Пептидната връзка е ковалентна по своя химичен характер и придава висока якост на първичната структура на протеиновата молекула. Бидейки повтарящ се елемент от полипептидната верига и притежаващ специфични структурни характеристики, пептидната връзка засяга не само формата на първичната структура, но и по-високите нива на организация на полипептидната верига.
Голям принос в изследването на структурата на протеиновата молекула направиха Л. Полинг и Р. Кори. Обръщайки внимание на факта, че протеиновата молекула има най-много пептидни връзки, те бяха първите, които проведоха старателни рентгенови дифракционни изследвания на тази връзка. Изследвахме дължините на връзките, ъглите, под които са разположени атомите, посоката на разположение на атомите спрямо връзката. Въз основа на изследването са установени следните основни характеристики на пептидната връзка.
1. Четири атома на пептидната връзка (C, O, N, H) и два прикрепени
а-въглеродните атоми лежат в една и съща равнина. R и H групите на a-въглеродни атоми лежат извън тази равнина.
2. О и Н атомите на пептидната връзка и два а-въглеродни атома, както и R-групите, имат транс ориентация спрямо пептидната връзка.
3. Дължината на C–N връзката от 1,32 Å е междинна между дължината на двойна ковалентна връзка (1,21 Å) и единична ковалентна връзка (1,47 Å). От това следва, че C–N връзката има частично ненаситен характер. Това създава предпоставки за осъществяване на тавтомерни пренареждания на мястото на двойната връзка с образуването на енолната форма, т.е. пептидната връзка може да съществува в кето-енолна форма.
Въртенето около –C=N– връзката е трудно и всички атоми в пептидната група имат равнинна транс конфигурация. Цис конфигурацията е енергийно по-малко благоприятна и се среща само в някои циклични пептиди. Всеки планарен пептиден фрагмент съдържа две връзки към въртящи се а-въглеродни атоми.
Съществува много тясна връзка между първичната структура на протеина и неговата функция в даден организъм. За да може един протеин да изпълнява своята характерна функция, е необходима напълно специфична последователност от аминокиселини в полипептидната верига на този протеин. Тази специфична аминокиселинна последователност, качествен и количествен състав е генетично фиксиран (ДНК → РНК → протеин). Всеки протеин се характеризира с определена последователност от аминокиселини, заместването на поне една аминокиселина в протеина води не само до структурни пренареждания, но и до промени във физикохимичните свойства и биологичните функции. Съществуващата първична структура предопределя последващите (вторични, третични, кватернерни) структури. Например, еритроцитите на здрави хора съдържат протеин - хемоглобин с определена последователност от аминокиселини. Малка част от хората имат вродена аномалия в структурата на хемоглобина: техните еритроцити съдържат хемоглобин, който в една позиция вместо глутаминова киселина (заредена, полярна) съдържа аминокиселината валин (хидрофобна, неполярна). Такъв хемоглобин значително се различава по физикохимични и биологични свойства от нормалния. Появата на хидрофобна аминокиселина води до появата на "лепкав" хидрофобен контакт (еритроцитите не се движат добре в кръвоносните съдове), до промяна на формата на еритроцита (от двойно вдлъбната форма до форма на полумесец), както и до влошаване на преноса на кислород и др. Децата, родени с тази аномалия, умират в ранна детска възраст от сърповидно-клетъчна анемия.
Изчерпателни доказателства в полза на твърдението, че биологичната активност се определя от аминокиселинната последователност, са получени след изкуствен синтез на ензима рибонуклеаза (Merrifield). Синтезираният полипептид със същата аминокиселинна последователност като естествения ензим има същата ензимна активност.
Изследванията от последните десетилетия показват, че първичната структура е фиксирана генетично, т.е. последователността на аминокиселините в полипептидната верига се определя от генетичния код на ДНК и от своя страна определя вторичната, третичната и кватернерната структура на протеиновата молекула и нейната обща конформация. Първият протеин, чиято първична структура е установена, е протеиновият хормон инсулин (съдържа 51 аминокиселини). Това е направено през 1953 г. от Фредерик Сангер. Към днешна дата е дешифрирана първичната структура на повече от десет хиляди протеини, но това е много малък брой, като се има предвид, че в природата има около 10 12 протеина. В резултат на свободно въртене полипептидните вериги могат да се усукват (сгъват) в различни структури.
вторична структура.Вторичната структура на протеиновата молекула се разбира като начин за полагане на полипептидна верига в пространството. Вторичната структура на протеиновата молекула се формира в резултат на един или друг вид свободно въртене около връзките, свързващи а-въглеродни атоми в полипептидна верига.В резултат на това свободно въртене полипептидните вериги могат да се усукват (сгъват) в пространството в различни структури.
Три основни вида структура са открити в естествените полипептидни вериги:
- а-спирала;
- β-структура (сгънат лист);
- статистическа плетеница.
Най-вероятният тип структура на глобуларните протеини се счита за α-спиралаУсукването става по посока на часовниковата стрелка (дясна спирала), което се дължи на L-аминокиселинния състав на естествените протеини. Движещата сила в възникването α-спиралие способността на аминокиселините да образуват водородни връзки. R-групите на аминокиселините са насочени навън от централната ос а-спирали. >С=О и >N–Н диполи на съседни пептидни връзки са оптимално ориентирани за диполно взаимодействие, което води до образуването на обширна система от вътрешномолекулни кооперативни водородни връзки, стабилизиращи а-спиралата.
Стъпка на спиралата (един пълен оборот) 5,4Å включва 3,6 аминокиселинни остатъка.
Фигура 2 - Структура и параметри на а-спиралата на протеина
Всеки протеин се характеризира с определена степен на спирализиране на неговата полипептидна верига.
Спиралната структура може да бъде нарушена от два фактора:
1) в присъствието на пролинов остатък във веригата, чиято циклична структура въвежда пречупване в полипептидната верига - няма –NH 2 група, поради което образуването на вътреверижна водородна връзка е невъзможно;
2) ако в полипептидната верига има много аминокиселинни остатъци подред, които имат положителен заряд (лизин, аргинин) или отрицателен заряд (глутаминова, аспарагинова киселина), в този случай силното взаимно отблъскване на еднакво заредени групи (-COO - или -NH 3 +) значително надвишава стабилизиращия ефект на водородните връзки в а-спирали.
Друг вид конфигурация на полипептидна верига, открита в косата, коприната, мускулите и други фибриларни протеини, се нарича β структуриили сгънат лист. Структурата на сгънатия лист също се стабилизира от водородни връзки между същите диполи –NH...... O=C<. Однако в этом случае возникает совершенно иная структура, при которой остов полипептидной цепи вытянут таким образом, что имеет зигзагообразную структуру. Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т.е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные
идентично насочени полипептидни вериги или антипаралелни,
които са подсилени от водородни връзки между тези вериги. Такива структури се наричат b-сгънати листове (Фигура 2).
Фигура 3 - b-структура на полипептидни вериги
a-Helix и сгънатите листове са подредени структури, те имат правилно подреждане на аминокиселинните остатъци в пространството. Някои участъци от полипептидната верига нямат регулярна периодична пространствена организация, те се означават като случайни или статистическа плетеница.
Всички тези структури възникват спонтанно и автоматично поради факта, че даден полипептид има специфична аминокиселинна последователност, която е генетично предопределена. a-спиралите и b-структурите определят определена способност на протеините да изпълняват специфични биологични функции. И така, а-спиралната структура (а-кератин) е добре приспособена за образуване на външни защитни структури - пера, коса, рога, копита. B-структурата допринася за образуването на гъвкава и неразтеглива коприна и паяжини, а конформацията на колагеновия протеин осигурява високата якост на опън, необходима за сухожилията. Наличието само на а-спирали или b-структури е типично за нишковидните (фибриларни) протеини. В състава на глобуларните (сферични) протеини съдържанието на a-спирали и b-структури и безструктурни области варира значително. Например: спираловиден инсулин 60%, ензим рибонуклеаза - 57%, протеин от пилешко яйце лизозим - 40%.
Третична структура.Под третичната структура разбирайте начина на полагане на полипептидната верига в пространството в определен обем.
Третичната структура на протеините се формира чрез допълнително нагъване на пептидната верига, съдържаща a-спирала, b-структури и произволни спираловидни области. Третичната структура на протеина се формира напълно автоматично, спонтанно и напълно предопределена от първичната структура и е пряко свързана с формата на протеиновата молекула, която може да бъде различна: от сферична до нишковидна. Формата на протеиновата молекула се характеризира с такъв показател като степента на асиметрия (съотношението на дългата ос към късата). При фибриларенили нишковидни протеини, степента на асиметрия е по-голяма от 80. Когато степента на асиметрия е по-малка от 80, протеините се класифицират като кълбовиден. Повечето от тях имат степен на асиметрия 3-5, т.е. третичната структура се характеризира с доста плътно опаковане на полипептидната верига, доближаваща се до формата на топка.
По време на образуването на глобуларни протеини неполярните хидрофобни радикали на аминокиселините се групират вътре в протеиновата молекула, докато полярните радикали са ориентирани към водата. В даден момент възниква термодинамично най-благоприятната стабилна конформация на молекулата, глобулата. В тази форма протеиновата молекула се характеризира с минимална свободна енергия. Конформацията на получената глобула се влияе от фактори като рН на разтвора, йонната сила на разтвора, както и взаимодействието на протеиновите молекули с други вещества.
Основната движеща сила при възникването на триизмерна структура е взаимодействието на аминокиселинните радикали с водните молекули.
фибриларни протеини.При образуване на третична структура те не образуват глобули - полипептидните им вериги не се нагъват, а остават удължени под формата на линейни вериги, групиращи се във фибрилни влакна.
рисуване – Структурата на колагеновия фибрил (фрагмент).
Наскоро се появиха доказателства, че процесът на формиране на третичната структура не е автоматичен, а се регулира и контролира от специални молекулярни механизми. В този процес участват специфични протеини - шаперони. Основните им функции са способността да предотвратяват образуването на неспецифични (хаотични) произволни намотки от полипептидната верига и да осигуряват тяхното доставяне (транспорт) до субклетъчни мишени, създавайки условия за завършване на сгъването на протеиновата молекула.
Стабилизирането на третичната структура се осигурява от нековалентни взаимодействия между атомните групи на страничните радикали.
Фигура 4 - Видове връзки, които стабилизират третичната структура на протеина
а) електростатични силипривличане между радикали, носещи противоположно заредени йонни групи (йон-йонни взаимодействия), например, отрицателно заредена карбоксилна група (- COO -) на аспарагинова киселина и (NH 3 +) положително заредена е-амино група на лизинов остатък.
б) водородни връзкимежду функционалните групи на страничните радикали. Например между ОН групата на тирозина и карбоксилния кислород на аспарагиновата киселина
V) хидрофобни взаимодействияпоради ван дер ваалсовите сили между неполярните аминокиселинни радикали. (Например групи
-CH3 - аланин, валин и др.
G) дипол-диполни взаимодействия
д) дисулфидни връзки(–S–S–) между цистеиновите остатъци. Тази връзка е много силна и не присъства във всички протеини. Тази връзка играе важна роля в протеиновите вещества на зърното и брашното, т.к. влияе върху качеството на глутена, структурно-механичните свойства на тестото и съответно върху качеството на готовия продукт – хляб и др.
Белтъчната глобула не е абсолютно твърда структура: в определени граници са възможни обратими движения на части от пептидната верига една спрямо друга с разрушаването на малък брой слаби връзки и образуването на нови. Молекулата като че ли диша, пулсира в различните си части. Тези пулсации не нарушават основния конформационен план на молекулата, точно както топлинните вибрации на атомите в кристала не променят структурата на кристала, освен ако температурата не е толкова висока, че настъпва топене.
Едва след като една протеинова молекула придобие естествена, естествена третична структура, тя проявява своята специфична функционална активност: каталитична, хормонална, антигенна и др. По време на формирането на третичната структура се образуват активни центрове на ензими, центрове, отговорни за включването на протеина в мултиензимния комплекс, центрове, отговорни за самосглобяването на надмолекулни структури. Следователно всяко въздействие (термично, физично, механично, химично), което води до разрушаване на тази естествена конформация на протеина (разкъсване на връзки), е придружено от частична или пълна загуба на неговите биологични свойства от протеина.
Изследването на пълните химични структури на някои протеини показа, че в тяхната третична структура се разкриват зони, където са концентрирани хидрофобните радикали на аминокиселините, а полипептидната верига всъщност е обвита около хидрофобното ядро. Освен това, в някои случаи две или дори три хидрофобни ядра са изолирани в протеинова молекула, което води до 2 или 3 ядрена структура. Този тип молекулна структура е характерна за много протеини с каталитична функция (рибонуклеаза, лизозим и др.). Отделна част или област от протеинова молекула, която има определена степен на структурна и функционална автономност, се нарича домейн. Някои ензими, например, имат различни субстрат-свързващи и коензим-свързващи домени.
Биологично, фибриларните протеини играят много важна роля в анатомията и физиологията на животните. При гръбначните тези протеини представляват 1/3 от общото им съдържание. Пример за фибриларни протеини е копринен протеин - фиброин, който се състои от няколко антипаралелни вериги с нагъната листова структура. Протеинът а-кератин съдържа от 3-7 вериги. Колагенът има сложна структура, в която 3 еднакви леви вериги са усукани заедно, за да образуват дясна тройна спирала. Тази тройна спирала е стабилизирана от множество междумолекулни водородни връзки. Наличието на аминокиселини като хидроксипролин и хидроксилизин също допринася за образуването на водородни връзки, които стабилизират структурата на тройната спирала. Всички фибриларни протеини са слабо разтворими или напълно неразтворими във вода, тъй като съдържат много аминокиселини, съдържащи хидрофобни, неразтворими във вода R-групи на изолевцин, фенилаланин, валин, аланин, метионин. След специална обработка неразтворимият и несмилаем колаген се превръща в разтворима в желатин смес от полипептиди, която след това се използва в хранително-вкусовата промишленост.
Глобуларни протеини. Те изпълняват различни биологични функции. Те изпълняват транспортна функция, т.е. пренасят хранителни вещества, неорганични йони, липиди и др. Хормоните, както и компонентите на мембраните и рибозомите, принадлежат към същия клас протеини. Всички ензими също са глобуларни протеини.
Кватернерна структура.Нар. белтъци, съдържащи две или повече полипептидни вериги олигомерни протеини, те се характеризират с наличието на кватернерна структура.
Фигура - Схеми на третична (а) и кватернерна (б) протеинови структури
В олигомерните протеини всяка от полипептидните вериги се характеризира със своята първична, вторична и третична структура и се нарича субединица или протомер.Полипептидните вериги (протомери) в такива протеини могат да бъдат еднакви или различни. Олигомерните протеини се наричат хомогенни, ако техните протомери са еднакви и хетерогенни, ако техните протомери са различни. Например, протеинът хемоглобин се състои от 4 вериги: два -a и два -b протомера. Ензимът а-амилаза се състои от 2 идентични полипептидни вериги. Кватернерната структура се разбира като подреждане на полипептидни вериги (протомери) една спрямо друга, т.е. начин на съвместното им подреждане и опаковане. В този случай протомерите взаимодействат помежду си не с която и да е част от повърхността си, а с определена област (контактна повърхност). Контактните повърхности имат такова разположение на атомни групи, между които възникват водородни, йонни, хидрофобни връзки. В допълнение, геометрията на протомерите също допринася за тяхната връзка. Протомерите пасват заедно като ключ към ключалка. Такива повърхности се наричат допълнителни. Всеки протомер взаимодейства с другия в множество точки, което прави невъзможно свързването с други полипептидни вериги или протеини. Такива допълващи се взаимодействия на молекулите са в основата на всички биохимични процеси в тялото.
