L Uslijed međudjelovanja funkcionalnih skupina aminokiselina, linearni polipeptidni lanci pojedinih proteina poprimaju određenu prostornu trodimenzionalnu strukturu, nazvanu "konformacija". Sve molekule pojedinačnih proteina (tj. onih koje imaju istu primarnu strukturu) tvore istu konformaciju u otopini. Posljedično, sve informacije potrebne za formiranje prostornih struktura nalaze se u primarnoj strukturi proteina.
U proteinima postoje 2 glavne vrste konformacije polipeptidnih lanaca: sekundarne i tercijarne strukture.
2. Sekundarna struktura proteini - prostorna struktura koja je rezultat interakcije između funkcionalnih skupina peptidne okosnice.
U ovom slučaju, peptidni lanci mogu dobiti pravilne strukture dvije vrste: α-spiralice
β-struktura Pod β-strukturom podrazumijevamo lik sličan plahti presavijenoj poput harmonike. Slika nastaje stvaranjem mnogih vodikovih veza između atoma peptidnih skupina linearnih područja jednog polipeptidnog lanca koji čine zavoje ili između različitih polipeptidnih skupina.
Veze su vodikove, stabiliziraju pojedine fragmente makromolekula.
3. Tercijarna struktura proteina - trodimenzionalna prostorna struktura nastala zbog interakcija između radikala aminokiselina, koji se mogu nalaziti na znatnoj udaljenosti jedni od drugih u polipeptidnom lancu.
Strukturno se sastoji od stabiliziranih sekundarnih strukturnih elemenata različite vrste interakcije u kojima hidrofobne interakcije igraju ključnu ulogu
U stabilizaciji tercijarne strukture proteina sudjeluje:
· kovalentne veze(između dva cisteinska ostatka postoje disulfidni mostovi);
· ionske veze između suprotno nabijenih bočnih skupina aminokiselinskih ostataka;
· vodikove veze;
· hidrofilno-hidrofobne interakcije. U interakciji s okolnim molekulama vode, molekula proteina "teži" savijanju tako da su nepolarne bočne skupine aminokiselina izolirane od Vodena otopina; na površini molekule pojavljuju se polarne hidrofilne bočne skupine.
4. Kvartarna struktura naziva se međusobni dogovor nekoliko polipeptidnih lanaca kao dio jednog proteinskog kompleksa. Proteinske molekule, koji su dio proteina s kvaternarnom strukturom, nastaju odvojeno na ribosomima i tek nakon završetka sinteze tvore zajedničku supramolekularnu strukturu. Protein s kvaternarnom strukturom može sadržavati identične i različite polipeptidne lance. Sudjeluju u stabilizaciji kvartarne strukture iste vrste interakcija kao i kod stabilizacije tercijarnog. Supramolekularni proteinski kompleksi može se sastojati od desetaka molekula.
Uloga.
Stvaranje peptida u tijelu događa se u roku od nekoliko minuta, dok je kemijska sinteza u laboratoriju prilično dugotrajan proces koji može trajati nekoliko dana, a razvoj tehnologije sinteze može potrajati i nekoliko godina. Međutim, unatoč tome, postoje prilično jaki argumenti u korist izvođenja radova na sintezi analoga prirodnih peptida. Prvo, kemijskom modifikacijom peptida moguće je potvrditi hipotezu o primarnoj strukturi. Sekvence aminokiselina nekih hormona postale su poznate upravo sintezom njihovih analoga u laboratoriju.
Drugo, sintetski peptidi omogućuju nam detaljnije proučavanje odnosa između strukture slijeda aminokiselina i njegove aktivnosti. Kako bi se razjasnio odnos između specifične strukture peptida i njegove biološke aktivnosti, obavljena je ogromna količina rada na sintezi više od tisuću analoga. Kao rezultat toga, bilo je moguće saznati da zamjena samo jedne aminokiseline u strukturi peptida može nekoliko puta povećati njegovu biološku aktivnost ili promijeniti njezin smjer. A promjena duljine slijeda aminokiselina pomaže u određivanju položaja aktivnih centara peptida i mjesta interakcije receptora.
Treće, zahvaljujući modifikaciji izvorne sekvence aminokiselina, postalo je moguće dobiti farmakološke lijekove. Stvaranje analoga prirodnih peptida omogućuje prepoznavanje "učinkovitijih" konfiguracija molekula koje pojačavaju biološki učinak ili ga produljuju.
Četvrto, kemijska sinteza peptida je ekonomski korisna. Većina terapeutskih lijekova koštala bi desetke puta više da su napravljeni od prirodnog proizvoda.
Često se aktivni peptidi u prirodi nalaze samo u nanogramskim količinama. Osim toga, metode za pročišćavanje i izolaciju peptida iz prirodnih izvora ne mogu u potpunosti odvojiti željenu aminokiselinsku sekvencu od peptida suprotnog ili drugačijeg učinka. A u slučaju specifičnih peptida koje sintetizira ljudsko tijelo, oni se mogu dobiti samo sintezom u laboratorijskim uvjetima.
57. Podjela proteina: jednostavni i složeni, globularni i fibrilarni, monomerni i oligomerni. Funkcije proteina u tijelu.
Klasifikacija prema vrsti strukture
Po opći tip Struktura proteina može se podijeliti u tri skupine:
1. Fibrilarni proteini - tvore polimere, njihova struktura je obično vrlo pravilna i održava se uglavnom interakcijama između različitih lanaca. Oni tvore mikrofilamente, mikrotubule, fibrile i podržavaju strukturu stanica i tkiva. Fibrilarni proteini uključuju keratin i kolagen.
2. Globularni proteini su topljivi u vodi, opći oblik molekule je više ili manje sferičan.
3. Membranski proteini – imaju domene koje prelaze staničnu membranu, ali njihovi dijelovi strše iz membrane u međustanični okoliš i citoplazmu stanice. Membranski proteini djeluju kao receptori, odnosno prenose signale i osiguravaju transmembranski transport razne tvari. Proteini prijenosnici su specifični, svaki od njih propušta samo određene molekule ili određenu vrstu signala kroz membranu.
Jednostavni proteini , Složeni proteini
Osim peptidnih lanaca, mnogi proteini sadrže i neaminokiselinske skupine, pa se prema tom kriteriju proteini dijele u dvije velike skupine - jednostavnih i složenih proteina(proteidi). Jednostavni proteini sastoje se samo od polipeptidnih lanaca; složeni proteini također sadrže neaminokiselinske ili prostetičke skupine.
Jednostavan.
Među globularnim proteinima razlikujemo:
1. albumini - topljivi u vodi u širokom rasponu pH (od 4 do 8,5), istaloženi sa 70-100% otopinom amonijevog sulfata;
2. polifunkcionalni globulini veće molekulske mase, slabije topljivi u vodi, topljivi u slanim otopinama, često sadrže ugljikohidratni dio;
3. histoni su proteini niske molekulske mase s visokim sadržajem ostataka arginina i lizina u molekuli, što određuje njihova osnovna svojstva;
4. protamini se razlikuju po još većem sadržaju arginina (do 85%), kao i histoni, tvore stabilne suradnike s nukleinske kiseline, djeluju kao regulatorni i represorski proteini - komponenta nukleoproteini;
5. prolamini se odlikuju visokim sadržajem glutaminske kiseline (30-45%) i prolina (do 15%), netopljivi u vodi, topljivi u 50-90% etanolu;
6. Glutelini sadrže oko 45% glutaminske kiseline, poput prolamina, a često se nalaze u proteinima žitarica.
Fibrilarne proteine karakterizira vlaknasta struktura i praktički su netopivi u vodi i slanim otopinama. Polipeptidni lanci u molekulama su međusobno paralelni. Sudjeluju u stvaranju strukturnih elemenata vezivnog tkiva (kolagena, keratina, elastina).
Složeni proteini
(proteidi, holoproteini) su dvokomponentni proteini koji osim peptidnih lanaca (jednostavni protein) sadrže i neaminokiselinsku komponentu – prostetičku skupinu. Prilikom hidrolizacije složenih proteina, osim aminokiselina, oslobađa se neproteinski dio ili njegovi produkti razgradnje.
Razne organske (lipidi, ugljikohidrati) i anorganske (metali) tvari mogu djelovati kao prostetička skupina.
Ovisno o kemijske prirode Među složenim proteinima razlikuju se sljedeće klase protetskih skupina:
· Glikoproteini koji sadrže kovalentno vezane ugljikohidratne ostatke kao prostetičku skupinu i njihovu podklasu - proteoglikane, s mukopolisaharidnim prostetskim skupinama. Hidroksilne skupine serina ili treonina obično sudjeluju u stvaranju veza s ostacima ugljikohidrata. Većina izvanstaničnih proteina, posebice imunoglobulina, su glikoproteini. Ugljikohidratni udio proteoglikana iznosi ~95%, oni su glavna komponenta međustaničnog matriksa.
· Lipoproteini koji sadrže nekovalentno vezane lipide kao protetski dio. Lipoproteine tvore proteini apolipoproteini koji na njih vežu lipide i obavljaju funkciju prijenosa lipida.
· Metaloproteini koji sadrže ne-hem koordinirane metalne ione. Među metaloproteinima postoje proteini koji obavljaju skladišne i transportne funkcije (na primjer, feritin i transferin koji sadrže željezo) i enzimi (na primjer, karboanhidraza koja sadrži cink i razne superoksidne dismutaze koje kao aktivna središta sadrže ione bakra, mangana, željeza i drugih metala )
· Nukleoproteini koji sadrže nekovalentno vezanu DNA ili RNA, posebno kromatin, koji čini kromosome, je nukleoprotein.
Fosfoproteini koji sadrže kovalentno povezane ostatke kao prostetičku skupinu fosforna kiselina. Hidroksilne skupine serina ili treonina sudjeluju u stvaranju esterske veze s fosfatom, a kazein mlijeka posebno je fosfoprotein:
· Kromoproteini su skupni naziv za složene proteine s obojenim prostetičkim skupinama različite kemijske prirode. Tu spadaju mnogi proteini s porfirinskom prostetskom skupinom koja sadrži metal koji obavljaju različite funkcije - hemoproteini (proteini koji sadrže hem kao prostetičku skupinu - hemoglobin, citokromi itd.), klorofili; flavoproteini s flavinskom skupinom itd.
1. Strukturalna funkcija
2. Zaštitna funkcija
3. Regulatorna funkcija
4. Funkcija alarma
5. Transportna funkcija
6. Rezervna (rezervna) funkcija
7. Funkcija receptora
8. Motorna (motorna) funkcija
Postoje četiri razine strukturna organizacija proteini: primarni, sekundarni, tercijarni i kvartarni. Svaka razina ima svoje karakteristike.
Primarna struktura proteina je linearni polipeptidni lanac aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Primarna struktura je najjednostavnija razina strukturne organizacije proteinske molekule. Visoku stabilnost daju mu kovalentne peptidne veze između α-amino skupine jedne aminokiseline i α-karboksilne skupine druge aminokiseline. [pokazati] .
Ako je imino skupina prolina ili hidroksiprolina uključena u stvaranje peptidne veze, tada ima drugačiji oblik [pokazati] .
Tijekom obrazovanja peptidne veze U stanicama se najprije aktivira karboksilna skupina jedne aminokiseline, a zatim se spaja s amino skupinom druge. Laboratorijska sinteza polipeptida provodi se približno na isti način.
Peptidna veza je ponavljajući fragment polipeptidnog lanca. Ima niz značajki koje utječu ne samo na oblik primarne strukture, već i na više razine organizacije polipeptidnog lanca:
- koplanarnost - svi atomi uključeni u peptidnu skupinu nalaze se u istoj ravnini;
- sposobnost postojanja u dva rezonantna oblika (keto ili enolni oblik);
- trans položaj supstituenata u odnosu na C-N vezu;
- sposobnost stvaranja vodikovih veza, a svaka od peptidnih skupina može tvoriti dvije vodikove veze s drugim skupinama, uključujući i peptidne.
Izuzetak su peptidne skupine koje uključuju amino skupinu prolina ili hidroksiprolina. Oni mogu formirati samo jednu vodikovu vezu (vidi gore). To utječe na stvaranje sekundarne strukture proteina. Polipeptidni lanac u području gdje se nalazi prolin ili hidroksiprolin lako se savija, jer ga ne drži, kao obično, druga vodikova veza.
Nomenklatura peptida i polipeptida . Naziv peptida sastoji se od naziva njihovih sastavnih aminokiselina. Dvije aminokiseline čine dipeptid, tri čine tripeptid, četiri čine tetrapeptid, itd. Svaki peptid ili polipeptidni lanac bilo koje duljine ima N-terminalnu aminokiselinu koja sadrži slobodnu amino skupinu i C-terminalnu aminokiselinu koja sadrži slobodni karboksil skupina. Prilikom imenovanja polipeptida, sve aminokiseline se navode redom, počevši od N-terminalne, zamjenjujući u njihovim nazivima, osim C-terminalne, nastavak -in sa -il (budući da aminokiseline u peptidima više nemaju karboksilna skupina, ali karbonilna). Na primjer, naziv prikazan na Sl. 1 tripeptid - leuk mulj fenilalana mulj treon u.
Značajke primarne strukture proteina . U okosnici polipeptidnog lanca, krute strukture (ravne peptidne skupine) izmjenjuju se s relativno pokretljivim regijama (-CHR), koje su sposobne rotirati oko veza. Takve strukturne značajke polipeptidnog lanca utječu na njegov prostorni raspored.
Sekundarna struktura je način savijanja polipeptidnog lanca u uređenu strukturu zbog stvaranja vodikovih veza između peptidnih skupina istog lanca ili susjednih polipeptidnih lanaca. Prema konfiguraciji sekundarne strukture dijele se na spiralne (α-heliks) i slojevito-nabrane (β-struktura i križni β-oblik).
α-Heliks. Ovo je vrsta sekundarne strukture proteina koja izgleda kao pravilna spirala, formirana zbog interpeptidnih vodikovih veza unutar jednog polipeptidnog lanca. Model strukture α-heliksa (slika 2), koji uzima u obzir sva svojstva peptidne veze, predložili su Pauling i Corey. Glavne karakteristike α-heliksa:
- spiralna konfiguracija polipeptidnog lanca koja ima spiralnu simetriju;
- stvaranje vodikovih veza između peptidnih skupina svakog prvog i četvrtog aminokiselinskog ostatka;
- pravilnost spiralnih zavoja;
- ekvivalentnost svih aminokiselinskih ostataka u α-heliksu, bez obzira na strukturu njihovih bočnih radikala;
- bočni radikali aminokiselina ne sudjeluju u stvaranju α-heliksa.
Izvana, α-heliks izgleda kao blago rastegnuta spirala električnog štednjaka. Pravilnost vodikovih veza između prve i četvrte peptidne skupine određuje pravilnost zavoja polipeptidnog lanca. Visina jednog zavoja, odnosno uspon α-heliksa je 0,54 nm; uključuje 3,6 aminokiselinskih ostataka, tj. svaki se aminokiselinski ostatak pomiče duž osi (visine jednog aminokiselinskog ostatka) za 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), što nam omogućuje govoriti o ekvivalentnosti svih aminokiselinskih ostataka u α-heliksu. Period regularnosti α-heliksa je 5 zavoja ili 18 aminokiselinskih ostataka; duljina jedne periode je 2,7 nm. Riža. 3. Pauling-Coreyjev model a-heliksa
β-Struktura. Ovo je vrsta sekundarne strukture koja ima blago zakrivljenu konfiguraciju polipeptidnog lanca i formirana je interpeptidnim vodikovim vezama unutar pojedinačnih dijelova jednog polipeptidnog lanca ili susjednih polipeptidnih lanaca. Također se naziva slojevito-naborana struktura. Postoje različite β-strukture. Ograničena slojevita područja koja formira jedan polipeptidni lanac proteina nazivaju se križni β oblik (kratka β struktura). Između peptidnih skupina petlji polipeptidnog lanca stvaraju se vodikove veze u križnom β obliku. Drugi tip - potpuna β-struktura - karakterističan je za cijeli polipeptidni lanac, koji ima duguljasti oblik i drži se interpeptidnim vodikovim vezama između susjednih paralelnih polipeptidnih lanaca (slika 3). Ova struktura podsjeća na mijeh harmonike. Štoviše, moguće su varijante β-struktura: mogu se formirati od paralelnih lanaca (N-terminalni krajevi polipeptidnih lanaca usmjereni su u istom smjeru) i antiparalelni (N-terminalni krajevi su usmjereni u različitim smjerovima). Bočni radikali jednog sloja smješteni su između bočnih radikala drugog sloja.
U proteinima su prijelazi iz α-struktura u β-strukture i natrag mogući zbog preuređivanja vodikovih veza. Umjesto pravilnih interpeptidnih vodikovih veza duž lanca (zahvaljujući kojima je polipeptidni lanac upleten u spiralu), spiralni dijelovi se odmotavaju i vodikove veze zatvaraju između izduženih fragmenata polipeptidnih lanaca. Taj se prijelaz nalazi u keratinu, proteinu kose. Prilikom pranja kose alkalnim deterdžentima, spiralna struktura β-keratina se lako uništi i on se pretvara u α-keratin (kovrčava kosa se izravnava).
Razaranje pravilnih sekundarnih struktura proteina (α-spirala i β-struktura), analogno taljenju kristala, naziva se "taljenje" polipeptida. U tom se slučaju vodikove veze prekidaju, a polipeptidni lanci poprimaju oblik nasumičnog spleta. Posljedično, stabilnost sekundarnih struktura određena je interpeptidnim vodikovim vezama. Druge vrste veza u tome gotovo ne sudjeluju, s izuzetkom disulfidnih veza duž polipeptidnog lanca na mjestima cisteinskih ostataka. Kratki peptidi su zatvoreni u cikluse zbog disulfidnih veza. Mnogi proteini sadrže i α-spiralne regije i β-strukture. Gotovo da nema prirodnih proteina koji se sastoje od 100% α-heliksa (iznimka je paramiozin, mišićni protein koji se sastoji od 96-100% α-heliksa), dok sintetski polipeptidi imaju 100% helix.
Ostali proteini imaju različite stupnjeve umotanosti. Visoka učestalost α-spiralnih struktura opažena je u paramiozinu, mioglobinu i hemoglobinu. Nasuprot tome, u tripsinu, ribonukleazi, značajan dio polipeptidnog lanca je savijen u slojevite β-strukture. Proteini potpornih tkiva: keratin (protein dlake, vune), kolagen (protein tetiva, kože), fibroin (protein prirodne svile) imaju β-konfiguraciju polipeptidnih lanaca. Različiti stupnjevi spiralnosti polipeptidnih lanaca proteina ukazuju na to da, očito, postoje sile koje djelomično narušavaju spiralnost ili “prekidaju” pravilno savijanje polipeptidnog lanca. Razlog tome je kompaktnije uvijanje proteinskog polipeptidnog lanca u određenom volumenu, odnosno u tercijarnu strukturu.
Tercijarna struktura proteina
Tercijarna struktura proteina je način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u prostoru. Prema obliku svoje tercijarne strukture proteini se uglavnom dijele na globularne i fibrilarne. Globularni proteini najčešće imaju elipsoidni oblik, a fibrilarni (nitasti) proteini imaju izduženi oblik (štapić ili vretenasti oblik).
Međutim, konfiguracija tercijarne strukture proteina još ne daje razloga za mišljenje da fibrilarni proteini imaju samo β-strukturu, a globularni proteini imaju α-spiralnu strukturu. Postoje fibrilarni proteini koji imaju spiralnu, a ne slojevitu, naboranu sekundarnu strukturu. Na primjer, α-keratin i paramiozin (protein začepnog mišića mekušaca), tropomiozini (proteini skeletnih mišića) pripadaju fibrilarnim proteinima (imaju štapićasti oblik), a njihova sekundarna struktura je α-heliks; naprotiv, u globularnim proteinima može biti veliki brojβ-strukture.
Spiralizacija linearnog polipeptidnog lanca smanjuje njegovu veličinu za otprilike 4 puta; a pakiranje u tercijarnu strukturu čini ga desetke puta kompaktnijim od izvornog lanca.
Veze koje stabiliziraju tercijarnu strukturu proteina . Veze između bočnih radikala aminokiselina igraju ulogu u stabilizaciji tercijarne strukture. Ove veze se mogu podijeliti na:
- jak (kovalentan) [pokazati]
.
Kovalentne veze uključuju disulfidne veze (-S-S-) između bočnih radikala cisteina smještenih u različitim dijelovima polipeptidnog lanca; izopeptid, ili pseudopeptid, - između amino skupina sporednih radikala lizina, arginina, a ne α-amino skupina, i COOH skupina sporednih radikala asparaginske, glutaminske i aminolimunske kiseline, a ne α-karboksilnih skupina aminokiselina. Otuda i naziv ove vrste veze - peptidna. Rijetku estersku vezu tvore COOH skupina dikarboksilnih aminokiselina (asparaginska, glutaminska) i OH skupina hidroksiaminokiselina (serin, treonin).
- slab (polarni i van der Waalsov) [pokazati]
.
DO polarne veze uključuju vodikove i ionske. Vodikove veze, kao i obično, pojavljuju se između -NH 2 , -OH ili -SH skupine bočnog radikala jedne aminokiseline i karboksilne skupine druge. Ionske ili elektrostatske veze nastaju kada nabijene skupine bočnih radikala -NH + 3 (lizin, arginin, histidin) i -COO - (asparaginska i glutaminska kiselina) dođu u dodir.
Nepolarne ili van der Waalsove veze nastaju između ugljikovodičnih radikala aminokiselina. Hidrofobni radikali aminokiselina alanina, valina, izoleucina, metionina i fenilalanina međusobno djeluju u vodenom okruženju. Slabe van der Waalsove veze potiču stvaranje hidrofobne jezgre nepolarnih radikala unutar proteinske globule. Što je više nepolarnih aminokiselina, to velika uloga van der Waalsove veze imaju ulogu u savijanju polipeptidnog lanca.
Brojne veze između bočnih radikala aminokiselina određuju prostornu konfiguraciju proteinske molekule.
Značajke organizacije tercijarne strukture proteina . Konformacija tercijarne strukture polipeptidnog lanca određena je svojstvima bočnih radikala aminokiselina uključenih u njega (koji ne utječu na značajan utjecaj na formiranje primarnih i sekundarnih struktura) i mikrookoliša tj. okoliš. Kada se savije, polipeptidni lanac proteina nastoji poprimiti energetski povoljan oblik, karakteriziran minimalnom količinom slobodne energije. Stoga nepolarne R-skupine, "izbjegavajući" vodu, tvore, takoreći, unutarnji dio tercijarne strukture proteina, gdje se nalazi glavni dio hidrofobnih ostataka polipeptidnog lanca. U središtu proteinske globule gotovo da i nema molekula vode. Polarne (hidrofilne) R skupine aminokiseline nalaze se izvan ove hidrofobne jezgre i okružene su molekulama vode. Polipeptidni lanac je zamršeno savijen u trodimenzionalnom prostoru. Kada se savija, sekundarna spiralna konformacija je poremećena. Lanac „puca“ na slabim točkama gdje se nalaze prolin ili hidroksiprolin, budući da su ove aminokiseline pokretljivije u lancu, tvoreći samo jednu vodikovu vezu s drugim peptidnim skupinama. Drugo mjesto savijanja je glicin, koji ima malu R skupinu (vodik). Stoga, R-skupine drugih aminokiselina, kada su naslagane, nastoje zauzeti slobodan prostor na mjestu gdje se nalazi glicin. Brojne aminokiseline - alanin, leucin, glutamat, histidin - pridonose očuvanju stabilnih spiralnih struktura u proteinu, a poput metionina, valina, izoleucina, asparaginske kiseline pogoduju stvaranju β-struktura. U molekuli proteina s tercijarnom konfiguracijom postoje regije u obliku α-heliksa (helikalne), β-strukture (slojevite) i nasumične zavojnice. Samo pravilan prostorni raspored proteina čini ga aktivnim; njegovo kršenje dovodi do promjena u svojstvima proteina i gubitka biološke aktivnosti.
Kvartarna struktura proteina
Proteini koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca imaju samo tercijarnu strukturu. To uključuje mioglobin - protein mišićnog tkiva koji je uključen u vezanje kisika, niz enzima (lizozim, pepsin, tripsin itd.). Međutim, neki su proteini građeni od nekoliko polipeptidnih lanaca od kojih svaki ima tercijarnu strukturu. Za takve proteine uveden je koncept kvaternarne strukture, što je organizacija nekoliko polipeptidnih lanaca s tercijarnom strukturom u jednu funkcionalnu proteinsku molekulu. Takav protein s kvaternarnom strukturom naziva se oligomer, a njegovi polipeptidni lanci s tercijarnom strukturom nazivaju se protomeri ili podjedinice (slika 4).
Na kvaternarnoj razini organizacije proteini zadržavaju osnovnu konfiguraciju tercijarne strukture (globularnu ili fibrilarnu). Na primjer, hemoglobin je protein s kvaternarnom strukturom i sastoji se od četiri podjedinice. Svaka od podjedinica je globularni protein i, općenito, hemoglobin također ima globularnu konfiguraciju. Proteini dlake i vune – keratini, po tercijarnoj strukturi srodni fibrilarnim proteinima, imaju fibrilarnu konformaciju i kvaternarnu strukturu.
Stabilizacija kvaternarne strukture proteina . Svi proteini koji imaju kvaternarnu strukturu izolirani su u obliku pojedinačnih makromolekula koje se ne raspadaju na podjedinice. Kontakti između površina podjedinica mogući su samo zahvaljujući polarnim skupinama aminokiselinskih ostataka, budući da tijekom formiranja tercijarne strukture svakog od polipeptidnih lanaca, bočni radikali nepolarnih aminokiselina (koji čine većinu sve proteinogene aminokiseline) skrivene su unutar podjedinice. Između njihovih polarnih skupina stvaraju se brojne ionske (soli), vodikove, au nekim slučajevima i disulfidne veze koje čvrsto drže podjedinice u obliku organiziranog kompleksa. Upotreba tvari koje razbijaju vodikove veze ili tvari koje reduciraju disulfidne mostove uzrokuje dezagregaciju protomera i razaranje kvaternarne strukture proteina. U tablici 1 sažima podatke o vezama koje stabiliziraju različite razine organizacije proteinske molekule [pokazati] .
| Tablica 1. Karakteristike veza uključenih u strukturnu organizaciju proteina | ||
| Razina organizacije | Vrste veza (prema snazi) | Vrsta komunikacije |
| Primarni (linearni polipeptidni lanac) | Kovalentni (jaki) | Peptid – između α-amino i α-karboksilne skupine aminokiselina |
| Sekundarni (α-heliks, β-strukture) | Slab | Vodik - između peptidnih skupina (svake prve i četvrte) jednog polipeptidnog lanca ili između peptidnih skupina susjednih polipeptidnih lanaca |
| Kovalentni (jaki) | Disulfid - disulfidne petlje unutar linearne regije polipeptidnog lanca | |
| Tercijarni (globularni, fibrilarni) | Kovalentni (jaki) | Disulfid, izopeptid, ester - između bočnih radikala aminokiselina različitih dijelova polipeptidnog lanca |
| Slab | Vodik - između bočnih radikala aminokiselina različitih dijelova polipeptidnog lanca Ionski (sol) - između suprotno nabijenih skupina bočnih radikala aminokiselina polipeptidnog lanca Van der Waals - između nepolarnih bočnih radikala aminokiselina polipeptidnog lanca |
|
| Kvartar (globularni, fibrilarni) | Slab | Ionski - između suprotno nabijenih skupina bočnih radikala aminokiselina svake od podjedinica Vodik - između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka koji se nalaze na površini dodirnih područja podjedinica |
| Kovalentni (jaki) | Disulfid - između cisteinskih ostataka svake od dodirnih površina različitih podjedinica | |
Značajke strukturne organizacije nekih fibrilarnih proteina
Strukturna organizacija fibrilarnih proteina ima niz značajki u usporedbi s globularnim proteinima. Ove značajke mogu se vidjeti na primjeru keratina, fibroina i kolagena. Keratini postoje u α- i β-konformaciji. α-Keratini i fibroin imaju slojevito-naboranu sekundarnu strukturu, međutim, u keratinu su lanci paralelni, au fibroinu su antiparalelni (vidi sliku 3); Osim toga, keratin sadrži međulančane disulfidne veze, dok ih fibroin nema. Pucanje disulfidnih veza dovodi do odvajanja polipeptidnih lanaca u keratinima. Naprotiv, stvaranje maksimalnog broja disulfidnih veza u keratinima kroz izlaganje oksidirajućim sredstvima stvara snažnu prostornu strukturu. Općenito, kod fibrilarnih proteina, za razliku od globularnih proteina, ponekad je teško jasno razlikovati različite razine organizacije. Ako prihvatimo (kao i za globularni protein) da tercijarna struktura treba biti formirana polaganjem jednog polipeptidnog lanca u prostoru, a kvaternarna struktura s nekoliko lanaca, tada je u fibrilarnim proteinima nekoliko polipeptidnih lanaca uključeno već tijekom formiranja sekundarne strukture. . Tipičan primjer fibrilarnog proteina je kolagen, koji je jedan od najzastupljenijih proteina u ljudskom tijelu (oko 1/3 mase svih proteina). Nalazi se u tkivima koja imaju veliku čvrstoću i malu rastezljivost (kosti, tetive, koža, zubi itd.). U kolagenu, trećina aminokiselinskih ostataka je glicin, a oko četvrtina ili nešto više su prolin ili hidroksiprolin.
Izolirani polipeptidni lanac kolagena (primarna struktura) izgleda kao isprekidana linija. Sadrži oko 1000 aminokiselina i ima Molekularna težina oko 10 5 (slika 5, a, b). Polipeptidni lanac je izgrađen od ponavljajućeg tria aminokiselina (tripleta) sljedećeg sastava: gly-A-B, gdje su A i B bilo koje aminokiseline osim glicina (najčešće prolin i hidroksiprolin). Polipeptidni lanci kolagena (ili α-lanci) tijekom formiranja sekundarnih i tercijarnih struktura (slika 5, c i d) ne mogu proizvesti tipične α-spirale sa spiralnom simetrijom. Prolin, hidroksiprolin i glicin (antihelikalne aminokiseline) ometaju to. Stoga tri α-lanca tvore, takoreći, upletene spirale, poput tri niti koje se omotavaju oko cilindra. Tri spiralna α lanca tvore ponavljajuću strukturu kolagena nazvanu tropokolagen (Slika 5d). Tropokolagen je po svojoj organizaciji tercijarna struktura kolagena. Plosnati prstenovi prolina i hidroksiprolina koji se pravilno izmjenjuju duž lanca daju mu krutost, kao i međulančane veze između α-lanaca tropokolagena (zbog čega je kolagen otporan na istezanje). Tropokolagen je u biti podjedinica kolagenih fibrila. Polaganje tropokolagenskih podjedinica u kvaternarnu strukturu kolagena odvija se postupno (slika 5e).
Stabilizacija kolagenskih struktura događa se zahvaljujući međulančanim vodikovim, ionskim i van der Waalsovim vezama te malom broju kovalentnih veza.
α-lanci kolagena imaju različite kemijska struktura. Postoje α 1 lanci različiti tipovi(I, II, III, IV) i α 2 lanaca. Ovisno o tome koji α 1 - i α 2 -lanci sudjeluju u formiranju trolančane spirale tropokolagena, razlikuju se četiri vrste kolagena:
- prvi tip - dva α 1 (I) i jedan α 2 lanac;
- drugi tip - tri α 1 (II) lanca;
- treći tip - tri α 1 (III) lanca;
- četvrti tip - tri α 1 (IV) lanca.
Najčešći kolagen je prvi tip: nalazi se u koštanom tkivu, koži, tetivama; kolagen tipa 2 nalazi se u tkivu hrskavice itd. Jedna vrsta tkiva može sadržavati različite vrste kolagena.
Uređena agregacija kolagenih struktura, njihova krutost i inertnost osiguravaju visoku čvrstoću kolagenih vlakana. Proteini kolagena također sadrže komponente ugljikohidrata, tj. oni su proteinsko-ugljikohidratni kompleksi.
Kolagen je izvanstanični protein kojeg tvore stanice vezivnog tkiva koje se nalaze u svim organima. Stoga, s oštećenjem kolagena (ili poremećajem njegovog stvaranja), dolazi do višestrukih kršenja potpornih funkcija vezivnog tkiva organa.
| Stranica 3 | ukupno stranica: 7 |
Sekundarna struktura je način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u uređenu strukturu. Sekundarna struktura određena je primarnom strukturom. Budući da je primarna struktura genetski određena, može doći do stvaranja sekundarne strukture kada polipeptidni lanac napusti ribosom. Sekundarna struktura je stabilizirana vodikove veze, koji nastaju između NH i CO skupina peptidnih veza.
razlikovati a-heliks, b-struktura i poremećena konformacija (klupko).
Struktura α-spiralice je predloženo Pauling I Corey(1951). Ovo je vrsta sekundarne strukture proteina koja izgleda kao pravilna spirala (slika 2.2). α-heliks je štapićasta struktura u kojoj se peptidne veze nalaze unutar spirale, a radikali aminokiselina bočnog lanca nalaze se izvana. A-heliks je stabiliziran vodikovim vezama, koje su paralelne s osi heliksa i javljaju se između prvog i petog aminokiselinskog ostatka. Dakle, u proširenim spiralnim regijama, svaki aminokiselinski ostatak sudjeluje u formiranju dviju vodikovih veza.
Riža. 2.2. Struktura α-heliksa.
Postoji 3,6 aminokiselinskih ostataka po zavoju spirale, korak spirale je 0,54 nm, a postoji 0,15 nm po aminokiselinskom ostatku. Kut zavojnice je 26°. Period regularnosti a-heliksa je 5 zavoja ili 18 aminokiselinskih ostataka. Najčešći su desni a-spirali, t.j. Spirala se okreće u smjeru kazaljke na satu. Stvaranje a-heliksa sprječavaju prolin, aminokiseline s nabijenim i glomaznim radikalima (elektrostatske i mehaničke prepreke).
Još jedan spiralni oblik prisutan je u kolagena . U tijelu sisavaca kolagen je kvantitativno dominantan protein: čini 25% ukupne bjelančevine. Kolagen je prisutan u različitim oblicima, prvenstveno u vezivnom tkivu. To je lijeva zavojnica s korakom od 0,96 nm i 3,3 ostatka po zavoju, ravnija od α-zavojnice. Za razliku od α-heliksa, ovdje je nemoguće stvaranje vodikovih mostova. Kolagen ima neobičan aminokiselinski sastav: 1/3 je glicin, približno 10% prolin, kao i hidroksiprolin i hidroksilizin. Posljednje dvije aminokiseline nastaju nakon biosinteze kolagena posttranslacijskom modifikacijom. U strukturi kolagena stalno se ponavlja triplet gly-X-Y, pri čemu je položaj X često zauzet prolinom, a položaj Y hidroksilizinom. Postoje dobri dokazi da je kolagen sveprisutno prisutan kao desna trostruka spirala uvijena od tri primarne lijeve spirale. U trostrukoj spirali svaki treći ostatak završava u središtu, gdje, iz prostornih razloga, stane samo glicin. Cijela molekula kolagena duga je oko 300 nm.
b-Struktura(b-presavijeni sloj). Nalazi se u globularnim proteinima, kao iu nekim fibrilarnim proteinima, na primjer, svileni fibroin (slika 2.3).
Riža. 2.3. b-Struktura
Struktura ima ravnog oblika. Polipeptidni lanci su gotovo potpuno izduženi, a ne čvrsto upleteni, kao u a-heliksu. Plohe peptidnih veza smještene su u prostoru poput jednolikih nabora lista papira. Stabiliziran je vodikovim vezama između CO i NH skupina peptidnih veza susjednih polipeptidnih lanaca. Ako polipeptidni lanci koji tvore b-strukturu idu u istom smjeru (tj. C- i N-završeci se podudaraju) – paralelna b-struktura; ako je suprotno - antiparalelna b-struktura. Bočni radikali jednog sloja smješteni su između bočnih radikala drugog sloja. Ako se jedan polipeptidni lanac savija i ide paralelno sa samim sobom, onda ovo antiparalelna b-križna struktura. Vodikove veze u b-križnoj strukturi stvaraju se između peptidnih skupina petlji polipeptidnog lanca.
Sadržaj a-spirala u do sada proučavanim proteinima vrlo je varijabilan. U nekim proteinima, na primjer, mioglobinu i hemoglobinu, a-heliks je u osnovi strukture i čini 75%, u lizozimu - 42%, u pepsinu samo 30%. Drugi proteini, na primjer, probavni enzim kimotripsin, praktički su lišeni a-spiralne strukture i značajan dio polipeptidnog lanca uklapa se u slojevitu b-strukturu. Proteini potpornog tkiva kolagen (protein tetive i kože), fibroin (protein prirodne svile) imaju b-konfiguraciju polipeptidnih lanaca.
Dokazano je da stvaranje α-heliksa olakšavaju glu, ala, leu, a β-strukture met, val, ile; na mjestima gdje se polipeptidni lanac savija - gly, pro, asn. Vjeruje se da se šest grupiranih ostataka, od kojih četiri doprinose stvaranju spirale, može smatrati središtem spiralizacije. Iz ovog centra dolazi do rasta spirala u oba smjera do dijela - tetrapeptida, koji se sastoji od ostataka koji sprječavaju stvaranje ovih spirala. Tijekom formiranja β-strukture, ulogu početnica imaju tri od pet aminokiselinskih ostataka koji doprinose stvaranju β-strukture.
U većini strukturnih proteina prevladava jedna od sekundarnih struktura, što je određeno njihovim aminokiselinskim sastavom. Strukturni protein izgrađen prvenstveno u obliku α-heliksa je α-keratin. Životinjska dlaka (krzno), perje, perje, pandže i kopita sastoje se prvenstveno od keratina. Kao sastavni dio intermedijarnih filamenata, keratin (citokeratin) je bitna komponenta citoskeleta. U keratinima, većina peptidnog lanca je savijena u desnu α-heliks. Dva peptidna lanca tvore jednu lijevu super spirala. Supersmotani dimeri keratina spajaju se u tetramere, koji se agregiraju i formiraju protofibrile promjera 3 nm. Na kraju nastaje osam protofibrila mikrofibrila promjera 10 nm.
Kosa je građena od istih fibrila. Tako su u jednom vunenom vlaknu promjera 20 mikrona isprepleteni milijuni fibrila. Pojedini lanci keratina umreženi su brojnim disulfidnim vezama što im daje dodatnu čvrstoću. Tijekom trajne odvijaju se sljedeći procesi: prvo se redukcijom tiolima uništavaju disulfidni mostovi, a zatim se, kako bi kosa dobila željeni oblik, suši zagrijavanjem. Istodobno, oksidacijom kisikom iz zraka nastaju novi disulfidni mostovi koji zadržavaju oblik frizure.
Svila se dobiva iz čahura gusjenica dudovog svilca ( 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 naboranim strukturama bočni lanci aminokiselinskih ostataka usmjereni okomito gore i dolje, samo kompaktne skupine mogu stati u prostore između pojedinačnih slojeva. Naime, fibroin se sastoji od 80% glicina, alanina i serina, tj. tri aminokiseline karakterizirane minimalne veličine bočni lanci. Molekula 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 neuređena.
Suprasekundarna struktura. Alfa spiralne i beta strukturne regije u proteinima mogu djelovati jedna s drugom i jedna s drugom, tvoreći sklopove. Supras-sekundarne strukture koje se nalaze u prirodnim proteinima su energetski najpoželjnije. To uključuje superzavojnicu α-heliksa, u kojoj su dvije α-heliksa upletene jedna u odnosu na drugu, tvoreći lijevu superheliks (bakteriorodopsin, hemeritrin); izmjenični α-spiralni 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 kralježnjaka.
Konformacija je prostorni raspored u organskoj molekuli supstituentskih skupina koje mogu slobodno mijenjati svoj položaj u prostoru bez kidanja veza, zbog slobodne rotacije oko jednostrukih ugljikovih veza.
Postoje 2 vrste sekundarne strukture proteina:
- 1. b-zavojnica
- 2. c-sklapanje.
Sekundarna struktura je stabilizirana vodikovim vezama. Vodikove veze nastaju između atoma vodika u NH skupini i karboksilnog kisika.
Karakteristike b-heliksa.
B-heliks je stabiliziran vodikovim vezama koje se javljaju između svake prve i četvrte aminokiseline. Korak spirale uključuje 3,6 aminokiselinskih ostataka.
Stvaranje b-heliksa događa se u smjeru kazaljke na satu (desna spirala), budući da se prirodni proteini sastoje od L-aminokiselina.
Svaki protein karakterizira vlastiti stupanj spiralnosti polipeptidnog lanca. Spiralni dijelovi izmjenjuju se s linearnim. U molekuli hemoglobina b i b lanci su spiralni za 75%, u lizozimu - 42%, u pepsinu - 30%.
Stupanj spiralizacije ovisi o primarnoj strukturi proteina.
B-heliks se formira spontano i najstabilnija je konformacija polipeptidnog lanca, koja odgovara minimalnoj slobodnoj energiji.
Sve peptidne skupine sudjeluju u stvaranju vodikovih veza. Ovo osigurava maksimalnu stabilnost b-heliksa.
Budući da sve hidrofilne skupine peptidne okosnice obično sudjeluju u stvaranju vodikovih veza, povećava se hidrofobnost alfa spirala.
Radikali aminokiselina nalaze se na vanjskoj strani alfa spirala i usmjereni su od peptidne okosnice. Oni ne sudjeluju u stvaranju vodikovih veza i karakteristični su za sekundarnu strukturu, ali neki od njih mogu poremetiti stvaranje alfa spirala:
Prolin. Njegov atom dušika dio je krutog prstena, što eliminira mogućnost rotacije oko N-CH veza. Osim toga, atom dušika prolina koji tvori vezu s drugom aminokiselinom nema vodik. Kao rezultat toga, prolin ne može stvoriti vodikovu vezu i struktura alfa spirala je poremećena. To je obično mjesto gdje dolazi do petlje ili zavoja.
Područja u kojima se uzastopno nalazi nekoliko identično nabijenih radikala između kojih nastaju elektrostatske odbojne sile.
Područja s usko raspoređenim glomaznim radikalima koji mehanički ometaju stvaranje alfa spirala, na primjer metionin, triptofan.
Aminokiselina prolin sprječava spiralizaciju proteinske molekule.
c-savijanje 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 podudaraju, pojavljuje se struktura paralelnog β-nabranog sloja.
β-savijanje karakteriziraju vodikove veze unutar jednog polipeptidnog lanca ili složenih polipeptidnih lanaca.
U proteinima su mogući prijelazi s b-heliksa na b-nabor i natrag zbog preuređivanja vodikovih veza.
B-preklop 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 proteinskoj molekuli postoje jake (kovalentne) veze, ali i slabe, što osigurava stabilnost molekule s jedne strane, i labilnost s druge strane.
