Peptidna veza je kovalentna po svojoj hemijskoj prirodi i daje visoku čvrstoću primarnoj strukturi proteinskog molekula. Budući da je ponavljajući element polipeptidnog lanca i ima specifične strukturne karakteristike, peptidna veza utiče ne samo na oblik primarne strukture, već i na više nivoe organizacije polipeptidnog lanca.
Veliki doprinos proučavanju strukture proteinskog molekula dali su L. Pauling i R. Corey. Skrećući pažnju na činjenicu da proteinska molekula ima najviše peptidnih veza, oni su prvi sproveli mukotrpna istraživanja difrakcije rendgenskih zraka ove veze. Proučavali smo dužine veza, uglove pod kojima se atomi nalaze, smjer rasporeda 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 od 1,32 Å je srednja između dužine dvostruke kovalentne veze (1,21 Å) i jednostruke kovalentne veze (1,47 Å). Otuda slijedi da C–N veza ima djelomično nezasićeni karakter. Time se stvaraju preduslovi za sprovođenje tautomernih preuređivanja na mestu dvostruke veze sa formiranjem enolnog oblika, tj. peptidna veza može postojati u obliku keto-enola.
Rotacija oko –C=N– veze je teška, a svi atomi u peptidnoj grupi imaju planarnu trans konfiguraciju. Cis konfiguracija je energetski nepovoljnija i javlja se samo u nekim cikličkim peptidima. Svaki planarni peptidni fragment sadrži dvije veze za rotirajuće atome ugljika.
Postoji vrlo bliska veza između primarne strukture proteina i njegove funkcije u datom organizmu. Da bi protein obavljao svoju karakterističnu funkciju, potreban je potpuno specifičan niz aminokiselina u polipeptidnom lancu ovog proteina. Ova specifična sekvenca aminokiselina, kvalitativni i kvantitativni sastav je genetski fiksiran (DNK → RNK → protein). Svaki protein karakterizira određena sekvenca aminokiselina, zamjena najmanje jedne aminokiseline u proteinu dovodi ne samo do strukturnih preuređivanja, već i do promjena u fizičko-hemijskim svojstvima i biološkim funkcijama. Postojeća primarna struktura predodređuje sljedeće (sekundarne, tercijarne, kvartarne) strukture. Na primjer, eritrociti zdravih ljudi sadrže protein - hemoglobin s određenim nizom aminokiselina. Manji dio ljudi ima urođenu anomaliju u strukturi hemoglobina: njihovi eritrociti sadrže hemoglobin koji u jednom položaju umjesto glutaminske kiseline (nabijena, polarna) sadrži aminokiselinu valin (hidrofobna, nepolarna). Takav hemoglobin značajno se razlikuje po fizičko-hemijskim i biološkim svojstvima od normalnog. Pojava hidrofobne aminokiseline dovodi do pojave "ljepljivog" hidrofobnog kontakta (eritrociti se slabo kreću u krvnim žilama), do promjene oblika eritrocita (od bikonkavnog do polumjesecastog), kao i do pogoršanja prenosa kiseonika 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, a 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 shvata se kao način polaganja polipeptidnog lanca u svemiru. Sekundarna struktura proteinske molekule nastaje kao rezultat jedne ili druge vrste slobodne rotacije oko veza koje povezuju atome a-ugljika u polipeptidnom lancu.Kao rezultat ove slobodne rotacije, polipeptidni lanci su u stanju da se uvijaju (savijaju) u prostoru u različite strukture.
Tri glavne vrste strukture pronađene su 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 su usmjerene prema van od centralne ose a-helices. >S=O i >N–N dipoli susednih peptidnih veza su optimalno orijentisani za dipolnu interakciju, što rezultira formiranjem ekstenzivnog sistema intramolekularnih kooperativnih vodoničnih veza koje stabilizuju a-heliks.
Visina spirale (jedan puni okret) 5,4Å uključuje 3,6 aminokiselinskih ostataka.
Slika 2 - Struktura i parametri a-heliksa proteina
Svaki protein karakteriše određeni stepen helikalizacije njegovog polipeptidnog lanca.
Spiralna struktura može biti poremećena zbog dva faktora:
1) u prisustvu prolinskog ostatka u lancu čija ciklična struktura uvodi kink u polipeptidni lanac - 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 efekat 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
identično usmjereni polipeptidni lanci ili antiparalelni,
koji su ojačani vodoničnim vezama 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 dijelovi polipeptidnog lanca nemaju nikakvu pravilnu periodičnu prostornu organizaciju, označavaju se kao nasumični ili statistička zavrzlama.
Sve ove strukture nastaju spontano i automatski zbog činjenice da dati polipeptid ima specifičnu 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, kose, rogova, kopita. B-struktura doprinosi stvaranju fleksibilne i nerastezljive svile i paučine, a konformacija proteina kolagena osigurava visoku vlačnu čvrstoću potrebnu za tetive. Prisustvo samo a-heliksa ili b-struktura tipično je za filamentozne (fibrilarne) proteine. U sastavu globularnih (sferičnih) proteina, sadržaj a-heliksa i b-struktura i besstrukturnih regija uvelike varira. Na primjer: spiralizirani inzulin 60%, enzim ribonukleaza - 57%, lizozim proteina pilećeg jajeta - 40%.
Tercijarna struktura. Pod tercijarnom strukturom podrazumijeva se način polaganja polipeptidnog lanca u prostoru u određenom volumenu.
Tercijarna struktura proteina formirana je dodatnim savijanjem peptidnog lanca koji sadrži a-helix, 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 niti nalik. Oblik proteinske molekule karakterizira takav pokazatelj kao što je stupanj asimetrije (omjer duge i kratke ose). At fibrilar ili filamentozni proteini, stepen asimetrije je veći od 80. Kada je stepen asimetrije manji od 80, proteini se klasifikuju kao globularni. Većina njih ima stepen asimetrije od 3-5, tj. tercijarnu strukturu karakteriše prilično gusto pakovanje polipeptidnog lanca, približava se obliku lopte.
Tokom formiranja globularnih proteina, nepolarni hidrofobni radikali aminokiselina grupišu se unutar proteinske molekule, dok su polarni radikali orijentisani prema vodi. U nekom trenutku nastaje termodinamički najpovoljnija stabilna konformacija molekule, globule. 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.
fibrilarnih proteina. Prilikom 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 nekovalentnim interakcijama 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 lizinskog ostatka.
b) vodonične veze između funkcionalnih grupa bočnih radikala. Na primjer, između OH grupe tirozina i karboksilnog kisika asparaginske kiseline
V) hidrofobne interakcije zbog van der Waalsovih sila između nepolarnih radikala aminokiselina. (Na primjer, grupe
-CH 3 - alanin, valin, itd.
G) dipol-dipol interakcije
e) 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 itd.
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. Molekul, takoreći, 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 osim ako temperatura nije toliko visoka da dolazi 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 ugradnju proteina u multienzimski kompleks, centara odgovornih za samosastavljanje supramolekularnih struktura. Stoga, svaki uticaj (termički, fizički, mehanički, hemijski) koji dovede do uništenja ove prirodne konformacije proteina (razbijanje veza) je praćen delimičnim ili potpunim gubitkom njegovih bioloških svojstava od strane proteina.
Proučavanje kompletnih hemijskih struktura nekih proteina pokazalo je da se u njihovoj tercijarnoj strukturi otkrivaju zone gde su koncentrisani hidrofobni radikali aminokiselina, a polipeptidni lanac je zapravo omotan oko hidrofobnog jezgra. Štoviše, u nekim slučajevima, dva ili čak tri hidrofobna jezgra su izolirana u proteinskoj molekuli, što rezultira strukturom od 2 ili 3 jezgre. Ovaj tip molekularne strukture karakterističan je za mnoge proteine sa katalitičkom funkcijom (ribonukleaza, lizozim itd.). Odvojeni dio ili regija proteinske molekule koja ima određeni stepen strukturne i funkcionalne autonomije naziva se domena. Neki enzimi, na primjer, imaju različite 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 protein svile - fibroin, koji se sastoji od nekoliko antiparalelnih lanaca sa savijenom strukturom lista. Protein a-keratin sadrži od 3-7 lanaca. Kolagen ima složenu strukturu u kojoj su 3 identična lijevoruka lanca upletena zajedno da formiraju desnu 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 trostruke spirale. Svi fibrilarni proteini su slabo topljivi ili potpuno netopivi u vodi, jer sadrže mnoge aminokiseline koje sadrže hidrofobne, u vodi netopive R-grupe izoleucina, fenilalanina, valina, alanina, metionina. Nakon posebne obrade, nerastvorljivi i neprobavljivi kolagen pretvara se u želatino-topivu mješavinu polipeptida, koja se potom koristi u prehrambenoj industriji.
Globularni proteini. Obavljaju različite biološke funkcije. Obavljaju transportnu funkciju, tj. nose hranljive materije, neorganske jone, lipide, 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
Kod oligomernih proteina, svaki od polipeptidnih lanaca karakteriše 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 hemoglobina sastoji se od 4 lanca: dva -a i dva -b protomera. Enzim a-amilaze sastoji se od 2 identična polipeptidna lanca. Pod kvartarnom strukturom podrazumijeva se 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 određenom površinom (kontaktnom površinom). Kontaktne površine imaju takav raspored atomskih grupa između kojih nastaju vodikove, jonske, hidrofobne veze. Osim toga, geometrija protomera također doprinosi 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 nemogućim povezivanje s drugim polipeptidnim lancima ili proteinima. Takve komplementarne interakcije molekula su u osnovi svih biohemijskih procesa u tijelu.
