ЛПоради взаимодействието на функционални групи от аминокиселини, линейните полипептидни вериги на отделните протеини придобиват определена пространствена триизмерна структура, наречена "конформация". Всички молекули на отделни протеини (т.е. тези, които имат една и съща първична структура) образуват една и съща конформация в разтвор. Следователно цялата информация, необходима за образуването на пространствени структури, се намира в първичната структура на протеините.
В протеините има 2 основни типа конформация на полипептидните вериги: вторична и третична структура.
2. Вторична структурапротеини -пространствена структура в резултат на взаимодействието между функционалните групи на пептидния скелет.
В този случай пептидните вериги могат да придобият правилни структури от два вида: α-спирали
β-структураПод β-структура разбираме фигура, подобна на лист, сгънат като акордеон. Фигурата се образува поради образуването на много водородни връзки между атомите на пептидните групи на линейните области на една полипептидна верига, правейки завои, или между различни полипептидни групи.
Връзките са водородни,те стабилизират отделни фрагменти от макромолекули.
3. Третична структура на протеините -триизмерна пространствена структура, образувана поради взаимодействията между аминокиселинните радикали, които могат да бъдат разположени на значително разстояние един от друг в полипептидната верига.
Конструктивно се състои от стабилизирани вторични структурни елементи различни видовевзаимодействия, при които хидрофобните взаимодействия играят критична роля
участва в стабилизирането на третичната структура на протеина:
· ковалентни връзки(между два цистеинови остатъка има дисулфидни мостове);
· йонни връзки между противоположно заредени странични групи от аминокиселинни остатъци;
· водородни връзки;
· хидрофилно-хидрофобни взаимодействия. Когато взаимодейства със заобикалящите водни молекули, протеиновата молекула „се стреми“ да се сгъне, така че неполярните странични групи от аминокиселини да бъдат изолирани от воден разтвор; на повърхността на молекулата се появяват полярни хидрофилни странични групи.
4. Кватернерна структура се нарича взаимно споразумениеняколко полипептидни вериги като част от един протеинов комплекс. Протеинови молекули, които са част от протеин с кватернерна структура, се образуват отделно върху рибозоми и едва след завършване на синтеза образуват обща надмолекулна структура. Протеин с кватернерна структура може да съдържа както еднакви, така и различни полипептидни вериги. Участват в стабилизирането на кватернерната структура същите видове взаимодействия като при стабилизирането на третич. Надмолекулярна протеинови комплексиможе да се състои от десетки молекули.
Роля.
Образуването на пептиди в тялото става за няколко минути, докато химическият синтез в лабораторията е доста дълъг процес, който може да отнеме няколко дни, а развитието на технологията за синтез може да отнеме няколко години. Въпреки това, въпреки това, има доста силни аргументи в полза на извършването на работа по синтеза на аналози на естествени пептиди. Първо, чрез химическа модификация на пептидите е възможно да се потвърди хипотезата за първичната структура. Аминокиселинните последователности на някои хормони стават известни именно чрез синтеза на техните аналози в лабораторията.
Второ, синтетичните пептиди ни позволяват да изследваме по-подробно връзката между структурата на аминокиселинната последователност и нейната активност. За да се изясни връзката между специфичната структура на пептида и неговата биологична активност, беше извършена огромна работа по синтеза на повече от хиляда аналози. В резултат на това беше възможно да се установи, че замяната на само една аминокиселина в структурата на пептида може да увеличи биологичната му активност няколко пъти или да промени нейната посока. И промяната на дължината на аминокиселинната последователност помага да се определи местоположението на активните центрове на пептида и мястото на рецепторно взаимодействие.
Трето, благодарение на модификацията на оригиналната аминокиселинна последователност стана възможно получаването на фармакологични лекарства. Създаването на аналози на естествени пептиди дава възможност да се идентифицират по-„ефективни“ конфигурации на молекули, които подобряват биологичния ефект или го правят по-дълготраен.
Четвърто, химическият синтез на пептиди е икономически изгоден. Повечето терапевтични лекарства биха стрували десетки пъти повече, ако са произведени от естествен продукт.
Често активните пептиди се срещат в природата само в нанограмови количества. Плюс това, методите за пречистване и изолиране на пептиди от естествени източници не могат напълно да отделят желаната аминокиселинна последователност от пептиди с обратен или различен ефект. А в случай на специфични пептиди, синтезирани от човешкото тяло, те могат да бъдат получени само чрез синтез в лабораторни условия.
57. Класификация на протеините: прости и сложни, глобуларни и фибриларни, мономерни и олигомерни. Функции на протеините в организма.
Класификация по тип структура
от общ типСтруктурата на протеините може да бъде разделена на три групи:
1. Фибриларни протеини - образуват полимери, тяхната структура обикновено е силно правилна и се поддържа главно от взаимодействия между различни вериги. Те образуват микрофиламенти, микротубули, фибрили и поддържат структурата на клетките и тъканите. Фибриларните протеини включват кератин и колаген.
2. Глобуларните протеини са водоразтворими, общата форма на молекулата е повече или по-малко сферична.
3. Мембранни протеини – имат домени, които пресичат клетъчната мембрана, но части от тях излизат от мембраната в междуклетъчната среда и цитоплазмата на клетката. Мембранните протеини функционират като рецептори, тоест те предават сигнали и също така осигуряват трансмембранен транспорт различни вещества. Транспортните протеини са специфични, всеки от тях позволява само определени молекули или определен тип сигнал да премине през мембраната.
Прости протеини , Сложни протеини
В допълнение към пептидните вериги много протеини съдържат и неаминокиселинни групи и според този критерий протеините се разделят на две големи групи - прости и сложни протеини(протеиди). Простите протеини се състоят само от полипептидни вериги; сложните протеини също съдържат неаминокиселинни или простетични групи.
просто.
Сред глобуларните протеини можем да различим:
1. албумини - разтворими във вода в широк диапазон на рН (от 4 до 8,5), утаени с 70-100% разтвор на амониев сулфат;
2. полифункционални глобулини с по-високо молекулно тегло, по-малко разтворими във вода, разтворими във физиологични разтвори, често съдържат въглехидратна част;
3. хистоните са протеини с ниско молекулно тегло с високо съдържание на аргининови и лизинови остатъци в молекулата, което определя техните основни свойства;
4. протамините се отличават с още по-високо съдържание на аргинин (до 85%), подобно на хистоните, те образуват стабилни асоциирани с нуклеинова киселина, действат като регулаторни и репресорни протеини - компонентнуклеопротеини;
5. проламините се характеризират с високо съдържание на глутаминова киселина (30-45%) и пролин (до 15%), неразтворими във вода, разтворими в 50-90% етанол;
6. Глутелините съдържат около 45% глутаминова киселина, като проламини, и често се срещат в зърнените протеини.
Фибриларните протеини се характеризират с фиброзна структура и са практически неразтворими във вода и солеви разтвори. Полипептидните вериги в молекулите са разположени успоредно една на друга. Участват в образуването на структурни елементи на съединителната тъкан (колагени, кератини, еластини).
Сложни протеини
(протеини, холопротеини) са двукомпонентни протеини, които освен пептидни вериги (прост протеин) съдържат неаминокиселинен компонент - простетична група. Когато сложните протеини се хидролизират, освен аминокиселините се освобождава и небелтъчната част или нейните разпадни продукти.
Като простетична група могат да действат различни органични (липиди, въглехидрати) и неорганични (метали) вещества.
Зависи от химическа природаСред сложните протеини се разграничават следните класове протетични групи:
· Гликопротеини, съдържащи ковалентно свързани въглехидратни остатъци като простетична група и техния подклас - протеогликани, с мукополизахаридни простетични групи. Хидроксилните групи на серин или треонин обикновено участват в образуването на връзки с въглехидратни остатъци. Повечето извънклетъчни протеини, по-специално имуноглобулини, са гликопротеини. Въглехидратната част на протеогликаните е ~95%, те са основният компонент на междуклетъчния матрикс.
· Липопротеини, съдържащи нековалентно свързани липиди като протетична част. Липопротеините се образуват от аполипопротеинови протеини, които свързват липидите с тях и изпълняват функцията на липиден транспорт.
· Металопротеини, съдържащи не-хем координирани метални йони. Сред металопротеините има протеини, които изпълняват складови и транспортни функции (например съдържащ желязо феритин и трансферин) и ензими (например съдържаща цинк карбоанхидраза и различни супероксиддисмутази, съдържащи медни, манганови, железни и други метални йони като активни центрове )
· Нуклеопротеините, съдържащи нековалентно свързана ДНК или РНК, по-специално хроматинът, който изгражда хромозомите, е нуклеопротеин.
Фосфопротеини, съдържащи ковалентно свързани остатъци като простетична група фосфорна киселина. Хидроксилните групи на серин или треонин участват в образуването на естерна връзка с фосфат; млечният казеин, по-специално, е фосфопротеин:
· Хромопротеините са сборното наименование на сложни протеини с оцветени простетични групи от различно химично естество. Те включват много протеини с металосъдържаща порфиринова простетична група, които изпълняват различни функции - хемопротеини (протеини, съдържащи хем като простетична група - хемоглобин, цитохроми и др.), хлорофили; флавопротеини с флавинова група и др.
1. Структурна функция
2. Защитна функция
3. Регулаторна функция
4. Функция аларма
5. Транспортна функция
6. Резервна (резервна) функция
7. Рецепторна функция
8. Двигателна (моторна) функция
Има четири нива структурна организацияпротеини: първични, вторични, третични и кватернерни. Всяко ниво има свои собствени характеристики.
Първичната структура на протеините е линейна полипептидна верига от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Първичната структура е най-простото ниво на структурна организация на протеинова молекула. Висока стабилност му придават ковалентните пептидни връзки между α-аминогрупата на една аминокиселина и α-карбоксилната група на друга аминокиселина. [покажи] .
Ако иминогрупата на пролин или хидроксипролин участва в образуването на пептидна връзка, тогава тя има различна форма [покажи] .
По време на образованието пептидни връзкиВ клетките карбоксилната група на една аминокиселина първо се активира и след това се комбинира с аминогрупата на друга. Лабораторният синтез на полипептиди се извършва приблизително по същия начин.
Пептидната връзка е повтарящ се фрагмент от полипептидна верига. Той има редица характеристики, които засягат не само формата на първичната структура, но и по-високите нива на организация на полипептидната верига:
- копланарност - всички атоми, включени в пептидната група, са в една и съща равнина;
- способността да съществува в две резонансни форми (кето или енолна форма);
- транс позиция на заместителите спрямо C-N връзката;
- способността да образуват водородни връзки и всяка от пептидните групи може да образува две водородни връзки с други групи, включително пептидни.
Изключение правят пептидните групи, включващи аминогрупата на пролин или хидроксипролин. Те могат да образуват само една водородна връзка (виж по-горе). Това влияе върху образуването на вторичната структура на протеина. Полипептидната верига в областта, където се намира пролин или хидроксипролин, лесно се огъва, тъй като не се държи, както обикновено, от втора водородна връзка.
Номенклатура на пептидите и полипептидите . Името на пептидите се състои от имената на съставните им аминокиселини. Две аминокиселини образуват дипептид, три правят трипептид, четири правят тетрапептид и т.н. Всяка пептидна или полипептидна верига с произволна дължина има N-крайна аминокиселина, съдържаща свободна аминогрупа, и С-крайна аминокиселина, съдържаща свободен карбоксил група. При именуването на полипептидите всички аминокиселини се изброяват последователно, като се започне с N-терминалната, като в имената им, с изключение на С-терминалната, се заменя суфиксът -in с -yl (тъй като аминокиселините в пептидите вече нямат карбоксилна група, но карбонилна). Например името, показано на фиг. 1 трипептид - левк тиняфенилалан тинятреон в.
Характеристики на първичната структура на протеина . В гръбнака на полипептидната верига твърдите структури (плоски пептидни групи) се редуват с относително подвижни области (-CHR), които са способни да се въртят около връзки. Такива структурни характеристики на полипептидната верига влияят върху нейното пространствено разположение.
Вторичната структура е начин за нагъване на полипептидна верига в подредена структура поради образуването на водородни връзки между пептидни групи от същата верига или съседни полипептидни вериги. Според конфигурацията си вторичните структури се делят на спираловидни (α-спирала) и слоесто-нагънати (β-структура и кръстосана β-форма).
α-спирала. Това е вид вторична протеинова структура, която изглежда като правилна спирала, образувана поради интерпептидни водородни връзки в една полипептидна верига. Моделът на структурата на α-спиралата (фиг. 2), който отчита всички свойства на пептидната връзка, е предложен от Pauling и Corey. Основни характеристики на α-спиралата:
- спирална конфигурация на полипептидната верига, имаща спирална симетрия;
- образуването на водородни връзки между пептидните групи на всеки първи и четвърти аминокиселинен остатък;
- редовност на спиралните завои;
- еквивалентността на всички аминокиселинни остатъци в α-спиралата, независимо от структурата на техните странични радикали;
- страничните радикали на аминокиселините не участват в образуването на α-спирала.
Външно α-спиралата изглежда като леко разтегната спирала на електрическа печка. Редовността на водородните връзки между първата и четвъртата пептидна група определя редовността на завоите на полипептидната верига. Височината на един оборот или стъпката на α-спиралата е 0,54 nm; включва 3,6 аминокиселинни остатъка, т.е. всеки аминокиселинен остатък се движи по оста (височината на един аминокиселинен остатък) с 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), което ни позволява да говорим за еквивалентност на всички аминокиселинни остатъци в α-спиралата. Периодът на редовност на α-спирала е 5 завъртания или 18 аминокиселинни остатъка; дължината на един период е 2,7 nm. Ориз. 3. Модел на a-спирала на Полинг-Кори
β-Структура. Това е вид вторична структура, която има леко извита конфигурация на полипептидната верига и се образува от междупептидни водородни връзки в отделни участъци на една полипептидна верига или съседни полипептидни вериги. Нарича се още слоесто-гънка структура. Съществуват разновидности на β-структури. Ограничените слоести области, образувани от една полипептидна верига на протеин, се наричат кръстосана β форма (къса β структура). Между пептидните групи на бримките на полипептидната верига се образуват водородни връзки в кръстосана β форма. Друг вид – пълната β-структура – е характерна за цялата полипептидна верига, която има удължена форма и се задържа от интерпептидни водородни връзки между съседни паралелни полипептидни вериги (фиг. 3). Тази конструкция наподобява мех на акордеон. Освен това са възможни варианти на β-структури: те могат да бъдат образувани от паралелни вериги (N-терминалните краища на полипептидните вериги са насочени в една и съща посока) и антипаралелни (N-терминалните краища са насочени в различни посоки). Страничните радикали на един слой се поставят между страничните радикали на друг слой.
В протеините са възможни преходи от α-структури към β-структури и обратно поради пренареждането на водородните връзки. Вместо редовни интерпептидни водородни връзки по веригата (благодарение на които полипептидната верига е усукана в спирала), спиралните участъци се развиват и водородните връзки се затварят между удължените фрагменти на полипептидните вериги. Този преход се намира в кератина, протеина на косата. При измиване на косата с алкални препарати спиралната структура на β-кератина лесно се разрушава и той се превръща в α-кератин (къдравата коса се изправя).
Разрушаването на правилните вторични структури на протеини (α-спирали и β-структури), по аналогия с топенето на кристал, се нарича "топене" на полипептиди. В този случай водородните връзки се разкъсват и полипептидните вериги приемат формата на произволна плетеница. Следователно стабилността на вторичните структури се определя от интерпептидните водородни връзки. Други видове връзки почти не участват в това, с изключение на дисулфидните връзки по полипептидната верига в местата на цистеиновите остатъци. Късите пептиди са затворени в цикли поради дисулфидни връзки. Много протеини съдържат както α-спирални области, така и β-структури. Почти няма естествени протеини, състоящи се от 100% α-спирала (изключение прави парамиозин, мускулен протеин, който е 96-100% α-спирала), докато синтетичните полипептиди имат 100% спирала.
Други протеини имат различна степен на навиване. Висока честота на α-спирални структури се наблюдава в парамиозина, миоглобина и хемоглобина. Обратно, в трипсин, рибонуклеаза, значителна част от полипептидната верига е нагъната в слоести β-структури. Протеините на поддържащите тъкани: кератин (протеин на косата, вълната), колаген (протеин на сухожилията, кожата), фиброин (протеин на естествената коприна) имат β-конфигурация на полипептидни вериги. Различните степени на спиралност на полипептидните вериги на протеините показват, че очевидно има сили, които частично нарушават спиралността или "нарушават" редовното нагъване на полипептидната верига. Причината за това е по-компактното нагъване на протеиновата полипептидна верига в определен обем, т.е. в третична структура.
Третична структура на протеина
Третичната структура на протеина е начинът, по който полипептидната верига е подредена в пространството. Въз основа на формата на тяхната третична структура, протеините се разделят главно на глобуларни и фибриларни. Глобуларните протеини най-често имат елипсоидна форма, а фибриларните (нишковидни) протеини имат удължена форма (пръчковидна или вретеновидна).
Въпреки това, конфигурацията на третичната структура на протеините все още не дава основание да се смята, че фибриларните протеини имат само β-структура, а глобуларните протеини имат α-спирална структура. Има фибриларни протеини, които имат спирална, а не слоеста, нагъната вторична структура. Например, α-кератин и парамиозин (протеин на обтураторния мускул на мекотели), тропомиозини (протеини на скелетните мускули) принадлежат към фибриларни протеини (имат пръчкова форма), а тяхната вторична структура е α-спирала; напротив, в глобуларните протеини може да има голям бройβ-структури.
Спирализацията на линейна полипептидна верига намалява размера й приблизително 4 пъти; и опаковането в третичната структура я прави десетки пъти по-компактна от оригиналната верига.
Връзки, които стабилизират третичната структура на протеина . Връзките между страничните радикали на аминокиселините играят роля в стабилизирането на третичната структура. Тези връзки могат да бъдат разделени на:
- силен (ковалентен) [покажи]
.
Ковалентните връзки включват дисулфидни връзки (-S-S-) между страничните радикали на цистеините, разположени в различни части на полипептидната верига; изопептид или псевдопептид - между аминогрупите на страничните радикали на лизин, аргинин, а не а-аминогрупи, и COOH групите на страничните радикали на аспарагинова, глутаминова и аминолимонена киселина, а не а-карбоксилни групи на аминокиселини. Оттук и името на този вид връзка – пептидоподобна. Рядка естерна връзка се образува от СООН групата на дикарбоксилните аминокиселини (аспарагинова, глутаминова) и ОН групата на хидроксиаминокиселините (серин, треонин).
- слаби (полярни и ван дер ваалсови) [покажи]
.
ДА СЕ полярни връзкивключват водородни и йонни. Водородните връзки, както обикновено, възникват между групата -NH2, -OH или -SH на страничния радикал на една аминокиселина и карбоксилната група на друга. Йонни или електростатични връзки се образуват, когато заредените групи от странични радикали -NH + 3 (лизин, аргинин, хистидин) и -COO - (аспарагинова и глутаминова киселини) влязат в контакт.
Неполярни или ван дер ваалсови връзкиобразувани между въглеводородни радикали на аминокиселини. Хидрофобните радикали на аминокиселините аланин, валин, изолевцин, метионин и фенилаланин взаимодействат помежду си във водна среда. Слабите ван дер ваалсови връзки насърчават образуването на хидрофобно ядро от неполярни радикали вътре в протеиновата глобула. Колкото повече неполярни аминокиселини, толкова голяма роляван дер ваалсовите връзки играят роля в нагъването на полипептидната верига.
Многобройните връзки между страничните радикали на аминокиселините определят пространствената конфигурация на протеиновата молекула.
Характеристики на организацията на третичната структура на протеина . Конформацията на третичната структура на полипептидната верига се определя от свойствата на страничните радикали на включените в нея аминокиселини (които не влияят на значително влияниевърху формирането на първични и вторични структури) и микросредата, т.е. околната среда. Когато се сгъне, полипептидната верига на протеина има тенденция да приеме енергийно благоприятна форма, характеризираща се с минимум свободна енергия. Следователно неполярните R-групи, „избягващи“ водата, образуват, така да се каже, вътрешната част на третичната структура на протеина, където се намира основната част от хидрофобните остатъци на полипептидната верига. В центъра на протеиновата глобула почти няма водни молекули. Полярните (хидрофилни) R групи на аминокиселината са разположени извън това хидрофобно ядро и са заобиколени от водни молекули. Полипептидната верига е сложно извита в триизмерното пространство. Когато се огъва, вторичната спирална конформация се нарушава. Веригата се "разкъсва" в слаби места, където се намират пролин или хидроксипролин, тъй като тези аминокиселини са по-подвижни във веригата, образувайки само една водородна връзка с други пептидни групи. Друго място на огъване е глицинът, който има малка R група (водород). Следователно, R-групите на други аминокиселини, когато са подредени, са склонни да заемат свободното пространство на мястото на глицина. Редица аминокиселини - аланин, левцин, глутамат, хистидин - допринасят за запазването на стабилни спирални структури в протеина, а като метионин, валин, изолевцин, аспарагинова киселина благоприятстват образуването на β-структури. В протеинова молекула с третична конфигурация има области под формата на α-спирали (спирални), β-структури (слоести) и произволна намотка. Само правилното пространствено разположение на протеина го прави активен; нарушението му води до промени в свойствата на протеините и загуба на биологична активност.
Кватернерна протеинова структура
Протеините, състоящи се от една полипептидна верига, имат само третична структура. Те включват миоглобин - протеин на мускулната тъкан, участващ в свързването на кислорода, редица ензими (лизозим, пепсин, трипсин и др.). Въпреки това, някои протеини са изградени от няколко полипептидни вериги, всяка от които има третична структура. За такива протеини е въведена концепцията за кватернерна структура, която е организацията на няколко полипептидни вериги с третична структура в една функционална протеинова молекула. Такъв протеин с кватернерна структура се нарича олигомер, а неговите полипептидни вериги с третична структура се наричат протомери или субединици (фиг. 4).
На кватернерно ниво на организация протеините запазват основната конфигурация на третичната структура (глобуларна или фибриларна). Например, хемоглобинът е протеин с кватернерна структура и се състои от четири субединици. Всяка от субединиците е глобуларен протеин и като цяло хемоглобинът също има глобуларна конфигурация. Протеините на косата и вълната - кератините, свързани по третична структура с фибриларните протеини, имат фибриларна конформация и кватернерна структура.
Стабилизиране на кватернерната структура на протеина . Всички протеини, които имат кватернерна структура, са изолирани под формата на отделни макромолекули, които не се разпадат на субединици. Контактите между повърхностите на субединиците са възможни само поради полярните групи от аминокиселинни остатъци, тъй като по време на образуването на третичната структура на всяка от полипептидните вериги страничните радикали на неполярните аминокиселини (които съставляват по-голямата част от всички протеиногенни аминокиселини) са скрити вътре в субединицата. Между техните полярни групи се образуват множество йонни (солни), водородни и в някои случаи дисулфидни връзки, които здраво задържат субединиците под формата на организиран комплекс. Използването на вещества, които разрушават водородни връзки или вещества, които намаляват дисулфидните мостове, причинява дезагрегация на протомерите и разрушаване на кватернерната структура на протеина. В табл 1 обобщава данните за връзките, които стабилизират различни нива на организация на протеиновата молекула [покажи] .
| Таблица 1. Характеристики на връзките, участващи в структурната организация на протеините | ||
| Ниво на организация | Видове връзки (по сила) | Тип комуникация |
| Първична (линейна полипептидна верига) | Ковалентен (силен) | Пептид - между α-амино и α-карбоксилните групи на аминокиселините |
| Вторични (α-спирала, β-структури) | слаб | Водород - между пептидни групи (всяка първа и четвърта) на една полипептидна верига или между пептидни групи на съседни полипептидни вериги |
| Ковалентен (силен) | Дисулфид - дисулфидни бримки в линейна област на полипептидна верига | |
| Третичен (глобуларен, фибриларен) | Ковалентен (силен) | Дисулфид, изопептид, естер - между страничните радикали на аминокиселините от различни части на полипептидната верига |
| слаб | Водород - между страничните радикали на аминокиселините от различни части на полипептидната верига Йонна (сол) - между противоположно заредени групи от странични радикали на аминокиселини от полипептидната верига Ван дер Ваалс - между неполярни странични радикали на аминокиселини от полипептидната верига |
|
| Четвъртичен (кълбовиден, фибриларен) | слаб | Йонни - между противоположно заредени групи от странични радикали на аминокиселини на всяка от субединиците Водород - между страничните радикали на аминокиселинните остатъци, разположени на повърхността на контактните зони на субединиците |
| Ковалентен (силен) | Дисулфид - между цистеиновите остатъци на всяка от контактните повърхности на различни субединици | |
Характеристики на структурната организация на някои фибриларни протеини
Структурната организация на фибриларните протеини има редица характеристики в сравнение с глобуларните протеини. Тези характеристики могат да се видят в примера на кератин, фиброин и колаген. Кератините съществуват в α- и β-конформации. α-Кератините и фиброинът имат слоесто-нагъната вторична структура, но в кератина веригите са успоредни, а във фиброина те са антипаралелни (виж фиг. 3); В допълнение, кератинът съдържа междуверижни дисулфидни връзки, докато фиброинът ги няма. Разкъсването на дисулфидните връзки води до разделяне на полипептидните вериги в кератините. Напротив, образуването на максимален брой дисулфидни връзки в кератините чрез излагане на окислители създава силна пространствена структура. Като цяло, във фибриларните протеини, за разлика от глобуларните протеини, понякога е трудно да се направи строго разграничение между различните нива на организация. Ако приемем (както за глобуларен протеин), че третичната структура трябва да се образува чрез полагане на една полипептидна верига в пространството, а кватернерната структура от няколко вериги, тогава във фибриларните протеини няколко полипептидни вериги участват още по време на образуването на вторична структура . Типичен пример за фибриларен протеин е колагенът, който е един от най-разпространените протеини в човешкото тяло (около 1/3 от масата на всички протеини). Намира се в тъкани, които имат висока якост и ниска разтегливост (кости, сухожилия, кожа, зъби и др.). В колагена една трета от аминокиселинните остатъци са глицин, а около една четвърт или малко повече са пролин или хидроксипролин.
Изолираната полипептидна верига на колагена (първична структура) изглежда като прекъсната линия. Съдържа около 1000 аминокиселини и има молекулно теглооколо 10 5 (фиг. 5, а, б). Полипептидната верига е изградена от повтарящо се трио аминокиселини (триплет) със следния състав: gly-A-B, където A и B са всякакви аминокиселини, различни от глицин (най-често пролин и хидроксипролин). Колагеновите полипептидни вериги (или α-вериги) по време на образуването на вторични и третични структури (фиг. 5, c и d) не могат да произведат типични α-спирали със спирална симетрия. Пролин, хидроксипролин и глицин (антихелични аминокиселини) пречат на това. Следователно три α-вериги образуват, така да се каже, усукани спирали, като три нишки, увиващи се около цилиндър. Три спирални α вериги образуват повтаряща се колагенова структура, наречена тропоколаген (фиг. 5d). Тропоколагенът по своята организация е третичната структура на колагена. Плоските пръстени от пролин и хидроксипролин, редовно редуващи се по веригата, й придават твърдост, както и междуверижните връзки между α-веригите на тропоколагена (поради което колагенът е устойчив на разтягане). Тропоколагенът е по същество субединица от колагенови фибрили. Полагането на тропоколагенови субединици в кватернерната структура на колагена става поетапно (фиг. 5е).
Стабилизирането на колагеновите структури се дължи на междуверижни водородни, йонни и ван дер ваалсови връзки и малък брой ковалентни връзки.
α-веригите на колагена имат различни химическа структура. Има α 1 вериги различни видове(I, II, III, IV) и α 2 вериги. В зависимост от това кои α 1 - и α 2 -вериги участват в образуването на триверижната спирала на тропоколагена, се разграничават четири вида колаген:
- първият тип - две α 1 (I) и една α 2 верига;
- вторият тип - три α 1 (II) вериги;
- трети тип - три α 1 (III) вериги;
- четвърти тип - три α 1 (IV) вериги.
Най-често срещаният колаген е първият тип: намира се в костната тъкан, кожата, сухожилията; тип 2 колаген се намира в хрущялната тъкан и т.н. Един вид тъкан може да съдържа различни видове колаген.
Подреденото агрегиране на колагеновите структури, тяхната твърдост и инертност осигуряват висока якост на колагеновите влакна. Колагеновите протеини също съдържат въглехидратни компоненти, т.е. те са протеиново-въглехидратни комплекси.
Колагенът е извънклетъчен протеин, който се образува от клетки на съединителната тъкан, намиращи се във всички органи. Следователно, с увреждане на колагена (или нарушаване на неговото образуване), възникват множество нарушения на поддържащите функции на съединителната тъкан на органите.
| Страница 3 | общо страници: 7 |
Вторичната структура е начинът, по който полипептидната верига е подредена в подредена структура. Вторичната структура се определя от първичната структура. Тъй като първичната структура е генетично определена, образуването на вторична структура може да възникне, когато полипептидната верига напусне рибозомата. Вторичната структура е стабилизирана водородни връзки, които се образуват между NH и CO групите на пептидните връзки.
Разграничете a-спирала, b-структураи нарушена конформация (кълбо).
Структура α-спирали беше предложено ПолингИ Кори(1951 г.). Това е вид протеинова вторична структура, която изглежда като правилна спирала (фиг. 2.2). α-спиралата е пръчковидна структура, в която пептидните връзки са разположени вътре в спиралата, а аминокиселинните радикали на страничната верига са разположени отвън. А-спиралата се стабилизира от водородни връзки, които са успоредни на оста на спиралата и се срещат между първия и петия аминокиселинен остатък. По този начин, в разширени спирални области, всеки аминокиселинен остатък участва в образуването на две водородни връзки.
Ориз. 2.2. Структура на α-спирала.
Има 3,6 аминокиселинни остатъка на завъртане на спиралата, стъпката на спиралата е 0,54 nm и има 0,15 nm на аминокиселинен остатък. Ъгълът на спиралата е 26°. Периодът на редовност на a-спирала е 5 завъртания или 18 аминокиселинни остатъка. Най-разпространени са десните а-спирали, т.е. Спиралата се завърта по посока на часовниковата стрелка. Образуването на а-спирала се предотвратява от пролин, аминокиселини със заредени и обемисти радикали (електростатични и механични препятствия).
Друга спираловидна форма присъства в колаген . В тялото на бозайниците колагенът е количествено преобладаващият протеин: той представлява 25% общ протеин. Колагенът присъства в различни форми, предимно в съединителната тъкан. Това е лява спирала със стъпка от 0,96 nm и 3,3 остатъка на завъртане, по-плоска от α-спиралата. За разлика от α-спиралата, тук е невъзможно образуването на водородни мостове. Колагенът има необичаен аминокиселинен състав: 1/3 е глицин, приблизително 10% пролин, както и хидроксипролин и хидроксилизин. Последните две аминокиселини се образуват след биосинтеза на колаген чрез посттранслационна модификация. В структурата на колагена триплетът gly-X-Y постоянно се повтаря, като позицията X често е заета от пролин, а позицията Y от хидроксилизин. Има добри доказателства, че колагенът присъства повсеместно като дясна тройна спирала, усукана от три първични леви спирали. В тройна спирала всеки трети остатък завършва в центъра, където по пространствени причини се вписва само глицинът. Цялата колагенова молекула е с дължина около 300 nm.
б-Структура(b-нагънат слой). Намира се в глобуларни протеини, както и в някои фибриларни протеини, например копринен фиброин (фиг. 2.3).
Ориз. 2.3. б-Структура
Структурата има плоска форма. Полипептидните вериги са почти напълно удължени, а не плътно усукани, както при a-спирала. Равнините на пептидните връзки са разположени в пространството като еднакви гънки на лист хартия. Той се стабилизира чрез водородни връзки между CO и NH групите на пептидните връзки на съседни полипептидни вериги. Ако полипептидните вериги, образуващи b-структурата, вървят в една и съща посока (т.е. C- и N-краищата съвпадат) – паралелна b-структура; ако обратното - антипаралелна b-структура. Страничните радикали на един слой се поставят между страничните радикали на друг слой. Ако една полипептидна верига се огъне и върви успоредно на себе си, тогава това антипаралелна b-кръстосана структура. Водородните връзки в b-кръстосаната структура се образуват между пептидните групи на бримките на полипептидната верига.
Съдържанието на а-спирали в изследваните до момента протеини е изключително променливо. В някои протеини, например миоглобин и хемоглобин, а-спиралата е в основата на структурата и представлява 75%, в лизозима - 42%, в пепсина само 30%. Други протеини, например храносмилателният ензим химотрипсин, практически са лишени от а-спирална структура и значителна част от полипептидната верига се вписва в слоести b-структури. Поддържащите тъканни протеини колаген (протеин на сухожилията и кожата), фиброин (естествен копринен протеин) имат b-конфигурация на полипептидни вериги.
Доказано е, че образуването на α-спирали се улеснява от glu, ala, leu, а β-структурите от met, val, ile; на местата, където полипептидната верига се огъва - gly, pro, asn. Смята се, че шест групирани остатъка, четири от които допринасят за образуването на спиралата, могат да се считат за център на спирализиране. От този център има растеж на спирали в двете посоки до участък - тетрапептид, състоящ се от остатъци, които предотвратяват образуването на тези спирали. По време на образуването на β-структурата ролята на праймери се изпълнява от три от пет аминокиселинни остатъка, които допринасят за образуването на β-структурата.
В повечето структурни протеини преобладава една от вторичните структури, което се определя от техния аминокиселинен състав. Структурен протеин, изграден предимно под формата на α-спирала, е α-кератин. Животинските косми (козина), пера, пера, нокти и копита са съставени основно от кератин. Като компонент на междинните филаменти, кератинът (цитокератин) е основен компонент на цитоскелета. В кератините по-голямата част от пептидната верига е нагъната в дясна α-спирала. Две пептидни вериги образуват една лява супер спирала.Суперспиралните кератинови димери се комбинират в тетрамери, които се агрегират, за да се образуват протофибрилис диаметър 3 nm. Накрая се образуват осем протофибрили микрофибрилис диаметър 10 nm.
Косата е изградена от същите фибрили. Така в едно вълнено влакно с диаметър 20 микрона се преплитат милиони фибрили. Индивидуалните кератинови вериги са омрежени чрез множество дисулфидни връзки, което им придава допълнителна здравина. По време на къдрене протичат следните процеси: първо дисулфидните мостове се разрушават чрез редукция с тиоли и след това, за да се придаде необходимата форма на косата, тя се изсушава чрез нагряване. В същото време, поради окисление от кислорода на въздуха, се образуват нови дисулфидни мостове, които запазват формата на прическата.
Коприната се получава от пашкули на гъсеници на копринени буби ( Bombyx mori) и сродни видове. Основният протеин на коприната, фиброин, има структурата на антипаралелен сгънат слой, а самите слоеве са разположени успоредно един на друг, образувайки множество слоеве. Тъй като в нагънатите структури страничните вериги на аминокиселинните остатъци са ориентирани вертикално нагоре и надолу, само компактни групи могат да се поберат в пространствата между отделните слоеве. Всъщност фиброинът се състои от 80% глицин, аланин и серин, т.е. три аминокиселини, характеризиращи се с минимални размеристранични вериги. Молекулата на фиброина съдържа типичен повтарящ се фрагмент (gli-ala-gli-ala-gli-ser)n.
Нарушена конформация.Регионите на протеинова молекула, които не принадлежат към спираловидни или нагънати структури, се наричат неподредени.
Надвторична структура.Алфа спиралните и бета структурните области в протеините могат да взаимодействат помежду си и помежду си, образувайки сглобки. Супра-вторичните структури, открити в естествените протеини, са енергийно най-предпочитани. Те включват суперспирална α-спирала, в която две α-спирали са усукани една спрямо друга, образувайки лява суперспирала (бактериородопсин, хемеритрин); редуващи се α-спирални и β-структурни фрагменти на полипептидната верига (например, βαβαβ връзката на Rossmann, намерена в NAD + -свързващия регион на ензимните молекули на дехидрогеназата); антипаралелната триверижна β структура (βββ) се нарича β-зигзаг и се намира в редица микробни, протозойни и гръбначни ензими.
Конформацията е пространственото разположение в органична молекула на заместващи групи, които могат свободно да променят позицията си в пространството, без да разкъсват връзки, поради свободно въртене около единични въглеродни връзки.
Има 2 вида протеинова вторична структура:
- 1. b-спирала
- 2. c-сгъване.
Вторичната структура е стабилизирана от водородни връзки. Водородните връзки възникват между водородния атом в NH групата и карбоксилния кислород.
Характеристики на b-спирала.
B-спиралата е стабилизирана от водородни връзки, които възникват между всяка първа и четвърта аминокиселина. Стъпката на спиралата включва 3,6 аминокиселинни остатъка.
Образуването на b-спирала става по посока на часовниковата стрелка (дясна спирала), тъй като естествените протеини се състоят от L-аминокиселини.
Всеки протеин се характеризира със собствена степен на спиралност на полипептидната верига. Спиралните участъци се редуват с линейни. В молекулата на хемоглобина b и b веригите са спирални с 75%, в лизозима - 42%, в пепсина - 30%.
Степента на спирализиране зависи от първичната структура на протеина.
B-спиралата се образува спонтанно и е най-стабилната конформация на полипептидната верига, съответстваща на минималната свободна енергия.
Всички пептидни групи участват в образуването на водородни връзки. Това осигурява максимална стабилност на b-спиралата.
Тъй като всички хидрофилни групи на пептидния скелет обикновено участват в образуването на водородни връзки, хидрофобността на алфа спиралите се увеличава.
Аминокиселинните радикали са разположени от външната страна на алфа спиралите и са насочени встрани от пептидния скелет. Те не участват в образуването на водородни връзки и са характерни за вторичната структура, но някои от тях могат да нарушат образуването на алфа спирали:
Пролин. Неговият азотен атом е част от твърд пръстен, което елиминира възможността за въртене около N-CH връзки. В допълнение, азотният атом на пролина, който образува връзка с друга аминокиселина, няма водород. В резултат на това пролинът не е в състояние да образува водородна връзка и структурата на алфа спиралите е нарушена. Обикновено това е мястото, където се получава примка или огъване.
Области, където последователно са разположени няколко еднакво заредени радикали, между които възникват електростатични сили на отблъскване.
Области с плътно разположени обемисти радикали, които механично нарушават образуването на алфа спирали, например метионин, триптофан.
Аминокиселината пролин предотвратява спирализацията на протеиновата молекула.
c-нагъването има леко извита конфигурация на полипептидната верига.
Ако свързаните полипептидни вериги са насочени в противоположни посоки, възниква антипаралелна β-структура, но ако N и C краищата на полипептидните вериги съвпадат, се появява структурата на паралелен β-нагънат слой.
β-нагъването се характеризира с водородни връзки в рамките на единична полипептидна верига или сложни полипептидни вериги.
В протеините са възможни преходи от b-спирала към b-нагъване и обратно поради пренареждане на водородните връзки.
B-сгъването има плоска форма.
B-спиралата има пръчковидна форма.
Водородните връзки са слаби връзки, енергията на връзката е 10 - 20 kcal/mol, но голям брой връзки осигуряват стабилността на протеиновата молекула.
В протеиновата молекула има силни (ковалентни) връзки, както и слаби, което осигурява стабилността на молекулата от една страна и лабилността от друга.
