Peptidna veza je kovalentna po svojoj hemijskoj prirodi i daje visoku čvrstoću primarnoj strukturi proteinskog molekula. Budući da je element koji se ponavlja u polipeptidnom lancu i ima specifične strukturne karakteristike, peptidna veza utiče ne samo na oblik primarne strukture, već i na više nivoe organizacije polipeptidnog lanca.
L. Pauling i R. Corey dali su veliki doprinos proučavanju strukture proteinskog molekula. Primijetivši da proteinski molekul sadrži najviše peptidnih veza, oni su bili prvi koji su izvršili mukotrpna rendgenska istraživanja ove veze. Proučavali smo dužine veza, uglove pod kojima se atomi nalaze i smjer atoma u odnosu na vezu. Na osnovu istraživanja utvrđene su sljedeće glavne karakteristike peptidne veze.
1. Četiri atoma peptidne veze (C, O, N, H) i dva vezana
atomi a-ugljika leže u istoj ravni. R i H grupe atoma a-ugljika leže izvan ove ravni.
2. O i H atomi peptidne veze i dva atoma a-ugljika, kao i R-grupe, imaju trans orijentaciju u odnosu na peptidnu vezu.
3. Dužina C–N veze, jednaka 1,32 Å, je srednja između dužine dvostruke kovalentne veze (1,21 Å) i jednostruke kovalentne veze (1,47 Å). Iz toga slijedi da je C–N veza djelomično nezasićena. Time se stvaraju preduslovi da dođe do tautomernih preuređivanja na dvostrukoj vezi sa formiranjem enolnog oblika, tj. peptidna veza može postojati u obliku keto-enola.
Rotacija oko –C=N– veze je teška i svi atomi uključeni u peptidnu grupu imaju planarnu trans konfiguraciju. Cis konfiguracija je energetski nepovoljnija i nalazi se samo u nekim cikličkim peptidima. Svaki planarni peptidni fragment sadrži dvije veze s a-atomima ugljika koji mogu rotirati.
Postoji vrlo bliska veza između primarne strukture proteina i njegove funkcije u datom organizmu. Da bi protein izvršio svoju inherentnu funkciju, potrebna je vrlo specifična sekvenca aminokiselina u polipeptidnom lancu ovog proteina. Ova specifična sekvenca aminokiselina, kvalitativni i kvantitativni sastav je fiksiran genetski (DNK→RNA→protein). Svaki protein karakterizira specifična sekvenca aminokiselina koja zamjenjuje barem jednu aminokiselinu u proteinu dovodi ne samo do strukturnih preuređivanja, već i do promjena u fizičko-hemijskim svojstvima i biološkim funkcijama. Postojeća primarna struktura predodređuje naknadne (sekundarne, tercijarne, kvartarne) strukture. Na primjer, crvena krvna zrnca zdravih ljudi sadrže protein zvan hemoglobin s određenim nizom aminokiselina. Mali dio ljudi ima urođenu abnormalnost u strukturi hemoglobina: njihova crvena krvna zrnca sadrže hemoglobin, koji u jednom položaju sadrži aminokiselinu valin (hidrofobna, nepolarna) umjesto glutaminske kiseline (nabijena, polarna). Takav hemoglobin se značajno razlikuje po fizičko-hemijskim i biološkim svojstvima od normalnog. Pojava hidrofobne aminokiseline dovodi do pojave "ljepljivog" hidrofobnog kontakta (crvena krvna zrnca se ne kreću dobro u krvnim žilama), do promjene oblika crvenih krvnih zrnaca (od bikonkavnog do polumjesecnog) , kao i na pogoršanje prijenosa kisika itd. Djeca rođena s ovom anomalijom umiru u ranom djetinjstvu od anemije srpastih stanica.
Sveobuhvatni dokazi u prilog tvrdnji da je biološka aktivnost određena sekvencom aminokiselina dobijeni su nakon vještačke sinteze enzima ribonukleaze (Merrifield). Sintetizovani polipeptid sa istom sekvencom aminokiselina kao prirodni enzim imao je istu enzimsku aktivnost.
Istraživanja posljednjih decenija su pokazala da je primarna struktura fiksirana genetski, tj. redoslijed aminokiselina u polipeptidnom lancu određen je genetskim kodom DNK i, zauzvrat, određuje sekundarne, tercijarne i kvarterne strukture proteinskog molekula i njegovu opću konformaciju. Prvi protein čija je primarna struktura utvrđena bio je protein hormon inzulin (sadrži 51 aminokiselinu). To je 1953. godine uradio Frederick Sanger. Do danas je dešifrovana primarna struktura više od deset hiljada proteina, ali to je vrlo mali broj s obzirom da u prirodi postoji oko 10 12 proteina. Kao rezultat slobodne rotacije, polipeptidni lanci su u stanju da se uvijaju (savijaju) u različite strukture.
Sekundarna struktura. Sekundarna struktura proteinske molekule odnosi se na način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u prostoru. Sekundarna struktura proteinske molekule nastaje kao rezultat jedne ili druge vrste slobodne rotacije oko veza koje povezuju atome ugljika u polipeptidnom lancu. u prostoru u različite strukture.
Tri glavne vrste strukture nalaze se u prirodnim polipeptidnim lancima:
- a-helix;
- β-struktura (presavijeni list);
- statistička zavrzlama.
Smatra se da je najvjerovatniji tip strukture globularnih proteina α-heliks Uvijanje se događa u smjeru kazaljke na satu (desna spirala), što je zbog L-aminokiselinskog sastava prirodnih proteina. Pokretačka snaga u nastanku α-heliksa je sposobnost aminokiselina da formiraju vodonične veze. R grupe aminokiselina usmjerene su prema van od centralne ose a-helices. dipoli >C=O i >N–H susednih peptidnih veza su orijentisani optimalno za dipolnu interakciju, formirajući tako ekstenzivni sistem intramolekularnih kooperativnih vodoničnih veza koje stabilizuju a-heliks.
Visina heliksa (jedan puni okret) od 5,4Å uključuje 3,6 aminokiselinskih ostataka.
Slika 2 – Struktura i parametri a-heliksa proteina
Svaki protein karakteriše određeni stepen spiralnosti njegovog polipeptidnog lanca
Spiralna struktura može biti poremećena zbog dva faktora:
1) prisustvo prolinskog ostatka u lancu čija ciklična struktura dovodi do prekida u polipeptidnom lancu - nema –NH 2 grupe, pa je formiranje vodonične veze unutar lanca nemoguće;
2) ako se u polipeptidnom lancu nalazi mnogo aminokiselinskih ostataka u nizu koji imaju pozitivan naboj (lizin, arginin) ili negativan naboj (glutaminska, asparaginska kiselina), u ovom slučaju dolazi do snažnog međusobnog odbijanja slično nabijenih grupa (– COO– ili –NH 3 +) značajno nadmašuje stabilizacijski uticaj vodoničnih veza u a-helices.
Drugi tip konfiguracije polipeptidnog lanca koji se nalazi u kosi, svili, mišićima i drugim fibrilarnim proteinima naziva se β-strukture ili presavijeni list. Struktura presavijenog lista je takođe stabilizovana vodoničnim vezama između istih dipola –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
polipeptidni lanci koji su identično usmjereni ili antiparalelni,
koji su ojačani zbog vodoničnih veza između ovih lanaca. Takve strukture nazivaju se b-presavijeni listovi (slika 2).
Slika 3 – b-struktura polipeptidnih lanaca
a-Helix i presavijeni listovi su uređene strukture; imaju pravilan raspored aminokiselinskih ostataka u prostoru. Neki regioni polipeptidnog lanca nemaju nikakvu pravilnu periodičnu prostornu organizaciju oni su označeni kao neuređeni ili statistička zavrzlama.
Sve ove strukture nastaju spontano i automatski zbog činjenice da dati polipeptid ima određenu sekvencu aminokiselina, koja je genetski predodređena. a-helike i b-strukture određuju određenu sposobnost proteina da obavljaju specifične biološke funkcije. Dakle, a-helikalna struktura (a-keratin) je dobro prilagođena za formiranje vanjskih zaštitnih struktura - perja, dlake, rogova, kopita. B-struktura potiče formiranje fleksibilnih i nerastezljivih niti svile i mreže, a konformacija proteina kolagena osigurava visoku vlačnu čvrstoću potrebnu za tetive. Prisustvo samo a-heliksa ili b-struktura karakteristično je za filamentne (fibrilarne) proteine. U sastavu globularnih (sferičnih) proteina, sadržaj a-heliksa i b-struktura i besstrukturnih regija uvelike varira. Na primjer: inzulin je spiraliziran 60%, enzim ribonukleaza - 57%, lizozim proteina pilećeg jajeta - 40%.
Tercijarna struktura. Tercijarna struktura se odnosi na način na koji je polipeptidni lanac raspoređen u prostoru u određenom volumenu.
Tercijarna struktura proteina se formira dodatnim savijanjem peptidnog lanca koji sadrži a-heliks, b-strukture i nasumične regije zavojnice. Tercijarna struktura proteina formira se potpuno automatski, spontano i potpuno unaprijed određena primarnom strukturom i direktno je povezana s oblikom proteinske molekule, koji može biti različit: od sfernog do filamentoznog. Oblik proteinske molekule karakterizira takav pokazatelj kao što je stupanj asimetrije (omjer duge i kratke ose). U fibrilar ili filamentozni proteini, stepen asimetrije je veći od 80. Sa stepenom asimetrije manjim od 80, proteini se klasifikuju kao globularni. Većina njih ima stepen asimetrije od 3-5, tj. tercijarnu strukturu karakteriše prilično gusto pakovanje polipeptidnog lanca, koje se približava obliku lopte.
Tokom formiranja globularnih proteina, nepolarni hidrofobni radikali aminokiselina se grupišu unutar proteinskog molekula, dok su polarni radikali orijentisani prema vodi. U nekom trenutku se pojavljuje termodinamički najpovoljnija stabilna konformacija molekule, globula. U ovom obliku, proteinski molekul karakterizira minimalna slobodna energija. Na konformaciju rezultirajuće globule utiču faktori kao što su pH rastvora, jonska snaga rastvora, kao i interakcija proteinskih molekula sa drugim supstancama.
Glavna pokretačka snaga u nastanku trodimenzionalne strukture je interakcija radikala aminokiselina s molekulima vode.
Fibrilarni proteini. Tokom formiranja tercijarne strukture, oni ne formiraju globule - njihovi polipeptidni lanci se ne savijaju, već ostaju izduženi u obliku linearnih lanaca, grupirajući se u vlakna vlakana.
Crtanje – Struktura kolagenog fibrila (fragmenta).
Nedavno su se pojavili dokazi da proces formiranja tercijarne strukture nije automatski, već je reguliran i kontroliran posebnim molekularnim mehanizmima. Ovaj proces uključuje specifične proteine - šaperone. Njihove glavne funkcije su sposobnost da spriječe stvaranje nespecifičnih (haotičnih) nasumičnih zavojnica iz polipeptidnog lanca, te da osiguraju njihovu isporuku (transport) do subcelularnih ciljeva, stvarajući uvjete za završetak savijanja proteinske molekule.
Stabilizacija tercijarne strukture je osigurana zbog nekovalentnih interakcija između atomskih grupa bočnih radikala.
Slika 4 – Tipovi veza koje stabilizuju tercijarnu strukturu proteina
A) elektrostatičke sile privlačnost između radikala koji nose suprotno nabijene jonske grupe (interakcije jona-jona), na primjer, negativno nabijenu karboksilnu grupu (– COO –) asparaginske kiseline i (NH 3 +) pozitivno nabijenu e-amino grupu ostatka lizina.
b) vodonične veze između funkcionalnih grupa bočnih radikala. Na primjer, između OH grupe tirozina i karboksilnog kisika asparaginske kiseline
V) hidrofobne interakcije uzrokovane su van der Waalsovim silama između nepolarnih radikala aminokiselina. (Na primjer, u grupama
–CH 3 – alanin, valin itd.
G) dipol-dipol interakcije
d) disulfidne veze(–S–S–) između cisteinskih ostataka. Ova veza je veoma jaka i nije prisutna u svim proteinima. Ova veza igra važnu ulogu u proteinskim supstancama žitarica i brašna, jer utiče na kvalitet glutena, strukturna i mehanička svojstva tijesta i shodno tome na kvalitetu gotovog proizvoda – kruha i dr.
Proteinska globula nije apsolutno kruta struktura: u određenim granicama moguća su reverzibilna kretanja dijelova peptidnog lanca u odnosu jedan prema drugome s prekidom malog broja slabih veza i stvaranjem novih. Čini se da molekul diše, pulsira u svojim različitim dijelovima. Ove pulsacije ne remete osnovni konformacioni plan molekula, kao što toplotne vibracije atoma u kristalu ne menjaju strukturu kristala ako temperatura nije toliko visoka da dođe do topljenja.
Tek nakon što proteinski molekul stekne prirodnu, nativnu tercijarnu strukturu, pokazuje svoju specifičnu funkcionalnu aktivnost: katalitičku, hormonalnu, antigensku, itd. U toku formiranja tercijarne strukture dolazi do formiranja aktivnih centara enzima, centara odgovornih za integraciju proteina u multienzimski kompleks, centara odgovornih za samosastavljanje supramolekularnih struktura. Stoga, bilo koji utjecaji (toplinski, fizički, mehanički, kemijski) koji dovode do razaranja ove prirodne konformacije proteina (razbijanje veza) su praćeni djelomičnim ili potpunim gubitkom bioloških svojstava proteina.
Proučavanje kompletnih hemijskih struktura nekih proteina pokazalo je da su u njihovoj tercijarnoj strukturi identifikovane zone gde su koncentrisani hidrofobni aminokiselinski radikali, a polipeptidni lanac je zapravo omotan oko hidrofobnog jezgra. Štaviše, u nekim slučajevima, dva ili čak tri hidrofobna jezgra su odvojena u proteinskom molekulu, što rezultira 2- ili 3-nuklearnom strukturom. Ovakav tip molekularne strukture karakterističan je za mnoge proteine koji imaju katalitičku funkciju (ribonukleaza, lizozim itd.). Odvojeni dio ili regija proteinske molekule koja ima određeni stepen strukturne i funkcionalne autonomije naziva se domena. Brojni enzimi, na primjer, imaju odvojene domene za vezivanje supstrata i za koenzime.
Biološki, fibrilarni proteini igraju vrlo važnu ulogu u anatomiji i fiziologiji životinja. Kod kičmenjaka ovi proteini čine 1/3 njihovog ukupnog sadržaja. Primjer fibrilarnih proteina je fibroin svilenog proteina, koji se sastoji od nekoliko antiparalelnih lanaca sa strukturom presavijenog lista. Protein a-keratin sadrži od 3-7 lanaca. Kolagen ima složenu strukturu u kojoj su 3 identična levorotatorna lanca upletena zajedno da formiraju desnorotatornu trostruku spiralu. Ova trostruka spirala je stabilizirana brojnim međumolekularnim vodikovim vezama. Prisustvo aminokiselina kao što su hidroksiprolin i hidroksilizin također doprinosi stvaranju vodoničnih veza koje stabiliziraju strukturu trostrukog heliksa. Svi fibrilarni proteini su slabo topljivi ili potpuno netopivi u vodi, jer sadrže mnoge aminokiseline koje sadrže hidrofobne, u vodi netopive R-grupe izoleucin, fenilalanin, valin, alanin, metionin. Nakon posebne obrade, nerastvorljivi i neprobavljivi kolagen se pretvara u želatino-topivu polipeptidnu smjesu, koja se potom koristi u prehrambenoj industriji.
Globularni proteini. Obavlja razne biološke funkcije. Obavljaju transportnu funkciju, tj. transport nutrijenata, neorganskih jona, lipida, itd. Hormoni, kao i komponente membrana i ribozoma, pripadaju istoj klasi proteina. Svi enzimi su takođe globularni proteini.
Kvartarna struktura. Proteini koji sadrže dva ili više polipeptidnih lanaca nazivaju se oligomerni proteini, karakteriše ih prisustvo kvartarne strukture.
Slika - Šeme tercijarne (a) i kvartarne (b) strukture proteina
U oligomernim proteinima, svaki od polipeptidnih lanaca karakterizira njegova primarna, sekundarna i tercijarna struktura, i naziva se podjedinica ili protomer. Polipeptidni lanci (protomeri) u takvim proteinima mogu biti ili isti ili različiti. Oligomerni proteini se nazivaju homogeni ako su im protomeri isti i heterogeni ako su im protomeri različiti. Na primjer, protein hemoglobin se sastoji od 4 lanca: dva -a i dva -b protomera. Enzim a-amilaza se sastoji od 2 identična polipeptidna lanca. Kvartarna struktura se odnosi na raspored polipeptidnih lanaca (protomera) jedan u odnosu na drugi, tj. način njihovog zajedničkog slaganja i pakovanja. U ovom slučaju, protomeri međusobno djeluju ne bilo kojim dijelom svoje površine, već određenim područjem (kontaktna površina). Kontaktne površine imaju takav raspored atomskih grupa između kojih nastaju vodikove, ionske i hidrofobne veze. Osim toga, geometrija protomera također pogoduje njihovoj povezanosti. Protomeri se uklapaju kao ključ od brave. Takve površine se nazivaju komplementarne. Svaki protomer stupa u interakciju s drugim na više tačaka, čineći povezivanje s drugim polipeptidnim lancima ili proteinima nemoguće. Takve komplementarne interakcije molekula su u osnovi svih biohemijskih procesa u tijelu.
