La liaison peptidique est covalente dans sa nature chimique et confère une résistance élevée à la structure primaire de la molécule protéique. Étant un élément répétitif de la chaîne polypeptidique et ayant des caractéristiques structurelles spécifiques, la liaison peptidique affecte non seulement la forme de la structure primaire, mais également les niveaux supérieurs d'organisation de la chaîne polypeptidique.
Une grande contribution à l'étude de la structure de la molécule protéique a été apportée par L. Pauling et R. Corey. Attirant l'attention sur le fait que la molécule protéique possède le plus de liaisons peptidiques, ils ont été les premiers à mener des études minutieuses de diffraction des rayons X sur cette liaison. Nous avons étudié les longueurs de liaison, les angles auxquels les atomes sont situés, la direction de l'arrangement des atomes par rapport à la liaison. Sur la base de la recherche, les principales caractéristiques suivantes de la liaison peptidique ont été établies.
1. Quatre atomes de la liaison peptidique (C, O, N, H) et deux attachés
les atomes de carbone a se trouvent dans le même plan. Les groupes R et H des atomes de carbone a se trouvent en dehors de ce plan.
2. Les atomes O et H de la liaison peptidique et deux atomes de carbone a, ainsi que les groupes R, ont une orientation trans par rapport à la liaison peptidique.
3. La longueur de la liaison C–N de 1,32 Å est intermédiaire entre la longueur d'une double liaison covalente (1,21 Å) et d'une simple liaison covalente (1,47 Å). Il s'ensuit donc que la liaison C–N a un caractère partiellement insaturé. Cela crée les conditions préalables à la mise en œuvre de réarrangements tautomères au site de la double liaison avec la formation de la forme énol, c'est-à-dire la liaison peptidique peut exister sous la forme céto-énol.
La rotation autour de la liaison -C=N- est difficile et tous les atomes du groupe peptidique ont une configuration trans plane. La configuration cis est énergétiquement moins favorable et n'apparaît que dans certains peptides cycliques. Chaque fragment peptidique planaire contient deux liaisons à des atomes de carbone a rotatifs.
Il existe une relation très étroite entre la structure primaire d'une protéine et sa fonction dans un organisme donné. Pour qu'une protéine remplisse sa fonction caractéristique, une séquence complètement spécifique d'acides aminés est nécessaire dans la chaîne polypeptidique de cette protéine. Cette séquence spécifique d'acides aminés, de composition qualitative et quantitative est fixée génétiquement (ADN → ARN → protéine). Chaque protéine est caractérisée par une certaine séquence d'acides aminés, le remplacement d'au moins un acide aminé dans la protéine entraîne non seulement des réarrangements structurels, mais également des modifications des propriétés physicochimiques et des fonctions biologiques. La structure primaire existante prédétermine les structures ultérieures (secondaires, tertiaires, quaternaires). Par exemple, les érythrocytes de personnes en bonne santé contiennent une protéine - l'hémoglobine avec une certaine séquence d'acides aminés. Une petite partie des gens ont une anomalie congénitale dans la structure de l'hémoglobine : leurs érythrocytes contiennent de l'hémoglobine, qui dans une position au lieu de l'acide glutamique (chargé, polaire) contient l'acide aminé valine (hydrophobe, non polaire). Une telle hémoglobine diffère considérablement de la normale par ses propriétés physico-chimiques et biologiques. L'apparition d'un acide aminé hydrophobe entraîne l'apparition d'un contact hydrophobe "collant" (les érythrocytes ne bougent pas bien dans les vaisseaux sanguins), une modification de la forme d'un érythrocyte (de biconcave à en forme de croissant), ainsi que à une détérioration du transfert d'oxygène, etc. Les enfants nés avec cette anomalie meurent dans la petite enfance d'anémie falciforme.
Des preuves complètes en faveur de l'affirmation selon laquelle l'activité biologique est déterminée par la séquence d'acides aminés ont été obtenues après synthèse artificielle de l'enzyme ribonucléase (Merrifield). Le polypeptide synthétisé avec la même séquence d'acides aminés que l'enzyme naturelle avait la même activité enzymatique.
Les études des dernières décennies ont montré que la structure primaire est fixée génétiquement, c'est-à-dire la séquence d'acides aminés dans la chaîne polypeptidique est déterminée par le code génétique de l'ADN et, à son tour, détermine les structures secondaire, tertiaire et quaternaire de la molécule protéique et sa conformation générale. La première protéine dont la structure primaire a été établie était l'hormone protéique insuline (contient 51 acides aminés). Cela a été fait en 1953 par Frederick Sanger. À ce jour, la structure primaire de plus de dix mille protéines a été déchiffrée, mais c'est un très petit nombre, étant donné qu'il existe environ 10 12 protéines dans la nature. En raison de la rotation libre, les chaînes polypeptidiques sont capables de se tordre (se replier) en diverses structures.
structure secondaire. La structure secondaire d'une molécule protéique est comprise comme un moyen de déposer une chaîne polypeptidique dans l'espace. La structure secondaire d'une molécule de protéine est formée à la suite de l'un ou l'autre type de rotation libre autour des liaisons reliant les atomes de carbone a dans une chaîne polypeptidique. Grâce à cette rotation libre, les chaînes polypeptidiques sont capables de se tordre (plier) dans l'espace en diverses structures.
Trois principaux types de structure ont été trouvés dans les chaînes polypeptidiques naturelles :
- hélice a ;
- structure β (feuille pliée);
- enchevêtrement statistique.
Le type de structure le plus probable des protéines globulaires est considéré comme hélice α La torsion se produit dans le sens des aiguilles d'une montre (hélice droite), ce qui est dû à la composition en acides aminés L des protéines naturelles. Le moteur de l'émergence hélices α est la capacité des acides aminés à former des liaisons hydrogène. Les groupes R des acides aminés sont dirigés vers l'extérieur à partir de l'axe central hélices a. Les dipôles >С=О et >N–Н des liaisons peptidiques adjacentes sont orientés de manière optimale pour l'interaction dipolaire, ce qui entraîne la formation d'un vaste système de liaisons hydrogène coopératives intramoléculaires stabilisant l'hélice a.
Pas d'hélice (un tour complet) 5,4 Å comprend 3,6 résidus d'acides aminés.
Figure 2 - Structure et paramètres de l'hélice a de la protéine
Chaque protéine est caractérisée par un certain degré d'hélicalisation de sa chaîne polypeptidique.
La structure en spirale peut être perturbée par deux facteurs :
1) en présence d'un résidu proline dans la chaîne, dont la structure cyclique introduit un coude dans la chaîne polypeptidique - il n'y a pas de groupe -NH 2, donc la formation d'une liaison hydrogène intrachaîne est impossible;
2) si dans la chaîne polypeptidique il y a de nombreux résidus d'acides aminés à la suite qui ont une charge positive (lysine, arginine) ou une charge négative (acides glutamique, aspartique), dans ce cas, la forte répulsion mutuelle des groupes de même charge (-COO - ou -NH 3 +) dépasse de manière significative l'effet stabilisant des liaisons hydrogène dans hélices a.
Un autre type de configuration de chaîne polypeptidique que l'on trouve dans les cheveux, la soie, les muscles et d'autres protéines fibrillaires est appelé structures β ou feuille pliée. La structure en feuille pliée est également stabilisée par des liaisons hydrogène entre les mêmes dipôles –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
chaînes polypeptidiques dirigées de manière identique ou antiparallèles,
qui sont renforcés par des liaisons hydrogène entre ces chaînes. De telles structures sont appelées feuilles pliées en B (Figure 2).
Figure 3 - Structure b des chaînes polypeptidiques
L'a-Helix et les feuilles pliées sont des structures ordonnées, elles ont un arrangement régulier de résidus d'acides aminés dans l'espace. Certaines sections de la chaîne polypeptidique n'ont pas d'organisation spatiale périodique régulière, elles sont désignées comme aléatoires ou enchevêtrement statistique.
Toutes ces structures apparaissent spontanément et automatiquement du fait qu'un polypeptide donné a une séquence d'acides aminés spécifique qui est génétiquement prédéterminée. les hélices a et les structures b déterminent une certaine capacité des protéines à remplir des fonctions biologiques spécifiques. Ainsi, la structure a-hélicoïdale (a-kératine) est bien adaptée pour former des structures protectrices externes - plumes, cheveux, cornes, sabots. La structure b contribue à la formation de soie et de toiles d'araignées flexibles et inextensibles, et la conformation de la protéine de collagène fournit la résistance à la traction élevée requise pour les tendons. La présence uniquement d'hélices a ou de structures b est typique des protéines filamenteuses (fibrillaires). Dans la composition des protéines globulaires (sphériques), le contenu des hélices a et des structures b et des régions sans structure varie considérablement. Par exemple : insuline spiralée 60 %, enzyme ribonucléase - 57 %, lysozyme protéique d'œuf de poulet - 40 %.
Structure tertiaire. Sous la structure tertiaire comprendre la manière de déposer la chaîne polypeptidique dans l'espace dans un certain volume.
La structure tertiaire des protéines est formée par un repliement supplémentaire de la chaîne peptidique contenant une hélice a, des structures b et des régions de bobines aléatoires. La structure tertiaire d'une protéine se forme complètement automatiquement, spontanément et complètement prédéterminée par la structure primaire et est directement liée à la forme de la molécule protéique, qui peut être différente : de sphérique à filiforme. La forme d'une molécule de protéine est caractérisée par un indicateur tel que le degré d'asymétrie (le rapport de l'axe long à l'axe court). À fibrillaire ou protéines filamenteuses, le degré d'asymétrie est supérieur à 80. Lorsque le degré d'asymétrie est inférieur à 80, les protéines sont classées comme globulaire. La plupart d'entre eux ont un degré d'asymétrie de 3 à 5, c'est-à-dire la structure tertiaire est caractérisée par un tassement assez dense de la chaîne polypeptidique, se rapprochant de la forme d'une boule.
Lors de la formation des protéines globulaires, les radicaux hydrophobes non polaires des acides aminés sont regroupés à l'intérieur de la molécule protéique, tandis que les radicaux polaires sont orientés vers l'eau. À un moment donné, la conformation stable thermodynamiquement la plus favorable de la molécule, le globule, apparaît. Sous cette forme, la molécule protéique se caractérise par une énergie libre minimale. La conformation du globule résultant est influencée par des facteurs tels que le pH de la solution, la force ionique de la solution, ainsi que l'interaction des molécules de protéines avec d'autres substances.
La principale force motrice dans l'émergence d'une structure tridimensionnelle est l'interaction des radicaux d'acides aminés avec les molécules d'eau.
protéines fibrillaires. Lors de la formation d'une structure tertiaire, ils ne forment pas de globules - leurs chaînes polypeptidiques ne se plient pas, mais restent allongées sous forme de chaînes linéaires, regroupées en fibres fibrillaires.
Dessin – La structure d'une fibrille de collagène (fragment).
Récemment, des preuves sont apparues que le processus de formation de la structure tertiaire n'est pas automatique, mais est régulé et contrôlé par des mécanismes moléculaires spéciaux. Ce processus implique des protéines spécifiques - les chaperons. Leurs principales fonctions sont la capacité d'empêcher la formation de bobines aléatoires non spécifiques (chaotiques) à partir de la chaîne polypeptidique et d'assurer leur livraison (transport) vers des cibles subcellulaires, créant des conditions pour l'achèvement du repliement de la molécule protéique.
La stabilisation de la structure tertiaire est assurée par des interactions non covalentes entre les groupements atomiques des radicaux latéraux.
Figure 4 - Types de liaisons qui stabilisent la structure tertiaire de la protéine
UN) forces électrostatiques attraction entre des radicaux portant des groupes ioniques chargés de manière opposée (interactions ion-ion), par exemple un groupe carboxyle chargé négativement (-COO-) de l'acide aspartique et (NH 3 +) un groupe e-amino chargé positivement d'un résidu lysine.
b) liaisons hydrogène entre les groupes fonctionnels des radicaux latéraux. Par exemple, entre le groupe OH de la tyrosine et l'oxygène carboxylique de l'acide aspartique
V) interactions hydrophobes en raison des forces de van der Waals entre les radicaux d'acides aminés non polaires. (Par exemple, les groupes
-CH 3 - alanine, valine, etc.
G) interactions dipôle-dipôle
e) Liaisons disulfure(–S–S–) entre les résidus de cystéine. Cette liaison est très forte et n'est pas présente dans toutes les protéines. Cette connexion joue un rôle important dans les substances protéiques des céréales et de la farine, car. affecte la qualité du gluten, les propriétés structurelles et mécaniques de la pâte et, par conséquent, la qualité du produit fini - pain, etc.
Un globule protéique n'est pas une structure absolument rigide : dans certaines limites, des mouvements réversibles des parties de la chaîne peptidique les unes par rapport aux autres sont possibles avec la rupture d'un petit nombre de liaisons faibles et la formation de nouvelles. La molécule, pour ainsi dire, respire, palpite dans ses différentes parties. Ces pulsations ne perturbent pas le plan de conformation de base de la molécule, tout comme les vibrations thermiques des atomes dans un cristal ne modifient pas la structure du cristal à moins que la température ne soit si élevée qu'une fusion se produise.
Ce n'est qu'après qu'une molécule protéique acquiert une structure tertiaire naturelle et native qu'elle manifeste son activité fonctionnelle spécifique : catalytique, hormonale, antigénique, etc. C'est lors de la formation de la structure tertiaire qu'a lieu la formation des centres actifs des enzymes, centres responsables de l'incorporation de la protéine dans le complexe multienzymatique, centres responsables de l'auto-assemblage des structures supramoléculaires. Ainsi, tout impact (thermique, physique, mécanique, chimique) conduisant à la destruction de cette conformation native de la protéine (rupture de liaisons) s'accompagne d'une perte partielle ou totale de ses propriétés biologiques par la protéine.
L'étude des structures chimiques complètes de certaines protéines a montré que dans leur structure tertiaire se révèlent des zones où se concentrent les radicaux hydrophobes des acides aminés, et la chaîne polypeptidique est en fait enroulée autour du noyau hydrophobe. De plus, dans certains cas, deux ou même trois noyaux hydrophobes sont isolés dans une molécule de protéine, résultant en une structure à 2 ou 3 noyaux. Ce type de structure moléculaire est caractéristique de nombreuses protéines à fonction catalytique (ribonucléase, lysozyme...). Une partie ou une région distincte d'une molécule de protéine qui a un certain degré d'autonomie structurelle et fonctionnelle est appelée un domaine. Certaines enzymes, par exemple, ont des domaines distincts de liaison au substrat et de liaison aux coenzymes.
Biologiquement, les protéines fibrillaires jouent un rôle très important dans l'anatomie et la physiologie des animaux. Chez les vertébrés, ces protéines représentent 1/3 de leur contenu total. Un exemple de protéines fibrillaires est la protéine de soie - fibroïne, qui se compose de plusieurs chaînes antiparallèles avec une structure en feuille pliée. La protéine a-kératine contient de 3 à 7 chaînes. Le collagène a une structure complexe dans laquelle 3 chaînes gauchers identiques sont torsadées pour former une triple hélice droite. Cette triple hélice est stabilisée par de nombreuses liaisons hydrogène intermoléculaires. La présence d'acides aminés tels que l'hydroxyproline et l'hydroxylysine contribue également à la formation de liaisons hydrogène qui stabilisent la structure en triple hélice. Toutes les protéines fibrillaires sont peu solubles ou complètement insolubles dans l'eau, car elles contiennent de nombreux acides aminés contenant des groupes R hydrophobes et insolubles dans l'eau d'isoleucine, de phénylalanine, de valine, d'alanine, de méthionine. Après un traitement spécial, le collagène insoluble et non digestible est converti en un mélange de polypeptides soluble dans la gélatine, qui est ensuite utilisé dans l'industrie alimentaire.
Protéines globulaires. Ils remplissent diverses fonctions biologiques. Ils remplissent une fonction de transport, c'est-à-dire transportent des nutriments, des ions inorganiques, des lipides, etc. Les hormones, ainsi que les composants des membranes et des ribosomes, appartiennent à la même classe de protéines. Toutes les enzymes sont également des protéines globulaires.
Structure quaternaire. Les protéines contenant deux chaînes polypeptidiques ou plus sont appelées protéines oligomères, ils se caractérisent par la présence d'une structure quaternaire.
Figure - Schémas des structures protéiques tertiaires (a) et quaternaires (b)
Dans les protéines oligomères, chacune des chaînes polypeptidiques est caractérisée par sa structure primaire, secondaire et tertiaire et est appelée sous-unité ou protomère.Les chaînes polypeptidiques (protomères) de ces protéines peuvent être identiques ou différentes. Les protéines oligomères sont dites homogènes si leurs protomères sont identiques et hétérogènes si leurs protomères sont différents. Par exemple, la protéine de l'hémoglobine est constituée de 4 chaînes : deux protomères -a et deux -b. L'enzyme a-amylase est constituée de 2 chaînes polypeptidiques identiques. La structure quaternaire est comprise comme l'arrangement des chaînes polypeptidiques (protomères) les unes par rapport aux autres, c'est-à-dire manière de leur empilage et de leur emballage en commun. Dans ce cas, les protomères interagissent entre eux non pas par n'importe quelle partie de leur surface, mais par une certaine zone (surface de contact). Les surfaces de contact présentent un tel agencement de groupes atomiques entre lesquels se forment des liaisons hydrogène, ioniques, hydrophobes. De plus, la géométrie des protomères contribue également à leur connexion. Les protomères s'emboîtent comme la clé d'une serrure. De telles surfaces sont dites complémentaires. Chaque protomère interagit avec l'autre en plusieurs points, ce qui rend impossible la liaison à d'autres chaînes polypeptidiques ou protéines. De telles interactions complémentaires de molécules sous-tendent tous les processus biochimiques dans le corps.
