Ллинейните полипептидни вериги на отделните протеини, поради взаимодействието на функционалните групи на аминокиселините, придобиват определена пространствена триизмерна структура, наречена "конформация". Всички молекули на отделни протеини (т.е. имащи еднаква 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 полипептидни вериги: вторични и третични структури.
2. вторична структурапротеини -пространствена структура, произтичаща от взаимодействието между функционалните групи на пептидния гръбнак.
В този случай пептидните вериги могат да придобият редовни структури от два вида: α-спирали
β-структураПод β-структура се разбира 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, която прави 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 взаимодействия между аминокиселинни радикали, които могат да бъдат разположени на значително разстояние един от друг в полипептидната верига.
Конструктивно се състои от елементи на вторичната структура, стабилизирани различни видовевзаимодействия, при които хидрофобните взаимодействия играят решаваща роля
стабилизиране на третичната структура на участващия протеин:
· ковалентни връзки(между два цистеинови остатъка - дисулфидни мостове);
йонни връзки между противоположно заредени странични групи от аминокиселинни остатъци;
· водородни връзки;
хидрофилно-хидрофобни взаимодействия. Когато взаимодейства с околните водни молекули, протеиновата молекула „се склонява“ да се навива, така че неполярните странични групи на аминокиселините да се изолират от воден разтвор; полярни хидрофилни странични групи се появяват на повърхността на молекулата.
4. Кватернерна структура се нарича взаимно урежданеняколко полипептидни вериги като част от един протеинов комплекс. протеинови молекули, които са част от протеин с кватернерна структура, се образуват върху рибозомите поотделно и едва след края на синтеза образуват обща супрамолекулна структура. Протеин с кватернерна структура може да съдържа както еднакви, така и различни полипептидни вериги. В стабилизирането на кватернерната структура участват същите видове взаимодействия, както при стабилизирането на третичното. Супрамолекулна протеинови комплексиможе да се състои от десетки молекули.
Роля.
Образуването на пептиди в тялото става за няколко минути, докато химическият синтез в лаборатория е доста дълъг процес, който може да отнеме няколко дни, а разработването на технология за синтез отнема няколко години. Въпреки това обаче има доста сериозни 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 първична структура. Аминокиселинните последователности на някои хормони са станали известни именно чрез синтеза на техните аналози в лабораторията.
На второ място, синтетичните пептиди позволяват да се изследва 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 заместването само на една аминокиселина в пептидната структура може да увеличи биологичната му активност няколко пъти или да промени посоката му. Промяната в дължината на аминокиселинната последователност помага да се определи местоположението на активните центрове на пептида и мястото на взаимодействие на рецептора.
На трето място, поради модификацията на оригиналната аминокиселинна последователност, стана възможно получаването на фармакологични препарати. Създаването на аналози на естествени пептиди дава възможност да се идентифицират по-„ефективни“ конфигурации на молекули, които засилват биологичния ефект или го правят по-дълъг.
Четвърто, химичният синтез на пептиди е икономически жизнеспособен. Повечето терапевтични лекарства биха стрували десет пъти повече, ако са направени от натурален продукт.
Често активните пептиди се срещат в природата само в нанограмни количества. Освен това методите за пречистване и изолиране на пептиди от естествени източници не могат напълно да отделят желаната аминокиселинна последователност от пептиди с противоположно или друго действие. А в случай на специфични пептиди, синтезирани от човешкото тяло, те могат да бъдат получени само чрез синтез в лаборатория.
57. Класификация на протеините: прости и сложни, глобуларни и фибриларни, мономерни и олигомерни. Функции на протеините в организма.
Класификация по тип сграда
от общ типпротеиновите структури могат да бъдат разделени на три групи:
1. Фибриларни протеини – образуват полимери, структурата им обикновено е силно редовна и се поддържа главно от взаимодействия между различни вериги. Те образуват микрофиламенти, микротубули, фибрили, 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 преминават през клетъчната мембрана, но части от тях излизат от мембраната в междуклетъчната среда и цитоплазмата на клетката. Мембранните протеини изпълняват функцията на рецептори, тоест осъществяват предаване на сигнала, а също така осигуряват трансмембранен транспорт различни вещества. Транспортните протеини са специфични, всеки от тях позволява само определени молекули или определен тип сигнал да преминават през мембраната.
Прости протеини , Сложни протеини
В допълнение към пептидните вериги, много протеини включват и неаминокиселинни групи и според този критерий протеините се разделят на две големи групи - прости и сложни протеини(протеини). Простите протеини се състоят само от полипептидни вериги, сложните протеини също съдържат неаминокиселинни или протетични групи.
Просто.
Сред глобуларните протеини са:
1. албумини - разтворими във вода в широк диапазон на рН (от 4 до 8,5), утаени със 70-100% разтвор на амониев сулфат;
2. полифункционални глобулини с по-високо молекулно тегло, по-трудно разтворими във вода, разтворими във физиологични разтвори, често съдържат въглехидратна част;
3. хистони - нискомолекулни протеини с високо съдържание на остатъци от аргинин и лизин в молекулата, което определя основните им свойства;
4. протамините се отличават с още по-високо съдържание на аргинин (до 85%), подобно на хистоните, образуват стабилни асоциации 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, подобно на проламини, те се срещат по-често в житните протеини.
Фибриларните протеини се характеризират с влакнеста структура, практически неразтворими във вода и физиологични разтвори. Полипептидните вериги в молекулите са подредени успоредно една на друга. Участва в образуването на структурни елементи на съединителната тъкан (колаген, кератин, еластин).
Сложни протеини
(протеини, холопротеини) - двукомпонентни протеини, в които освен пептидни вериги (прост протеин) се съдържа компонент от неаминокиселинна природа - простетична група. При хидролизата на сложни протеини освен аминокиселини се отделя и небелтъчната част или нейните продукти на разпад.
Различни органични (липиди, въглехидрати) и неорганични (метали) вещества могат да действат като протетична група.
Зависи от химическа природапростетичните групи сред сложните протеини са следните класове:
· Гликопротеини, съдържащи ковалентно свързани въглехидратни остатъци като простетична група и техен подклас - протеогликани, с мукополизахаридни простетични групи. Хидроксилните групи на серин или треонин обикновено участват в образуването на връзки с въглехидратни остатъци. Повечето от извънклетъчните протеини, по-специално имуноглобулините, са гликопротеини. В протеогликаните въглехидратната част е ~95%; те са основният компонент на извънклетъчния матрикс.
Липопротеини, съдържащи нековалентно свързани липиди като протетична част. Липопротеини, образувани от протеини-аполипопротеини с липиди, които се свързват с тях и изпълняват функцията на липиден транспорт.
· Металопротеини, съдържащи не-хем координирани метални йони. Сред металопротеините има протеини, които изпълняват функции за съхранение и транспорт (например желязо-съдържащ феритин и трансферин) и ензими (например цинк-съдържаща карбоанхидраза и различни супероксидни дисмутази, съдържащи мед, манган, желязо 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 протетична група фосфорна киселина. Хидроксилните групи на серина или треонина участват в образуването на естерна връзка с фосфата, фосфопротеините са по-специално млечен казеин:
Хромопротеини - събирателното наименование на сложни протеини с оцветени протетични групи от различно химично естество. Те включват много протеини с метал-съдържаща порфиринова простетична група, които изпълняват различни функции - хемопротеини (протеини, съдържащи хем - хемоглобин, цитохроми и др. като простетична група), хлорофили; флавопротеини с флавинова група и др.
1. Структурна функция
2. Защитна функция
3. Регулаторна функция
4. Функция за аларма
5. Транспортна функция
6. Резервна (резервна) функция
7. Рецепторна функция
8. Моторна (моторна) функция
Има четири нива на структурна организация на протеините: първично, вторично, третично и четвъртично. 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 протеиновата молекула. Висока стабилност му се придава чрез ковалентни пептидни връзки между α-амино групата на една аминокиселина и α-карбоксиловата група на друга аминокиселина. [покажи] .
Ако иминогрупата на пролин или хидроксипролин участва в образуването на пептидна връзка, тогава тя има различна форма [покажи] .
Когато в клетките се образуват пептидни връзки, първо се активира карбоксилната група на една аминокиселина и след това тя се комбинира с аминогрупата на друга. Приблизително по същия начин се извършва лабораторен синтез на полипептиди.
Пептидната връзка е повтарящ се фрагмент от полипептидна верига. Той има редица характеристики, които засягат не само формата на първичната структура, но и най-високите нива на организация на полипептидната верига:
- копланарност - всички атоми в пептидната група са в една и съща равнина;
- способността да съществува в две резонансни форми (кето или енолна форма);
- транс позицията на заместителите по отношение на C-N връзката;
- способността да образува водородни връзки и всяка от пептидните групи може да образува две водородни връзки с други групи, включително пептидни.
Изключение правят пептидните групи с участието на аминогрупата на пролин или хидроксипролин. Те са в състояние да образуват само една водородна връзка (виж по-горе). Това влияе върху образуването на вторичната структура на протеина. Полипептидната верига на мястото, където се намира пролин или хидроксипролин, лесно се огъва, тъй като не се държи, както обикновено, от втора водородна връзка.
Номенклатура на пептиди и полипептиди . Името на пептидите се образува от имената на съставните им аминокиселини. Две аминокиселини образуват дипептид, три трипептид, четири тетрапептид и т.н. Всеки пептид или полипептидна верига с произволна дължина има N-терминална аминокиселина, съдържаща свободна аминогрупа и С-крайна аминокиселина, съдържаща свободна карбоксилна група. Когато се назовават полипептиди, всички аминокиселини са изброени последователно, като се започне от N-терминала, като се заменят в имената им, с изключение на C-терминала, наставката -in към -yl (тъй като аминокиселините в пептидите вече нямат карбоксилна група, но карбонилен). Например името, показано на фиг. 1 трипептид - левк тиняфенилалан тинятреон в.
Характеристики на първичната структура на протеина . В гръбнака на полипептидната верига твърди структури (плоски пептидни групи) се редуват с относително подвижни области (-CHR), които са в състояние да се въртят около връзките. Такива особености на структурата на полипептидната верига влияят на нейното опаковане в пространството.
Вторичната структура е начин за полагане на полипептидната верига в подредена структура поради образуването на водородни връзки между пептидните групи на една верига или съседни полипептидни вериги. По конфигурация вторичните структури са разделени на спираловидни (α-спирала) и слоесто-сгънати (β-структура и кръстосана-β-форма).
α-спирала. Това е вид протеинова вторична структура, която има формата на правилна спирала, образувана поради интерпептидни водородни връзки в рамките на една полипептидна верига. Моделът на структурата на α-спирала (фиг. 2), който отчита всички свойства на пептидната връзка, е предложен от Полинг и Кори. Основните характеристики на α-спирала:
- спирална конфигурация на полипептидната верига, имаща спирална симетрия;
- образуването на водородни връзки между пептидните групи на всеки от първия и четвъртия аминокиселинни остатъци;
- редовността на завоите на спиралата;
- еквивалентността на всички аминокиселинни остатъци в α-спирала, независимо от структурата на техните странични радикали;
- страничните радикали на аминокиселините не участват в образуването на α-спирала.
Външно α-спирала изглежда като леко опъната спирала на електрическа печка. Редовността на водородните връзки между първата и четвъртата пептидни групи също определя редовността на завоите на полипептидната верига. Височината на един завой или стъпката на α-спирала 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 еквивалентността на всички аминокиселини остатъци в α-спирала. 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 α-спирала на Полинг-Кори
β-структура. Това е вид вторична структура, която има леко извита конфигурация на полипептидната верига и се образува с помощта на интерпептидни водородни връзки в отделни участъци от една полипептидна верига или съседни полипептидни вериги. Нарича се още слоесто-сгъната структура. Има разновидности на β-структури. Ограничените слоести участъци, образувани от една полипептидна верига на протеин, се наричат кръстосана β-форма (къса β-структура). Водородните връзки в кръстосана β форма се образуват между пептидните групи на бримките на полипептидната верига. Друг тип, пълната β-структура, е характерна за цялата полипептидна верига, която има удължена форма и се задържа от интерпептидни водородни връзки между съседни успоредни полипептидни вериги (фиг. 3). Тази структура напомня духа на акордеон. Освен това са възможни варианти на β-структури: те могат да бъдат образувани от успоредни вериги (N-терминалите на полипептидните вериги са насочени в една и съща посока) и антипаралелни (N-терминалите 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 (поради тях полипептидната верига се усуква в спирала), спирализираните участъци се развъртват и водородните връзки се затварят между удължените фрагменти на полипептидните вериги. Такъв преход се намира в кератина, протеин за коса. При измиване на косата с алкални препарати спираловидната структура на β-кератина лесно се разрушава и той преминава в α-кератин (къдравата коса се изправя).
Разрушаването на редовните вторични структури на протеините (α-спирали и β-структури), по аналогия с топенето на кристал, се нарича „топене“ на полипептиди. В този случай водородните връзки се прекъсват и полипептидните вериги приемат формата на произволна намотка. 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 на местата на цистеинови остатъци. Късите пептиди, дължащи се на дисулфидни връзки, са затворени в цикли. Много протеини едновременно имат α-спирални области и β-структури. Почти няма естествени протеини, състоящи се от 100% α-спирала (изключението е парамиозин, мускулен протеин, който е 96-100% α-спирала), докато синтетичните полипептиди имат 100% спирала.
Други протеини имат неравна степен на спиралност. Висока честота на α-спирални структури се наблюдава в парамиозина, миоглобина и хемоглобина. Напротив, в трипсин, рибонуклеаза, значителна част от полипептидната верига се вписва в слоести β-структури. Поддържащи тъканни протеини: кератин (протеин на косата, вълна), колаген (протеин на сухожилията, кожата), фиброин (протеин от естествена коприна) имат β-конфигурация на полипептидни вериги. Различната степен на спирализация на полипептидните вериги на протеини показва, че очевидно има сили, които частично нарушават хеликсизацията или „разрушават“ редовното сгъване на полипептидната верига. Причината за това е по-компактното опаковане на протеиновата полипептидна верига в определен обем, т.е. в третичната структура.
Третична структура на протеина
Третичната структура на протеина е начинът, по който полипептидната верига се нагъва в пространството. Според формата на третичната структура протеините се делят основно на глобуларни и фибриларни. Глобуларните протеини най-често имат елипсовидна форма, а фибриларните (филаментозни) протеини са удължени (формата на пръчка, вретено).
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 α-спирални. Има фибриларни протеини, които имат спираловидна, а не слоесто-нагъната вторична структура. Например, α-кератин и парамиозин (запушващ мускулен протеин на мекотелите), тропомиозините (протеини на скелетните мускули) са фибриларни протеини (имат пръчковидна форма), а тяхната вторична структура е α-спирала; напротив, в глобуларните протеини може да има голям бройβ-структури.
Спирализацията на линейна полипептидна верига намалява нейния размер около 4 пъти; и пакетирането в третична структура я прави десетки пъти по-компактна от оригиналната верига.
Връзки, които стабилизират третичната структура на протеина . При стабилизирането на третичната структура играят роля връзките между страничните радикали на аминокиселините. 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 α-амино групи, и СООН групи на странични радикали на аспарагинова, глутаминова и аминолимонена киселини, а не α-карбоксилови групи на аминокиселини. Оттук идва и името на този тип връзка – подобна на пептид. Рядко се образува етерна връзка от СООН групата на дикарбоксилните аминокиселини (аспарагинова, глутаминова) и ОН групата на хидроксиаминокиселините (серин, треонин).
- слаб (полярни и ван дер Ваалс) [покажи]
.
Да се полярни връзкивключват водород и йонни. Водородните връзки, както обикновено, възникват между -NH2, -OH или -SH групата на страничния радикал на една аминокиселина и карбоксилната група на друга. Йонни или електростатични връзки се образуват при контакт на заредени групи от странични радикали -NH + 3 (лизин, аргинин, хистидин) и -COO - (аспарагинова и глутаминова киселини).
Неполярни или Ван дер Ваалсови връзкиобразуван между въглеводородни радикали на аминокиселини. Хидрофобните радикали на аминокиселините аланин, валин, изолевцин, метионин, фенилаланин взаимодействат един с друг във водна среда. Слабите ван дер Ваалсови връзки допринасят за образуването на хидрофобно ядро от неполярни радикали вътре в протеиновата глобула. Колкото повече са неполярните аминокиселини, толкова по-голяма е ролята на ван дер Ваалсовите връзки в сгъването на полипептидната верига.
Многобройни 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 съставните й аминокиселини (които не забележимо влияниевърху образуването на първични и вторични структури) и микросредата, т.е. околната среда. Когато е нагъната, полипептидната верига на протеин има тенденция да приеме енергийно благоприятна форма, характеризираща се с минимум свободна енергия. Следователно, неполярните R-групи, "избягващи" водата, образуват сякаш 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 странно се огъва в триизмерно пространство. Когато се огъва, вторичната спирална конформация се нарушава. Веригата "се разкъсва" в слабите точки, 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 завоя е глицинът, чиято R-група е малка (водород). Следователно, R-групите на други аминокиселини, когато са подредени, са склонни да заемат свободното пространство на мястото на глицин. Редица аминокиселини – аланин, левцин, глутамат, хистидин – допринасят за запазването на стабилни спираловидни структури в протеина, а като метионин, валин, изолевцин, аспарагинова киселина, благоприятстват образуването на β-структури. В протеинова молекула с третична конфигурация има участъци под формата на α-спирали (спирализирани), β-структури (наслоени) и произволна намотка. Само правилното пространствено сгъване на протеина го прави активен; нарушаването му води до промяна в свойствата на протеина и загуба на биологична активност.
Кватернерна протеинова структура
Протеините, състоящи се от единична 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 представлява 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, който има 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 протеините . Всички протеини с кватернерна структура бяха изолирани като отделни макромолекули, които не се разлагат на субединици. Контактите между повърхностите на субединиците са възможни само поради полярните групи на аминокиселинните 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 (соли), водородни, а в някои случаи и дисулфидни връзки, които здраво държат субединиците под формата на организиран комплекс. Използването на вещества, които разрушават водородните връзки, или вещества, които възстановяват дисулфидни мостове, причинява дезагрегация на протомерите и разрушаване на кватернерната структура на протеина. В табл. 1 обобщава данните за връзките, стабилизиращи различни нива на организация на протеинова молекула [покажи] .
| Таблица 1. Характеристики на връзките, участващи в структурната организация на протеините | ||
| Организационно ниво | Видове връзки (по сила) | Тип комуникация |
| Първична (линейна полипептидна верига) | ковалентен (силен) | Пептид - между α-амино и α-карбоксилови групи на аминокиселини |
| Вторични (α-спирала, β-структури) | Слаба | 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 линейната област на полипептидната верига | |
| Третични (глобуларни, фибриларни) | ковалентен (силен) | Дисулфид, изопептид, естер - между странични радикали на аминокиселини от различни части на полипептидната верига |
| Слаба | Водород - между страничните радикали на аминокиселини от различни части на полипептидната верига Йонна (сол) - между противоположно заредени групи от странични радикали на аминокиселини на полипептидната верига Ван дер Ваалс - между неполярни странични радикали на аминокиселини на полипептидна верига |
|
| Кватернерен (кълбовиден, фибриларен) | Слаба | Йонна - 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 участъци 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 бъдат проследени на 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 са антипаралелни (виж фиг. 3); в допълнение, междуверижните дисулфидни връзки присъстват в кератина, докато те липсват във фиброина. Разкъсването на дисулфидните връзки води до разделяне на полипептидните вериги в кератините. Напротив, образуването на максимален брой дисулфидни връзки в кератините чрез действието на окислители създава силна пространствена структура. Като цяло, при фибриларните протеини, за разлика от глобуларните протеини, понякога е трудно да се разграничат стриктно различните нива на организация. Ако приемем (както за глобуларен протеин), че третичната структура трябва да се образува чрез подреждане на една полипептидна верига в пространството, а кватернерната структура трябва да бъде образувана от няколко вериги, тогава във фибриларните протеини няколко полипептидни вериги вече участват в образуването на вторичната 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 с 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.
Изолирана колагенова полипептидна верига (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 повтарящ се триплет от аминокиселини (триплет) със следния състав: gly-A-B, където A и B са всякакви аминокиселини с изключение на глицин (най-често пролин и хидроксипролин). Колагеновите полипептидни вериги (или α-вериги) по време на образуването на вторични и третични структури (фиг. 5, в и г) не могат да образуват типични α-спирали със спирална симетрия. Това се предотвратява от пролин, хидроксипролин и глицин (анти-спирални аминокиселини). Следователно три α-вериги образуват сякаш усукани спирали, като три нишки, увиващи се около цилиндър. Три спирални α-вериги образуват повтаряща се колагенова структура, наречена тропоколаген (фиг. 5d). Тропоколагенът в 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-вериги на тропоколаген (следователно колагенът е устойчив на разтягане). Тропоколагенът е по същество субединица от колагенови фибрили. Тропоколагеновите субединици са подредени в кватернерната структура на колагена поетапно (фиг. 5д).
Стабилизирането на колагеновите структури се дължи на междуверижните водородни, йонни и ван дер Ваалсови връзки и малко количество ковалентни връзки.
α-вериги на колаген имат различни химическа структура. Има α 1 -вериги от различни типове (I, II, III, IV) и α 2 -вериги. В зависимост от това кои α1- и α2-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;
- четвъртият тип - три α 1 (IV)-вериги.
Най-често срещаният колаген от първия тип: намира се в костната тъкан, кожата, сухожилията; колаген тип 2 се намира в хрущяла и т. н. Може да има различни видове колаген в един и същи тип тъкан.
Подреденото агрегиране на колагеновите структури, тяхната твърдост и инертност осигуряват висока здравина на колагеновите влакна. Колагеновите протеини също съдържат въглехидратни компоненти, тоест те са протеин-въглехидратни комплекси.
Колагенът е извънклетъчен протеин, който се образува от клетките на съединителната тъкан, която е част от всички органи. Следователно, при увреждане на колагена (или нарушение на образуването му), възникват множество нарушения на поддържащите функции на съединителната тъкан на органите.
| Страница 3 | общо страници: 7 |
Вторична структура - начин за полагане на полипептидна верига в подредена структура. Вторичната структура се определя от първичната структура. Тъй като първичната структура е генетично детерминирана, образуването на вторична структура може да се случи, когато полипептидната верига напусне рибозомата. Вторичната структура се стабилизира водородни връзки, които се образуват между NH- и CO-групите на пептидната връзка.
Разграничаване a-спирала, b-структураи нарушена конформация (чип).
Структура α-спирали беше предложено Полинги Кори(1951). Това е вид протеинова вторична структура, която изглежда като правилна спирала (фиг. 2.2). α-спирала е пръчковидна структура, в която пептидните връзки са разположени вътре в спиралата, а страничните вериги на аминокиселини са отвън. А-спирала се стабилизира от водородни връзки, които са успоредни на оста на спиралата и се появяват между първия и петия аминокиселинни остатъци. По този начин, в разширени спирални области, всеки аминокиселинен остатък участва в образуването на две водородни връзки.
Ориз. 2.2. Структурата на α-спирала.
Има 3,6 аминокиселинни остатъка на завъртане на спиралата, стъпката на спиралата е 0,54 nm и 0,15 nm на аминокиселинен остатък. Ъгъл на спиралата 26°. Периодът на редовност на a-спирала е 5 завъртания или 18 аминокиселинни остатъка. Най-често срещаните са десните a-спирали, т.е. усукването на спиралата върви по посока на часовниковата стрелка. Образуването на а-спирала се предотвратява от пролин, аминокиселини със заредени и обемисти радикали (електростатични и механични препятствия).
Друга форма на спирала присъства в колаген . При бозайниците колагенът е преобладаващият протеин в количествено отношение: съставлява 25% общ протеин. Колагенът присъства в различни форми, главно в съединителната тъкан. Това е лява спирала с стъпка от 0,96 nm и 3,3 остатъка във всеки завой, по-нежна от α-спирала. За разлика от α-спирала, образуването на водородни мостове тук е невъзможно. 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 пост-транслационна модификация. В структурата на колагена триплетът gly-X-Y се повтаря непрекъснато, а X позицията често е заета от пролин, а Y от хидроксилизин. Има убедителни доказателства, че колагенът е повсеместен под формата на дясна тройна спирала, усукана от три основни леви спирали. В тройната спирала всеки трети остатък се озовава в центъра, където по стерични причини е поставен само глицин. Цялата колагенова молекула е дълга около 300 nm.
b-структура(b-сгънат слой). Среща се в глобуларните протеини, както и в някои фибриларни протеини, например копринен фиброин (фиг. 2.3).
Ориз. 2.3. b-структура
Структурата има плоска форма. Полипептидните вериги са почти напълно удължени, а не плътно усукани, както в a-спирала. Равнините на пептидните връзки са разположени в пространството като еднородни гънки на лист хартия. Стабилизира се чрез водородни връзки между CO и NH групи на пептидни връзки на съседни полипептидни вериги. Ако полипептидните вериги, които образуват b-структурата, вървят в една и съща посока (т.е. C- и N-терминалите съвпадат) - паралелна b-структура; ако в обратното антипаралелна b-структура. Страничните радикали на един слой се поставят между страничните радикали на друг слой. Ако една полипептидна верига се огъва 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 a-спирали в протеините, изследвани до момента, е силно променливо. В някои протеини, например миоглобин и хемоглобин, а-спиралата е в основата на структурата и съставлява 75%, в лизозима - 42%, в пепсина само 30%. Други протеини, например храносмилателният ензим химотрипсин, са практически лишени от а-спирална структура и значителна част от полипептидната верига се вписва в слоести b-структури. Поддържащи тъканни протеини колаген (протеин на сухожилията, кожа), фиброин (естествен копринен протеин) имат b-конфигурация на полипептидни вериги.
Доказано е, че образуването на α-спирала се насърчава от glu, ala, leu и β-структури от met, val, ile; в местата на огъване на полипептидната верига - gly, pro, asn. Смята се, че шест групирани остатъка, четири от които допринасят за образуването на спирала, могат да се разглеждат като център на спирала. От този център спиралите растат в двете посоки към място - тетрапептид, състоящ се от остатъци, които предотвратяват образуването на тези спирали. При образуването на β-структурата ролята на семената играят три аминокиселинни остатъка от пет, които допринасят за образуването на β-структурата.
Повечето структурни протеинипреобладава една от вторичните структури, което е предопределено от аминокиселинния им състав. Структурният протеин, изграден главно под формата на α-спирала, е α-кератин. Косата (вълна), перата, иглите, ноктите и копита на животните са съставени главно от кератин. Като компонент на междинните филаменти, кератинът (цитокератин) е основен компонент на цитоскелета. При кератините по-голямата част от пептидната верига е нагъната в дясна α-спирала. Две пептидни вериги образуват една лява супернамотка.Свръхнавитите кератинови димери се комбинират, за да образуват тетрамери, които се агрегират, за да се образуват протофибрили 3 nm в диаметър. Накрая се образуват осем протофибрила микрофибрили 10 nm в диаметър.
Косата е изградена от същите фибрили. И така, в едно вълнено влакно с диаметър 20 микрона, милиони фибрили са преплетени. Отделните кератинови вериги са омрежени чрез множество дисулфидни връзки, което им придава допълнителна здравина. По време на къдрене се случват следните процеси: първо, дисулфидните мостове се разрушават чрез редукция с тиоли, а след това, за да се даде на косата необходимата форма, те се изсушават чрез нагряване. В същото време поради окисляване с атмосферен кислород се образуват нови дисулфидни мостове, които запазват формата на прическата.
Коприната се получава от пашкулите на гъсениците на копринените буби ( bombyx mori) и сродни видове. Основен копринен протеин фиброин, има структурата на антипаралелен нагънат слой, а самите слоеве са успоредни един на друг, образувайки множество слоеве. Тъй като в сгънатите структури страничните вериги от аминокиселинни 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 характеризирани аминокиселини минимални размеристранични вериги. Молекулата на фиброина съдържа типичен повтарящ се фрагмент (gli-ala-gli-ala-gli-ser) n .
нарушена конформация.Секции от протеинова молекула, които не принадлежат към спираловидни или нагънати структури, се наричат неуредени.
Свръхвторична структура.Алфа-спиралните и бета структурните области в протеините могат да взаимодействат помежду си и помежду си, образувайки ансамбли. Супрасекондарните структури, открити в естествените протеини, са енергийно най-предпочитани. Те включват супернавита α-спирала, в която две α-спирали са усукани една спрямо друга, образувайки лява супернамотка (бактериородопсин, хемеритрин); редуващи се α-спирални и β-структурни фрагменти на полипептидната верига (например βαβαβ-връзка според Rossman, намерена в NAD +-свързващото място на ензимните молекули на дехидрогеназа); антипаралелната триверижна β-структура (βββ) се нарича β-зигзаг и се намира в редица микробни, протозойни и гръбначни ензими.
Конформацията е пространствено подреждане в органична молекула на заместващи групи, които могат свободно да променят позицията си в пространството, без да прекъсват връзките, поради свободното въртене около единични въглеродни връзки.
Има 2 вида протеинова вторична структура:
- 1. b-спирала
- 2. сгъване.
Вторичната структура се стабилизира чрез водородни връзки. Водородните връзки възникват между водородния атом в NH групата и карбоксилния кислород.
Характеристики на b-спирала.
b-спирала се стабилизира 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 (правилният ход на спиралата), тъй като естествените протеини се състоят от L-аминокиселини.
Всеки протеин има своя собствена степен на спирала на полипептидната верига. Спиралните секции се редуват с линейни. В молекулата на хемоглобина b и b веригите са 75% спираловидни, в лизозима - 42%, пепсина - 30%.
Степента на спирализация зависи от първичната структура на протеина.
b-спирала се образува спонтанно и е най-стабилната конформация на полипептидната верига, съответстваща на минимум свободна енергия.
Всички пептидни групи участват в образуването на водородни връзки. Това гарантира максимална стабилност на b-спирала.
Тъй като всички хидрофилни групи на пептидния гръбнак 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 от пептидния гръбнак към страните. Те не участват в образуването на водородни връзки, те 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 изключва 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 организира водородна връзка и структурата на алфа спиралите се нарушава. Обикновено тук се получава примка или огъване.
Области, където няколко еднакво заредени радикала са разположени последователно, между които възникват електростатични отблъскващи сили.
Области с близко разположени обемни радикали, които механично нарушават образуването на алфа спирали, като метионин, триптофан.
Аминокиселината пролин предотвратява спирализацията на протеиновата молекула.
c - нагъването има леко извита конфигурация на полипептидната верига.
Ако свързаните полипептидни вериги са насочени противоположно, възниква антипаралелна β-структура, но ако N и C краищата на полипептидните вериги съвпадат, възниква паралелна β-сгъната структура на слоя.
β-сгъването се характеризира с водородни връзки в рамките на единична полипептидна верига или сложни полипептидни вериги.
В протеините са възможни преходи от β-спирала към β-сгъване и обратно поради пренареждането на водородните връзки.
c-сгъването има плоска форма.
b-спирала има пръчкова форма.
Водородните връзки са слаби връзки, енергията на свързване е 10 - 20 kcal / mol, но голям брой връзки осигурява стабилността на протеиновата молекула.
В протеиновата молекула има силни (ковалентни) връзки, както и слаби, което, от една страна, осигурява стабилността на молекулата, а от друга страна, лабилността.
