Peptidová vazba je ve své chemické povaze kovalentní a poskytuje vysokou pevnost primární struktuře molekuly proteinu. Jelikož je peptidová vazba opakujícím se prvkem polypeptidového řetězce a má specifické strukturní rysy, ovlivňuje nejen formu primární struktury, ale také vyšší úrovně organizace polypeptidového řetězce.
Velký přínos ke studiu struktury molekuly proteinu přinesli L. Pauling a R. Corey. Upozorňujíce na skutečnost, že molekula proteinu má nejvíce peptidových vazeb, jako první provedli pečlivé rentgenové difrakční studie této vazby. Studovali jsme délky vazeb, úhly, pod kterými se atomy nacházejí, směr uspořádání atomů vzhledem k vazbě. Na základě výzkumu byly stanoveny následující hlavní charakteristiky peptidové vazby.
1. Čtyři atomy peptidové vazby (C, O, N, H) a dva připojené
a-atomy uhlíku leží ve stejné rovině. Skupiny R a H atomů uhlíku a-leží mimo tuto rovinu.
2. Atomy O a H peptidové vazby a dva atomy uhlíku a-, stejně jako R-skupiny, mají orientaci trans vzhledem k peptidové vazbě.
3. Délka vazby C–N 1,32 Á je mezi délkou dvojné kovalentní vazby (1,21 Á) a jednoduché kovalentní vazby (1,47 Á). Z toho vyplývá, že vazba C–N má částečně nenasycený charakter. Tím jsou vytvořeny předpoklady pro realizaci tautomerních přestaveb v místě dvojné vazby se vznikem enolové formy, tzn. peptidová vazba může existovat ve formě keto-enolu.
Rotace kolem vazby –C=N– je obtížná a všechny atomy v peptidové skupině mají planární trans konfiguraci. cis konfigurace je energeticky méně příznivá a vyskytuje se pouze u některých cyklických peptidů. Každý planární peptidový fragment obsahuje dvě vazby na rotující atomy uhlíku a.
Mezi primární strukturou proteinu a jeho funkcí v daném organismu existuje velmi úzký vztah. Aby protein mohl plnit svou charakteristickou funkci, je zapotřebí zcela specifická sekvence aminokyselin v polypeptidovém řetězci tohoto proteinu. Tato specifická aminokyselinová sekvence, kvalitativní a kvantitativní složení je geneticky fixní (DNA → RNA → protein). Každý protein je charakterizován určitou sekvencí aminokyselin, náhrada alespoň jedné aminokyseliny v proteinu vede nejen ke strukturálním přestavbám, ale také ke změnám fyzikálně-chemických vlastností a biologických funkcí. Stávající primární struktura předurčuje následné (sekundární, terciární, kvartérní) struktury. Například erytrocyty zdravých lidí obsahují protein - hemoglobin s určitou sekvencí aminokyselin. Malá část lidí má vrozenou anomálii ve struktuře hemoglobinu: jejich erytrocyty obsahují hemoglobin, který v jedné poloze místo kyseliny glutamové (nabité, polární) obsahuje aminokyselinu valin (hydrofobní, nepolární). Takový hemoglobin se výrazně liší ve fyzikálně-chemických a biologických vlastnostech od normálního. Vznik hydrofobní aminokyseliny vede ke vzniku „lepivého“ hydrofobního kontaktu (erytrocyty se špatně pohybují v cévách), ke změně tvaru erytrocytu (z bikonkávního na srpkovitý) a také ke zhoršení přenosu kyslíku atd. Děti narozené s touto anomálií umírají v raném dětství na srpkovitou anémii.
Komplexní důkazy ve prospěch tvrzení, že biologická aktivita je určena aminokyselinovou sekvencí, byly získány po umělé syntéze enzymu ribonukleázy (Merrifield). Syntetizovaný polypeptid se stejnou aminokyselinovou sekvencí jako přirozený enzym měl stejnou enzymatickou aktivitu.
Studie posledních desetiletí prokázaly, že primární struktura je fixována geneticky, tzn. sekvence aminokyselin v polypeptidovém řetězci je určena genetickým kódem DNA a následně určuje sekundární, terciární a kvartérní struktury molekuly proteinu a její obecnou konformaci. První protein, jehož primární struktura byla stanovena, byl proteinový hormon inzulín (obsahuje 51 aminokyselin). To udělal v roce 1953 Frederick Sanger. K dnešnímu dni byla rozluštěna primární struktura více než deseti tisíc proteinů, ale to je velmi malé číslo, vzhledem k tomu, že v přírodě existuje asi 10 12 proteinů. V důsledku volné rotace se polypeptidové řetězce mohou kroutit (skládat) do různých struktur.
sekundární struktura. Sekundární struktura molekuly proteinu je chápána jako způsob uložení polypeptidového řetězce v prostoru. Sekundární struktura molekuly proteinu se vytváří jako výsledek jednoho nebo druhého typu volné rotace kolem vazeb spojujících atomy uhlíku v polypeptidovém řetězci. V důsledku této volné rotace se polypeptidové řetězce mohou kroutit (skládat) v prostoru do různých struktur.
V přírodních polypeptidových řetězcích byly nalezeny tři hlavní typy struktury:
- a-helix;
- β-struktura (skládaný list);
- statistická spleť.
Za nejpravděpodobnější typ struktury globulárních proteinů se považuje α-šroubovice Ke kroucení dochází ve směru hodinových ručiček (pravá šroubovice), což je způsobeno složením L-aminokyselin přírodních proteinů. Hnací síla při vzniku α-šroubovice je schopnost aminokyselin tvořit vodíkové vazby. R-skupiny aminokyselin směřují ven z centrální osy a-šroubovice. >С=О a >N–Н dipóly sousedních peptidových vazeb jsou optimálně orientovány pro dipólovou interakci, což vede k vytvoření rozsáhlého systému intramolekulárních kooperativních vodíkových vazeb stabilizujících a-helix.
Rozteč šroubovice (jedna celá otáčka) 5,4Á obsahuje 3,6 aminokyselinových zbytků.
Obrázek 2 - Struktura a parametry a-helixu proteinu
Každý protein je charakterizován určitým stupněm helikalizace svého polypeptidového řetězce.
Spirálová struktura může být narušena dvěma faktory:
1) v přítomnosti prolinového zbytku v řetězci, jehož cyklická struktura zavádí zlom do polypeptidového řetězce - není zde žádná –NH 2 skupina, proto je nemožná tvorba vnitrořetězcové vodíkové vazby;
2) pokud je v polypeptidovém řetězci mnoho aminokyselinových zbytků v řadě, které mají kladný náboj (lysin, arginin) nebo záporný náboj (kyseliny glutamové, asparagové), v tomto případě dochází k silnému vzájemnému odpuzování stejně nabitých skupin (-COO - nebo -NH 3 +) výrazně převyšuje stabilizační účinek vodíkových vazeb v a-šroubovice.
Jiný typ konfigurace polypeptidového řetězce nalezený ve vlasech, hedvábí, svalech a dalších fibrilárních proteinech je tzv β struktury nebo složený list. Struktura skládaného plechu je také stabilizována vodíkovými vazbami mezi stejnými dipóly –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
identicky zaměřené polypeptidové řetězce nebo antiparalelní,
které jsou posíleny vodíkovými vazbami mezi těmito řetězci. Takové struktury se nazývají b-skládané listy (obrázek 2).
Obrázek 3 - b-struktura polypeptidových řetězců
a-Helix a složené listy jsou uspořádané struktury, mají pravidelné uspořádání aminokyselinových zbytků v prostoru. Některé úseky polypeptidového řetězce nemají žádnou pravidelnou periodickou prostorovou organizaci, označují se jako náhodné resp statistická spleť.
Všechny tyto struktury vznikají spontánně a automaticky díky tomu, že daný polypeptid má specifickou aminokyselinovou sekvenci, která je geneticky předurčena. a-helixy a b-struktury určují určitou schopnost proteinů plnit specifické biologické funkce. Takže a-helikální struktura (a-keratin) je dobře přizpůsobena k vytváření vnějších ochranných struktur - peří, vlasy, rohy, kopyta. B-struktura přispívá k tvorbě pružného a neroztažitelného hedvábí a pavučin a konformace kolagenového proteinu poskytuje vysokou pevnost v tahu potřebnou pro šlachy. Pro filamentózní (fibrilární) proteiny je typická přítomnost pouze a-helixů nebo b-struktur. Ve složení globulárních (kulovitých) proteinů se obsah a-helixů a b-struktur a bezstrukturních oblastí velmi liší. Například: spiralizovaný inzulín 60%, enzym ribonukleáza - 57%, lysozym z kuřecích vajec - 40%.
Terciární struktura. Pod terciární strukturou rozumíme způsob uložení polypeptidového řetězce v prostoru v určitém objemu.
Terciární struktura proteinů je tvořena dalším skládáním peptidového řetězce obsahujícího a-helix, b-struktury a oblasti náhodného klubka. Terciární struktura proteinu se tvoří zcela automaticky, spontánně a zcela předem daná primární strukturou a přímo souvisí s tvarem molekuly proteinu, který může být různý: od kulovitého až po vláknitý. Tvar molekuly proteinu je charakterizován takovým indikátorem, jako je stupeň asymetrie (poměr dlouhé osy ke krátké). Na fibrilární nebo vláknité proteiny, je stupeň asymetrie větší než 80. Pokud je stupeň asymetrie menší než 80, jsou proteiny klasifikovány jako kulovitý. Většina z nich má stupeň asymetrie 3-5, tzn. terciární struktura se vyznačuje dosti hustým zabalením polypeptidového řetězce, blížícím se tvaru koule.
Při tvorbě globulárních proteinů se uvnitř molekuly proteinu seskupují nepolární hydrofobní radikály aminokyselin, zatímco polární radikály jsou orientovány směrem k vodě. V určitém okamžiku vzniká termodynamicky nejpříznivější stabilní konformace molekuly, globule. V této formě se molekula proteinu vyznačuje minimální volnou energií. Konformaci výsledné globule ovlivňují takové faktory, jako je pH roztoku, iontová síla roztoku a také interakce proteinových molekul s jinými látkami.
Hlavní hnací silou při vzniku trojrozměrné struktury je interakce aminokyselinových radikálů s molekulami vody.
fibrilární proteiny. Při tvorbě terciární struktury netvoří globule - jejich polypeptidové řetězce se neskládají, ale zůstávají protáhlé ve formě lineárních řetězců, seskupujících se do vláken fibril.
Výkres – Struktura kolagenové fibrily (fragmentu).
Nedávno se objevily důkazy, že proces tvorby terciární struktury není automatický, ale je regulován a řízen speciálními molekulárními mechanismy. Tento proces zahrnuje specifické proteiny - chaperony. Jejich hlavní funkcí je schopnost zabránit vzniku nespecifických (chaotických) náhodných závitů z polypeptidového řetězce a zajistit jejich doručení (transport) do subcelulárních cílů, čímž se vytvoří podmínky pro dokončení skládání molekuly proteinu.
Stabilizace terciární struktury je zajištěna nekovalentními interakcemi mezi atomovými skupinami postranních radikálů.
Obrázek 4 - Typy vazeb, které stabilizují terciární strukturu proteinu
A) elektrostatické síly přitažlivost mezi radikály nesoucími opačně nabité iontové skupiny (interakce ion-ion), například záporně nabitá karboxylová skupina (-COO-) kyseliny asparagové a (NH3+) kladně nabitá e-aminoskupina lysinového zbytku.
b) Vodíkové vazby mezi funkčními skupinami postranních radikálů. Například mezi OH skupinou tyrosinu a karboxylovým kyslíkem kyseliny asparagové
PROTI) hydrofobní interakce v důsledku van der Waalsových sil mezi nepolárními aminokyselinovými radikály. (Například skupiny
-CH3 - alanin, valin atd.
G) dipól-dipólové interakce
E) disulfidové vazby(–S–S–) mezi cysteinovými zbytky. Tato vazba je velmi silná a není přítomna ve všech proteinech. Toto spojení hraje důležitou roli v bílkovinných látkách obilí a mouky, protože. ovlivňuje kvalitu lepku, strukturní a mechanické vlastnosti těsta a tím i kvalitu hotového výrobku – chleba atd.
Proteinová globule není absolutně rigidní struktura: v určitých mezích jsou možné reverzibilní pohyby částí peptidového řetězce vůči sobě navzájem s porušením malého počtu slabých vazeb a tvorbou nových. Molekula jakoby dýchá, pulzuje ve svých různých částech. Tyto pulsace nenarušují základní konformační plán molekuly, stejně jako tepelné vibrace atomů v krystalu nemění strukturu krystalu, pokud teplota není tak vysoká, že dochází k tání.
Teprve poté, co molekula proteinu získá přirozenou, nativní terciární strukturu, vykazuje svou specifickou funkční aktivitu: katalytickou, hormonální, antigenní atd. Právě při tvorbě terciární struktury dochází k tvorbě aktivních center enzymů, center zodpovědných za zabudování proteinu do multienzymového komplexu, center zodpovědných za samouspořádání supramolekulárních struktur. Proto jakýkoli dopad (tepelný, fyzikální, mechanický, chemický), který vede k destrukci této nativní konformace proteinu (přerušení vazeb), je doprovázen částečnou nebo úplnou ztrátou jeho biologických vlastností proteinem.
Studium kompletních chemických struktur některých proteinů ukázalo, že v jejich terciární struktuře jsou odhaleny zóny, kde jsou koncentrovány hydrofobní radikály aminokyselin, a polypeptidový řetězec je ve skutečnosti obalen kolem hydrofobního jádra. Navíc v některých případech jsou v molekule proteinu izolována dvě nebo dokonce tři hydrofobní jádra, což vede ke 2 nebo 3 jaderné struktuře. Tento typ molekulární struktury je charakteristický pro mnoho proteinů s katalytickou funkcí (ribonukleáza, lysozym atd.). Samostatná část nebo oblast molekuly proteinu, která má určitý stupeň strukturální a funkční autonomie, se nazývá doména. Některé enzymy mají například odlišné domény vázající substrát a koenzym vázající domény.
Biologicky hrají fibrilární proteiny velmi důležitou roli v anatomii a fyziologii zvířat. U obratlovců tvoří tyto bílkoviny 1/3 jejich celkového obsahu. Příkladem fibrilárních proteinů je hedvábný protein - fibroin, který se skládá z několika antiparalelních řetězců se strukturou složeného listu. Protein a-keratin obsahuje 3-7 řetězců. Kolagen má složitou strukturu, ve které jsou 3 stejné levotočivé řetězce stočeny dohromady a tvoří pravotočivou trojšroubovici. Tato trojitá šroubovice je stabilizována četnými mezimolekulárními vodíkovými vazbami. Přítomnost aminokyselin, jako je hydroxyprolin a hydroxylysin, také přispívá k tvorbě vodíkových vazeb, které stabilizují strukturu trojité šroubovice. Všechny fibrilární proteiny jsou špatně rozpustné nebo zcela nerozpustné ve vodě, protože obsahují mnoho aminokyselin obsahujících hydrofobní, ve vodě nerozpustné R-skupiny isoleucinu, fenylalaninu, valinu, alaninu, methioninu. Po speciálním zpracování se nerozpustný a nestravitelný kolagen přemění na želatinu rozpustnou směs polypeptidů, která se následně využívá v potravinářském průmyslu.
Globulární proteiny. Plní různé biologické funkce. Plní transportní funkci, tzn. přenášejí živiny, anorganické ionty, lipidy atd. Hormony, stejně jako složky membrán a ribozomů, patří do stejné třídy proteinů. Všechny enzymy jsou také globulární proteiny.
Kvartérní struktura. Nazývají se proteiny obsahující dva nebo více polypeptidových řetězců oligomerní proteiny jsou charakterizovány přítomností kvartérní struktury.
Obrázek - Schémata terciárních (a) a kvartérních (b) proteinových struktur
V oligomerních proteinech je každý z polypeptidových řetězců charakterizován svou primární, sekundární a terciární strukturou a nazývá se podjednotka nebo protomer Polypeptidové řetězce (protomery) v takových proteinech mohou být stejné nebo různé. Oligomerní proteiny se nazývají homogenní, pokud jsou jejich protomery stejné, a heterogenní, pokud jsou jejich protomery odlišné. Například hemoglobinový protein se skládá ze 4 řetězců: dvou protomerů -a a dvou -b. Enzym a-amylázy se skládá ze 2 identických polypeptidových řetězců. Kvartérní struktura je chápána jako uspořádání polypeptidových řetězců (protomerů) vůči sobě, tzn. způsob jejich společného stohování a balení. V tomto případě protomery na sebe vzájemně nereagují žádnou částí svého povrchu, ale určitou oblastí (kontaktní plochou). Kontaktní plochy mají takové uspořádání atomových skupin, mezi kterými vznikají vodíkové, iontové, hydrofobní vazby. K jejich spojení navíc přispívá i geometrie protomerů. Protomerové do sebe zapadají jako klíč k zámku. Takové povrchy se nazývají komplementární. Každý protomer interaguje s druhým ve více bodech, což znemožňuje spojení s jinými polypeptidovými řetězci nebo proteiny. Takové komplementární interakce molekul jsou základem všech biochemických procesů v těle.
