Svaka od ovih sorti je označena posebnim slovom latinice. Na primjer, kopnene biljke karakterizira prisustvo hlorofila a ili hlorofila b, a druge vrste ovog proteina nalaze se u algama.
Hemocijanin
Ovaj molekul je analog hemoglobina kod mnogih nižih životinja (zglavkari, mekušci, itd.). Glavna razlika između strukture proteina i kvaternarne strukture molekula je prisustvo jona cinka umesto jona gvožđa. Hemocijanin ima plavkastu boju.
Ponekad se ljudi pitaju šta bi se dogodilo kada bismo ljudski hemoglobin zamijenili hemocijaninom. U ovom slučaju, uobičajeni sadržaj tvari u krvi, a posebno aminokiselina, je poremećen. Hemocijanin se također nestabilno formira s ugljičnim dioksidom, tako da bi plava krv imala tendenciju stvaranja krvnih ugrušaka.
Sekundarna struktura je način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u uređenu strukturu. Sekundarna struktura je određena primarnom strukturom. Budući da je primarna struktura genetski određena, do formiranja sekundarne strukture može doći kada polipeptidni lanac napusti ribozom. Sekundarna struktura je stabilizovana vodonične veze, koje se formiraju između NH i CO grupa peptidnih veza.
Razlikovati a-heliks, b-struktura i neuređenu konformaciju (klap).
Struktura α-heliksa je predloženo Pauling I Corey(1951). Ovo je tip sekundarne strukture proteina koja izgleda kao pravilna spirala (slika 2.2). α-heliks je struktura u obliku štapa u kojoj se peptidne veze nalaze unutar spirale, a radikali na strani aminokiselina nalaze se izvana. A-heliks je stabiliziran vodikovim vezama, koje su paralelne s osi heliksa i nastaju između prvog i petog aminokiselinskog ostatka. Dakle, u proširenim spiralnim područjima, svaki aminokiselinski ostatak učestvuje u formiranju dvije vodikove veze.
Rice. 2.2. Struktura α-heliksa.
Postoji 3,6 aminokiselinskih ostataka po zavoju spirale, visina spirale je 0,54 nm, a postoji 0,15 nm po aminokiselinskom ostatku. Ugao spirale je 26°. Period pravilnosti a-heliksa je 5 zavoja ili 18 aminokiselinskih ostataka. Najčešći su desnoruki a-heliksi, tj. Spirala se okreće u smjeru kazaljke na satu. Formiranje a-heliksa sprječavaju prolin, aminokiseline s nabijenim i glomaznim radikalima (elektrostatičke i mehaničke prepreke).
Još jedan spiralni oblik je prisutan u kolagen . U tijelu sisara, kolagen je kvantitativno dominantan protein: čini 25% ukupnog proteina. Kolagen je prisutan u različitim oblicima, prvenstveno u vezivnom tkivu. To je lijeva spirala s korakom od 0,96 nm i 3,3 ostatka po okretu, ravnija od α-heliksa. Za razliku od α-heliksa, formiranje vodoničnih mostova ovdje je nemoguće. Kolagen ima neobičan sastav aminokiselina: 1/3 je glicin, otprilike 10% prolin, kao i hidroksiprolin i hidroksilizin. Posljednje dvije aminokiseline nastaju nakon biosinteze kolagena posttranslacijskom modifikacijom. U strukturi kolagena, gly-X-Y triplet se stalno ponavlja, pri čemu poziciju X često zauzima prolin, a poziciju Y hidroksilizin. Postoje dobri dokazi da je kolagen sveprisutno prisutan kao desna trostruka spirala upletena iz tri primarne ljevoruke spirale. U trostrukoj spirali svaki treći ostatak završava u centru, gdje se, iz steričnih razloga, uklapa samo glicin. Cijeli molekul kolagena dugačak je oko 300 nm.
b-struktura(b-presavijeni sloj). Nalazi se u globularnim proteinima, kao iu nekim fibrilarnim proteinima, na primjer, fibroinu svile (slika 2.3).
Rice. 2.3. b-struktura
Struktura ima ravnog oblika. Polipeptidni lanci su gotovo potpuno izduženi, a ne čvrsto uvijeni, kao u a-helixu. Ravnine peptidnih veza nalaze se u prostoru poput jednolikih nabora lista papira. Stabilizira se vodoničnim vezama između CO i NH grupa peptidnih veza susjednih polipeptidnih lanaca. Ako polipeptidni lanci koji formiraju b-strukturu idu u istom smjeru (tj. C- i N-kraj se poklapaju) – paralelna b-struktura; ako je suprotno - antiparalelna b-struktura. Bočni radikali jednog sloja se postavljaju između bočnih radikala drugog sloja. Ako se jedan polipeptidni lanac savija i ide paralelno sa sobom, onda ovo antiparalelna b-krista struktura. Vodikove veze u b-ukrštenoj strukturi formiraju se između peptidnih grupa petlji polipeptidnog lanca.
Sadržaj a-heliksa u do sada proučavanim proteinima je izuzetno varijabilan. U nekim proteinima, na primjer, mioglobinu i hemoglobinu, a-heliks leži u osnovi strukture i čini 75%, u lizozimu - 42%, u pepsinu samo 30%. Drugi proteini, na primjer, probavni enzim himotripsin, praktično su lišeni a-helikalne strukture i značajan dio polipeptidnog lanca uklapa se u slojevite b-strukture. Potporni proteini tkiva kolagen (tetiva i protein kože), fibroin (prirodni protein svile) imaju b-konfiguraciju polipeptidnih lanaca.
Dokazano je da formiranje α-heliksa olakšavaju glu, ala, leu, a β-strukture met, val, ile; na mjestima gdje se polipeptidni lanac savija - gly, pro, asn. Smatra se da se šest grupisanih ostataka, od kojih četiri doprinose formiranju heliksa, može smatrati centrom helikalizacije. Od ovog centra dolazi do rasta spirala u oba smjera do dijela - tetrapeptida, koji se sastoji od ostataka koji sprječavaju stvaranje ovih spirala. Prilikom formiranja β-strukture, ulogu prajmera obavljaju tri od pet aminokiselinskih ostataka koji doprinose formiranju β-strukture.
U većini strukturnih proteina prevladava jedna od sekundarnih struktura, što je određeno njihovim aminokiselinskim sastavom. Strukturni protein konstruisan prvenstveno u obliku α-heliksa je α-keratin. Životinjska dlaka (krzno), perje, pera, kandže i kopita se prvenstveno sastoje od keratina. Kao komponenta srednjih filamenata, keratin (citokeratin) je bitna komponenta citoskeleta. Kod keratina, većina peptidnog lanca je presavijena u desnu α-helix. Dva peptidna lanca formiraju jedan levi super spirala. Supercoiled keratinski dimeri se kombinuju u tetramere, koji se agregiraju i formiraju protofibrili sa prečnikom od 3 nm. Konačno se formira osam protofibrila mikrofibrili sa prečnikom od 10 nm.
Kosa je građena od istih fibrila. Dakle, u jednom vunenom vlaknu prečnika 20 mikrona isprepleteni su milioni vlakana. Pojedinačni keratinski lanci su umreženi brojnim disulfidnim vezama, što im daje dodatnu snagu. Tokom trajne trajne dlake dešavaju se sljedeći procesi: prvo se disulfidni mostovi uništavaju redukcijom tiolima, a zatim se, kako bi se kosi dao potreban oblik, suši zagrijavanjem. Istovremeno, zbog oksidacije kisikom zraka nastaju novi disulfidni mostovi koji zadržavaju oblik frizure.
Svila se dobija iz čahura gusenica svilene bube ( Bombyx mori) i srodne vrste. Glavni protein svile, fibroin, ima strukturu antiparalelnog presavijenog sloja, a sami slojevi se nalaze paralelno jedan s drugim, tvoreći brojne slojeve. Budući da su u presavijenim strukturama bočni lanci aminokiselinskih ostataka orijentirani okomito gore i dolje, samo kompaktne grupe mogu stati u prostore između pojedinačnih slojeva. U stvari, fibroin se sastoji od 80% glicina, alanina i serina, tj. tri aminokiseline koje karakterizira minimalna veličina bočnih lanaca. Molekul fibroina sadrži tipičan ponavljajući fragment (gli-ala-gli-ala-gli-ser)n.
Poremećena konformacija. Područja proteinske molekule koja ne pripadaju spiralnim ili naboranim strukturama nazivaju se neuređenim.
Suprasekundarna struktura. Alfa spiralni i beta strukturni regioni u proteinima mogu interagovati jedni s drugima i međusobno, formirajući sklopove. Suprasekundarne strukture koje se nalaze u prirodnim proteinima su energetski najpoželjnije. To uključuje supernamotanu α-helix, u kojoj su dvije α-heliksa uvrnute jedna u odnosu na drugu, formirajući lijevu superheliks (bakteriorhodopsin, hemeritrin); naizmjenični α-helikalni i β-strukturni fragmenti polipeptidnog lanca (na primjer, Rossmannova βαβαβ veza, pronađena u NAD +-vezujućoj regiji molekula enzima dehidrogenaze); antiparalelna trolančana β struktura (βββ) naziva se β-cik-cak i nalazi se u brojnim enzimima mikroba, protozoa i kičmenjaka.
Za svaki protein, pored primarnog, postoji i određeni sekundarna struktura. Obično proteinski molekul podseća na produženu oprugu.
Ovo je takozvana a-helix, stabilizirana mnogim vodikovim vezama koje nastaju između CO i NH grupa koje se nalaze u blizini. Atom vodika NH grupe jedna aminokiselina formira takvu vezu sa atomom kiseonika CO grupe druge aminokiseline, odvojenu od prve sa četiri aminokiselinska ostatka.
Dakle aminokiselina Ispostavilo se da je 1 povezana sa aminokiselinom 5, amino kiselina 2 sa amino kiselinom 6, itd. Analiza rendgenske strukture pokazuje da postoji 3,6 aminokiselinskih ostataka po okretu spirale.
Potpuno a-helikalna konformacija i prema tome, keratin protein ima fibrilarnu strukturu. To je strukturno proteina kosa, krzno, nokti, kljun, perje i rogovi, koji je takođe deo kože kičmenjaka.
Tvrdoća i rastezljivost keratina variraju u zavisnosti od broja disulfidnih mostova između susednih polipeptidnih lanaca (stepen umrežavanja lanaca).
Teoretski, sve CO i NH grupe mogu učestvovati u formiranju vodonične veze, tako da je α-heliks vrlo stabilna i stoga vrlo česta konformacija. Dijelovi α-heliksa u molekuli podsjećaju na krute šipke. Međutim, većina proteina postoji u globularnom obliku, koji također sadrži regije (3 sloja (vidi dolje) i regije s nepravilnom strukturom.
To se objašnjava činjenicom da obrazovanje vodonične veze brojni faktori to ometaju: prisustvo određenih aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu, prisustvo disulfidnih mostova između različitih delova istog lanca i, konačno, činjenica da aminokiselina prolin generalno nije sposobna da formira vodikove veze .
Beta sloj, ili presavijeni sloj je druga vrsta sekundarne strukture. Protein svile fibroin, koji luče žlijezde svilene gusjenice svilene bube prilikom uvijanja čahure, predstavljen je u potpunosti u ovom obliku. Fibroin se sastoji od niza polipeptidnih lanaca koji su izduženiji od lanaca s alfa konformacijom. spirale.
Ovi lanci su položeni paralelno, ali su susjedni lanci međusobno suprotni (antiparalelni). One su međusobno povezane pomoću vodonične veze, koja nastaje između C=0- i NH-grupa susjednih lanaca. U ovom slučaju sve NH i C=0 grupe takođe učestvuju u formiranju vodoničnih veza, odnosno struktura je takođe veoma stabilna.
Ova konformacija polipeptidnih lanaca naziva se beta konformacija, a struktura kao cjelina je presavijeni sloj. Ima veliku vlačnu čvrstoću i ne može se rastegnuti, ali ova organizacija polipeptidnih lanaca čini svilu vrlo fleksibilnom. U globularnim proteinima, polipeptidni lanac se može savijati na sebe, a zatim se na tim tačkama globula pojavljuju regije koje imaju strukturu presavijenog sloja.
Drugi metoda organizovanja polipeptidnih lanaca nalazimo u fibrilarnom proteinu kolagenu. Ovo je također strukturni protein, koji, poput keratina i fibroina, ima visoku vlačnu čvrstoću. Kolagen ima tri polipeptidna lanca upletena zajedno, poput niti u užetu, formirajući trostruku spiralu. Svaki polipeptidni lanac ovog kompleksnog heliksa, nazvanog tropokolagen, sadrži oko 1000 aminokiselinskih ostataka. Pojedinačni polipeptidni lanac je slobodan namotana spirala(ali ne a-helix;).
Tri lanca držana zajedno vodonične veze. Vlakna se formiraju od mnogih trostrukih spirala raspoređenih paralelno jedna na drugu i koja se drže zajedno kovalentnim vezama između susjednih lanaca. Oni se pak spajaju u vlakna. Struktura kolagena se tako formira u fazama - na nekoliko nivoa - slično strukturi celuloze. Kolagen se također ne može rastezati, a ovo svojstvo je bitno za funkciju koju obavlja, na primjer, u tetivama, kostima i drugim vrstama vezivnog tkiva.
Vjeverice, koji postoje samo u potpuno smotanom obliku, poput keratina i kolagena, izuzetak su među ostalim proteinima.
Primarna struktura proteina je linearni polipeptidni lanac aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Primarna struktura je najjednostavniji nivo strukturne organizacije proteinske molekule. Visoku stabilnost daju mu kovalentne peptidne veze između α-amino grupe jedne amino kiseline i α-karboksilne grupe druge amino kiseline.
Ako je imino grupa prolina ili hidroksiprolina uključena u formiranje peptidne veze, tada ima drugačiji oblik
Kada se u ćelijama formiraju peptidne veze, prvo se aktivira karboksilna grupa jedne aminokiseline, a zatim se kombinuje sa amino grupom druge. Laboratorijska sinteza polipeptida izvodi se na približno isti način.
Peptidna veza je ponavljajući fragment polipeptidnog lanca. Ima niz karakteristika koje utiču ne samo na oblik primarne strukture, već i na više nivoe organizacije polipeptidnog lanca:
· koplanarnost - svi atomi uključeni u peptidnu grupu su u istoj ravni;
· sposobnost postojanja u dva rezonantna oblika (keto ili enol oblik);
· trans pozicija supstituenata u odnosu na C-N vezu;
· sposobnost stvaranja vodoničnih veza, a svaka od peptidnih grupa može formirati dvije vodonične veze sa drugim grupama, uključujući i peptidne.
Izuzetak su peptidne grupe koje uključuju amino grupu prolina ili hidroksiprolina. Oni su u stanju da formiraju samo jednu vodikovu vezu (vidi gore). Ovo utiče na formiranje sekundarne strukture proteina. Polipeptidni lanac u području gdje se nalazi prolin ili hidroksiprolin lako se savija, jer se ne drži, kao i obično, drugom vodikovom vezom.
shema formiranja tripeptida:
Nivoi prostorne organizacije proteina: sekundarna struktura proteina: koncept α-heliksa i β-sloja. Tercijarna struktura proteina: koncept prirodnog proteina i denaturacije proteina. Kvartarna struktura proteina na primjeru strukture hemoglobina.
Sekundarna struktura proteina. Sekundarna struktura proteina odnosi se na način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u uređenu strukturu. Prema konfiguraciji, razlikuju se sljedeći elementi sekundarne strukture: α -spiralni i β - presavijeni sloj.
Model zgrade α-heliksa, uzimajući u obzir sva svojstva peptidne veze, razvili su L. Pauling i R. Corey (1949 - 1951).
Na slici 3, A prikazan dijagram α -spiral, dajući ideju o njegovim glavnim parametrima. Polipeptidni lanac se savija u α -spiralni na način da su zavoji spirale pravilni, pa spiralna konfiguracija ima spiralnu simetriju (slika 3, b). Za svaki korak α -heliks ima 3,6 aminokiselinskih ostataka. Udaljenost između zavoja ili korak spirale je 0,54 nm, ugao zavoja je 26°. Formiranje i održavanje α -helikalna konfiguracija nastaje zbog vodikovih veza formiranih između peptidnih grupa svake od njih n-th i ( n+ 3)-ti aminokiselinski ostaci. Iako je energija vodoničnih veza mala, veliki broj njih dovodi do značajnog energetskog efekta, što rezultira α -spiralna konfiguracija je prilično stabilna. Bočni radikali aminokiselinskih ostataka nisu uključeni u održavanje α - spiralna konfiguracija, tako da su svi ostaci aminokiselina unutra α -spirale su ekvivalentne.
U prirodnim proteinima postoje samo dešnjaci. α -spirale.
β-fold sloj- drugi element sekundarne strukture. Za razliku od α -spirale β - presavijeni sloj ima linearni, a ne šipkasti oblik (slika 4). Linearna struktura se održava zbog formiranja vodoničnih veza između peptidnih grupa koje se nalaze na različitim dijelovima polipeptidnog lanca. Ispostavilo se da su ove oblasti bliske udaljenosti vodonične veze između - C = O i HN - grupa (0,272 nm).
Rice. 4. Šematska ilustracija β
- presavijeni sloj (strelice pokazuju
o smjer polipeptidnog lanca)
Rice. 3. Šema ( A) i model ( b) α -spirale
Sekundarna struktura proteina određena je primarnom strukturom. Aminokiselinski ostaci su sposobni da formiraju vodikove veze u različitom stepenu, što utiče na formiranje α -spirale ili β -sloj. Aminokiseline koje formiraju spiralu uključuju alanin, glutaminsku kiselinu, glutamin, leucin, lizin, metionin i histidin. Ako se proteinski fragment sastoji uglavnom od aminokiselinskih ostataka navedenih gore, tada a α -spiral. Valin, izoleucin, treonin, tirozin i fenilalanin doprinose stvaranju β -slojevi polipeptidnog lanca. Neuređene strukture nastaju u dijelovima polipeptidnog lanca gdje su koncentrirani aminokiselinski ostaci kao što su glicin, serin, asparaginska kiselina, asparagin i prolin.
Mnogi proteini istovremeno sadrže α -spirale, i β -slojevi. Udio spiralne konfiguracije varira među proteinima. Dakle, mišićni protein paramiozin je skoro 100% spiralan; udio spiralne konfiguracije u mioglobinu i hemoglobinu je visok (75%). Naprotiv, u tripsinu i ribonukleazi, značajan dio polipeptidnog lanca uklapa se u slojevite β -strukture. Podržavaju proteine tkiva - keratin (protein kose), kolagen (protein kože i tetiva) - imaju β -konfiguracija polipeptidnih lanaca.
Tercijarna struktura proteina. Tercijarna struktura proteina je način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u prostoru. Da bi protein stekao svoja inherentna funkcionalna svojstva, polipeptidni lanac se mora na određeni način saviti u prostoru, formirajući funkcionalno aktivnu strukturu. Ova struktura se zove native. Uprkos ogromnom broju prostornih struktura koje su teoretski moguće za pojedinačni polipeptidni lanac, presavijanje proteina dovodi do formiranja jedne nativne konfiguracije.
Tercijarna struktura proteina je stabilizirana interakcijama koje se javljaju između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka različitih dijelova polipeptidnog lanca. Ove interakcije se mogu podijeliti na jake i slabe.
Snažne interakcije uključuju kovalentne veze između atoma sumpora cisteinskih ostataka koji se nalaze u različitim dijelovima polipeptidnog lanca. Inače, takve veze se nazivaju disulfidni mostovi; Formiranje disulfidnog mosta može se opisati na sljedeći način:
Pored kovalentnih veza, tercijarna struktura proteinske molekule održava se slabim interakcijama, koje se, pak, dijele na polarne i nepolarne.
Polarne interakcije uključuju jonske i vodikove veze. Jonske interakcije nastaju kontaktom pozitivno nabijenih grupa bočnih radikala lizina, arginina, histidina i negativno nabijene COOH grupe asparaginske i glutaminske kiseline. Vodikove veze nastaju između funkcionalnih grupa bočnih radikala aminokiselinskih ostataka.
Nepolarne ili van der Waalsove interakcije između ugljikovodičnih radikala aminokiselinskih ostataka doprinose stvaranju hidrofobno jezgro (kap masti) unutar proteinske globule, jer ugljikovodični radikali izbjegavaju kontakt s vodom. Što više nepolarnih aminokiselina protein sadrži, to je veća uloga van der Waalsovih veza u formiranju njegove tercijarne strukture.
Brojne veze između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka određuju prostornu konfiguraciju proteinskog molekula (slika 5).
Rice. 5. Vrste veza koje podržavaju tercijarnu strukturu proteina:
A- disulfidni most; b - jonska veza; c, d - vodonične veze;
d - van der Waalsove veze
Tercijarna struktura pojedinačnog proteina je jedinstvena, kao i njegova primarna struktura. Samo pravilan prostorni raspored proteina čini ga aktivnim. Različiti poremećaji tercijarne strukture dovode do promjena u svojstvima proteina i gubitka biološke aktivnosti.
Kvartarna struktura proteina. Proteini s molekulskom težinom većom od 100 kDa 1 sastoje se u pravilu od nekoliko polipeptidnih lanaca s relativno malom molekulskom težinom. Struktura koja se sastoji od određenog broja polipeptidnih lanaca koji zauzimaju strogo fiksiran položaj jedan u odnosu na drugi, zbog čega protein ima jednu ili drugu aktivnost, naziva se kvartarna struktura proteina. Protein kvartarne strukture naziva se epimolekula ili multimer , i njegovi sastavni polipeptidni lanci - respektivno podjedinice ili protomeri . Karakteristično svojstvo proteina sa kvaternarnom strukturom je da pojedinačna podjedinica nema biološku aktivnost.
Do stabilizacije kvartarne strukture proteina dolazi zbog polarnih interakcija između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka lokaliziranih na površini podjedinica. Takve interakcije čvrsto drže podjedinice u obliku organiziranog kompleksa. Područja podjedinica u kojima dolazi do interakcije nazivaju se kontaktna područja.
Klasičan primjer proteina s kvaternarnom strukturom je hemoglobin. Molekul hemoglobina sa molekulskom težinom od 68.000 Da sastoji se od četiri podjedinice dva različita tipa - α I β / α -Podjedinica se sastoji od 141 aminokiselinskog ostatka, a β - od 146. Tercijarna struktura α - I β -podjedinice su slične, kao i njihova molekularna težina (17.000 Da). Svaka podjedinica sadrži protetičku grupu - heme . Budući da je hem prisutan iu drugim proteinima (citokromi, mioglobin), koji će se dalje proučavati, barem ćemo ukratko prodiskutirati strukturu teme (slika 6). Grupa hema je složen komplanarni ciklični sistem koji se sastoji od centralnog atoma koji formira koordinacione veze sa četiri pirolna ostatka povezana metanskim mostovima (= CH -). U hemoglobinu, željezo je obično u oksidiranom stanju (2+).
Četiri podjedinice - dvije α i dva β - povezani su u jedinstvenu strukturu na način da α -podjedinice u kontaktu samo sa β -podjedinice i obrnuto (slika 7).
Rice. 6. Struktura hem hemoglobina
Rice. 7. Šematski prikaz kvartarne strukture hemoglobina:
Fe - hemoglobin hem
Kao što se može vidjeti na slici 7, jedan molekul hemoglobina može nositi 4 molekula kisika. I vezivanje i oslobađanje kisika praćeni su konformacijskim promjenama u strukturi α - I β - podjedinice hemoglobina i njihov relativni raspored u epimolekulu. Ova činjenica ukazuje da kvaternarna struktura proteina nije apsolutno kruta.
Povezane informacije.
Konformacija je prostorni raspored u organskom molekulu supstituentskih grupa koje mogu slobodno mijenjati svoj položaj u prostoru bez prekidanja veza, zbog slobodne rotacije oko jednostrukih ugljičnih veza.
Postoje 2 tipa sekundarne strukture proteina:
- 1. b-heliks
- 2. c-folding.
Sekundarna struktura je stabilizirana vodoničnim vezama. Vodikove veze nastaju između atoma vodika u NH grupi i karboksilnog kisika.
Karakteristike b-heliksa.
B-heliks je stabiliziran vodoničnim vezama koje se javljaju između svake prve i četvrte aminokiseline. Visina spirale uključuje 3,6 aminokiselinskih ostataka.
Formiranje b-heliksa događa se u smjeru kazaljke na satu (desna spirala), budući da se prirodni proteini sastoje od L-aminokiselina.
Svaki protein karakteriše sopstveni stepen spiralnosti polipeptidnog lanca. Spiralizirani dijelovi se izmjenjuju s linearnim. U molekulu hemoglobina, b i b lanci su spiralni za 75%, u lizozimu - 42%, u pepsinu - 30%.
Stepen helikalizacije zavisi od primarne strukture proteina.
B-heliks se formira spontano i najstabilnija je konformacija polipeptidnog lanca, koja odgovara minimalnoj slobodnoj energiji.
Sve peptidne grupe učestvuju u formiranju vodoničnih veza. Ovo osigurava maksimalnu stabilnost b-heliksa.
Budući da sve hidrofilne grupe peptidne kičme obično učestvuju u formiranju vodoničnih veza, hidrofobnost alfa spirala se povećava.
Radikali aminokiselina nalaze se na vanjskoj strani alfa spirala i usmjereni su dalje od peptidne kičme. Oni ne sudjeluju u stvaranju vodikovih veza i karakteristični su za sekundarnu strukturu, ali neki od njih mogu poremetiti formiranje alfa spirala:
Proline. Njegov atom dušika dio je krutog prstena, što eliminira mogućnost rotacije oko N-CH veza. Osim toga, atom dušika prolina koji formira vezu s drugom amino kiselinom nema vodonik. Kao rezultat toga, prolin nije u stanju da formira vodikovu vezu i struktura alfa spirala je poremećena. Ovo je obično mjesto gdje se javlja petlja ili savijanje.
Područja u kojima se uzastopno nalazi nekoliko identično nabijenih radikala, između kojih nastaju elektrostatičke sile odbijanja.
Područja s blisko raspoređenim glomaznim radikalima koji mehanički ometaju stvaranje alfa spirala, na primjer metionin, triptofan.
Aminokiselina prolin sprečava spiralizaciju proteinske molekule.
c-folding ima blago zakrivljenu konfiguraciju polipeptidnog lanca.
Ako su vezani polipeptidni lanci usmjereni u suprotnim smjerovima, nastaje antiparalelna β-struktura, ali ako se N i C krajevi polipeptidnih lanaca poklapaju, nastaje paralelna β-naborana struktura sloja.
β-preklapanje karakteriziraju vodonične veze unutar jednog polipeptidnog lanca ili složenih polipeptidnih lanaca.
U proteinima su mogući prijelazi iz b-heliksa u b-fold i nazad zbog preuređivanja vodikovih veza.
B-sklop ima ravan oblik.
B-heliks ima oblik štapa.
Vodikove veze su slabe veze, energija veze je 10 - 20 kcal/mol, ali veliki broj veza osigurava stabilnost proteinske molekule.
U proteinskom molekulu postoje jake (kovalentne) veze, ali i slabe, što osigurava stabilnost molekula s jedne strane i labilnost s druge strane.