Ikatan peptida bersifat kovalen dalam sifat kimianya dan memberikan kekuatan tinggi pada struktur primer molekul protein. Menjadi elemen berulang dari rantai polipeptida dan memiliki ciri struktural spesifik, ikatan peptida tidak hanya memengaruhi bentuk struktur primer, tetapi juga tingkat organisasi rantai polipeptida yang lebih tinggi.
Kontribusi besar untuk mempelajari struktur molekul protein dibuat oleh L. Pauling dan R. Corey. Menarik perhatian pada fakta bahwa molekul protein memiliki ikatan peptida paling banyak, mereka adalah orang pertama yang melakukan studi difraksi sinar-X yang telaten dari ikatan ini. Kami mempelajari panjang ikatan, sudut di mana atom berada, arah susunan atom relatif terhadap ikatan. Berdasarkan penelitian, karakteristik utama ikatan peptida berikut ini ditetapkan.
1. Empat atom ikatan peptida (C, O, N, H) dan dua terikat
atom a-karbon terletak pada bidang yang sama. Gugus R dan H atom karbon-a terletak di luar bidang ini.
2. Atom O dan H dari ikatan peptida dan dua atom karbon-a, serta gugus-R, memiliki orientasi trans relatif terhadap ikatan peptida.
3. Panjang ikatan C–N 1,32 Å berada di antara panjang ikatan kovalen rangkap dua (1,21 Å) dan panjang ikatan kovalen tunggal (1,47 Å). Oleh karena itu, ikatan C–N memiliki karakter tidak jenuh sebagian. Ini menciptakan prasyarat untuk penerapan penataan ulang tautomerik di lokasi ikatan rangkap dengan pembentukan bentuk enol, yaitu. ikatan peptida mungkin ada dalam bentuk keto-enol.
Rotasi di sekitar ikatan –C=N– sulit dilakukan, dan semua atom dalam gugus peptida memiliki konfigurasi trans planar. Konfigurasi cis secara energetik kurang menguntungkan dan hanya terjadi pada beberapa peptida siklik. Setiap fragmen peptida planar mengandung dua ikatan dengan atom karbon-a yang dapat diputar.
Ada hubungan yang sangat erat antara struktur primer protein dan fungsinya dalam organisme tertentu. Agar protein dapat menjalankan fungsi karakteristiknya, urutan asam amino yang benar-benar spesifik diperlukan dalam rantai polipeptida protein ini. Urutan asam amino spesifik ini, komposisi kualitatif dan kuantitatif secara genetik tetap (DNA → RNA → protein). Setiap protein dicirikan oleh urutan asam amino tertentu, penggantian setidaknya satu asam amino dalam protein tidak hanya mengarah pada penataan ulang struktural, tetapi juga pada perubahan sifat fisikokimia dan fungsi biologis. Struktur primer yang ada menentukan struktur selanjutnya (sekunder, tersier, kuaterner). Misalnya, eritrosit orang sehat mengandung protein - hemoglobin dengan urutan asam amino tertentu. Sebagian kecil orang memiliki anomali kongenital dalam struktur hemoglobin: eritrosit mereka mengandung hemoglobin, yang dalam satu posisi sebagai pengganti asam glutamat (bermuatan, polar) mengandung asam amino valin (hidrofobik, non-polar). Hemoglobin semacam itu secara signifikan berbeda dalam sifat fisikokimia dan biologis dari normal. Munculnya asam amino hidrofobik menyebabkan munculnya kontak hidrofobik "lengket" (eritrosit tidak bergerak dengan baik di pembuluh darah), hingga perubahan bentuk eritrosit (dari bikonkaf menjadi berbentuk bulan sabit), serta untuk penurunan transfer oksigen, dll. Anak-anak yang lahir dengan anomali ini meninggal pada masa kanak-kanak karena anemia sel sabit.
Bukti komprehensif yang mendukung pernyataan bahwa aktivitas biologis ditentukan oleh urutan asam amino diperoleh setelah sintesis buatan enzim ribonuklease (Merrifield). Polipeptida yang disintesis dengan urutan asam amino yang sama dengan enzim alami memiliki aktivitas enzimatik yang sama.
Studi beberapa dekade terakhir telah menunjukkan bahwa struktur primer diperbaiki secara genetik, yaitu. urutan asam amino dalam rantai polipeptida ditentukan oleh kode genetik DNA, dan, pada gilirannya, menentukan struktur sekunder, tersier, dan kuaterner dari molekul protein dan konformasi umumnya. Protein pertama yang struktur utamanya terbentuk adalah protein hormon insulin (mengandung 51 asam amino). Ini dilakukan pada tahun 1953 oleh Frederick Sanger. Sampai saat ini, struktur utama lebih dari sepuluh ribu protein telah diuraikan, tetapi ini adalah jumlah yang sangat kecil, mengingat ada sekitar 10 12 protein di alam. Akibat perputaran bebas, rantai polipeptida mampu memuntir (melipat) menjadi berbagai struktur.
struktur sekunder. Struktur sekunder molekul protein dipahami sebagai cara meletakkan rantai polipeptida di ruang angkasa. Struktur sekunder molekul protein terbentuk sebagai hasil dari satu atau beberapa jenis rotasi bebas di sekitar ikatan yang menghubungkan atom karbon-a dalam rantai polipeptida Sebagai hasil dari rotasi bebas ini, rantai polipeptida dapat berputar (melipat) dalam ruang menjadi berbagai struktur.
Tiga jenis struktur utama telah ditemukan dalam rantai polipeptida alami:
- a-heliks;
- β-struktur (lembaran terlipat);
- kekusutan statistik.
Jenis struktur protein globular yang paling mungkin dianggap α-heliks Puntiran terjadi searah jarum jam (heliks kanan), yang disebabkan oleh komposisi asam L-amino dari protein alami. Kekuatan pendorong dalam munculnya α-heliks adalah kemampuan asam amino untuk membentuk ikatan hidrogen. Gugus-R asam amino diarahkan keluar dari sumbu pusat a-heliks. >С=О dan >N–Н dipol dari ikatan peptida yang berdekatan diorientasikan secara optimal untuk interaksi dipol, menghasilkan pembentukan sistem ekstensif ikatan hidrogen kooperatif intramolekul yang menstabilkan a-helix.
Helix pitch (satu putaran penuh) 5,4Å mencakup 3,6 residu asam amino.
Gambar 2 - Struktur dan parameter a-helix protein
Setiap protein dicirikan oleh tingkat helikalisasi tertentu dari rantai polipeptidanya.
Struktur spiral dapat terganggu oleh dua faktor:
1) dengan adanya residu prolin dalam rantai, struktur siklik yang memperkenalkan ketegaran dalam rantai polipeptida - tidak ada gugus –NH 2, oleh karena itu pembentukan ikatan hidrogen intrachain tidak mungkin;
2) jika dalam rantai polipeptida terdapat banyak residu asam amino berturut-turut yang bermuatan positif (lisin, arginin) atau bermuatan negatif (asam glutamat, aspartat), dalam hal ini tolakan timbal balik yang kuat dari gugus bermuatan serupa (-COO - atau -NH 3 +) secara signifikan melebihi efek penstabilan ikatan hidrogen dalam a-heliks.
Jenis lain dari konfigurasi rantai polipeptida yang ditemukan pada rambut, sutra, otot, dan protein fibrilar lainnya disebut struktur β atau lembaran terlipat. Struktur lembaran terlipat juga distabilkan oleh ikatan hidrogen antara dipol yang sama –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
rantai polipeptida yang diarahkan secara identik atau antiparalel,
yang diperkuat oleh ikatan hidrogen antara rantai-rantai ini. Struktur seperti itu disebut lembaran b-lipat (Gambar 2).
Gambar 3 - b-struktur rantai polipeptida
a-Helix dan lembaran terlipat adalah struktur yang teratur, mereka memiliki susunan residu asam amino yang teratur di ruang angkasa. Beberapa bagian dari rantai polipeptida tidak memiliki organisasi spasial periodik yang teratur, mereka ditetapkan sebagai acak atau kekusutan statistik.
Semua struktur ini muncul secara spontan dan otomatis karena polipeptida tertentu memiliki urutan asam amino spesifik yang telah ditentukan sebelumnya secara genetik. a-heliks dan b-struktur menentukan kemampuan tertentu protein untuk melakukan fungsi biologis tertentu. Jadi, struktur a-heliks (a-keratin) beradaptasi dengan baik untuk membentuk struktur pelindung luar - bulu, rambut, tanduk, kuku. Struktur-b berkontribusi pada pembentukan sutra dan jaring laba-laba yang fleksibel dan tidak dapat diperpanjang, dan konformasi protein kolagen memberikan kekuatan tarik tinggi yang diperlukan untuk tendon. Kehadiran hanya heliks-a atau struktur-b khas untuk protein berserabut (fibrilar). Dalam komposisi protein globular (bulat), kandungan heliks-a dan struktur-b serta daerah tanpa struktur sangat bervariasi. Misalnya: insulin spiralisasi 60%, enzim ribonuklease - 57%, lisozim protein telur ayam - 40%.
Struktur tersier. Di bawah struktur tersier pahami cara meletakkan rantai polipeptida di ruang angkasa dalam volume tertentu.
Struktur tersier protein dibentuk oleh pelipatan tambahan rantai peptida yang mengandung a-helix, struktur-b, dan daerah gulungan acak. Struktur tersier suatu protein terbentuk sepenuhnya secara otomatis, spontan, dan sepenuhnya ditentukan sebelumnya oleh struktur primer dan berhubungan langsung dengan bentuk molekul protein, yang dapat berbeda: dari bulat hingga seperti benang. Bentuk molekul protein dicirikan oleh indikator seperti tingkat asimetri (rasio sumbu panjang dengan sumbu pendek). Pada berhubung dgn urat saraf atau protein berfilamen, derajat asimetri lebih besar dari 80. Ketika derajat asimetri kurang dari 80, protein diklasifikasikan sebagai bulat. Kebanyakan dari mereka memiliki tingkat asimetri 3-5, mis. struktur tersier ditandai dengan pengepakan rantai polipeptida yang cukup padat, mendekati bentuk bola.
Selama pembentukan protein globular, radikal hidrofobik asam amino non-polar dikelompokkan di dalam molekul protein, sedangkan radikal polar berorientasi pada air. Pada titik tertentu, konformasi stabil molekul yang paling menguntungkan secara termodinamika, globul, muncul. Dalam bentuk ini, molekul protein dicirikan oleh energi bebas minimum. Konformasi gumpalan yang dihasilkan dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti pH larutan, kekuatan ionik larutan, serta interaksi molekul protein dengan zat lain.
Kekuatan pendorong utama munculnya struktur tiga dimensi adalah interaksi radikal asam amino dengan molekul air.
protein fibrilar. Saat membentuk struktur tersier, mereka tidak membentuk gumpalan - rantai polipeptidanya tidak terlipat, tetapi tetap memanjang dalam bentuk rantai linier, mengelompok menjadi serat fibril.
Menggambar – Struktur fibril kolagen (fragmen).
Baru-baru ini, bukti telah muncul bahwa proses pembentukan struktur tersier tidak otomatis, tetapi diatur dan dikendalikan oleh mekanisme molekuler khusus. Proses ini melibatkan protein spesifik - pendamping. Fungsi utamanya adalah kemampuan untuk mencegah pembentukan gulungan acak non-spesifik (kacau) dari rantai polipeptida, dan untuk memastikan pengiriman (transportasi) mereka ke target subselular, menciptakan kondisi untuk penyelesaian pelipatan molekul protein.
Stabilisasi struktur tersier dipastikan dengan interaksi non-kovalen antara gugus atom radikal samping.
Gambar 4 - Jenis ikatan yang menstabilkan struktur tersier protein
A) gaya elektrostatik tarik-menarik antara radikal yang membawa gugus ion bermuatan berlawanan (interaksi ion-ion), misalnya, gugus karboksil bermuatan negatif (- COO -) dari asam aspartat dan (NH 3 +) gugus e-amino bermuatan positif dari residu lisin.
B) ikatan hidrogen antara gugus fungsi radikal samping. Misalnya, antara gugus OH dari tirosin dan oksigen karboksil dari asam aspartat
V) interaksi hidrofobik karena gaya van der Waals antara radikal asam amino non-polar. (Misalnya, kelompok
-CH 3 - alanin, valin, dll.
G) interaksi dipol-dipol
e) ikatan disulfida(–S–S–) antara residu sistein. Ikatan ini sangat kuat dan tidak terdapat pada semua protein. Sambungan ini berperan penting dalam zat protein biji-bijian dan tepung, karena. mempengaruhi kualitas gluten, sifat struktural dan mekanik adonan dan, karenanya, kualitas produk jadi - roti, dll.
Tetesan protein bukanlah struktur yang benar-benar kaku: dalam batas tertentu, gerakan reversibel bagian-bagian rantai peptida relatif satu sama lain dimungkinkan dengan putusnya sejumlah kecil ikatan lemah dan pembentukan ikatan baru. Molekul itu, seolah-olah, bernafas, berdenyut di berbagai bagiannya. Pulsasi ini tidak mengganggu rencana konformasi dasar molekul, seperti halnya getaran termal atom dalam kristal tidak mengubah struktur kristal kecuali jika suhunya sangat tinggi sehingga terjadi peleburan.
Hanya setelah molekul protein memperoleh struktur tersier asli yang alami barulah ia menunjukkan aktivitas fungsional spesifiknya: katalitik, hormonal, antigenik, dll. Selama pembentukan struktur tersier inilah pembentukan pusat aktif enzim, pusat yang bertanggung jawab untuk penggabungan protein ke dalam kompleks multienzim, pusat yang bertanggung jawab untuk perakitan sendiri struktur supramolekul terjadi. Oleh karena itu, setiap dampak (termal, fisik, mekanik, kimiawi) yang mengarah pada penghancuran konformasi asli protein ini (pemutusan ikatan) disertai dengan hilangnya sebagian atau seluruh sifat biologisnya oleh protein.
Studi tentang struktur kimia lengkap dari beberapa protein telah menunjukkan bahwa zona struktur tersier terungkap di mana radikal hidrofobik asam amino terkonsentrasi, dan rantai polipeptida sebenarnya melilit inti hidrofobik. Selain itu, dalam beberapa kasus, dua atau bahkan tiga inti hidrofobik diisolasi dalam molekul protein, menghasilkan struktur 2 atau 3 inti. Jenis struktur molekul ini adalah karakteristik dari banyak protein dengan fungsi katalitik (ribonuklease, lisozim, dll.). Bagian atau wilayah terpisah dari molekul protein yang memiliki tingkat otonomi struktural dan fungsional tertentu disebut domain. Beberapa enzim, misalnya, memiliki domain pengikat substrat dan pengikat koenzim yang berbeda.
Secara biologis, protein fibrillar memainkan peran yang sangat penting dalam anatomi dan fisiologi hewan. Pada vertebrata, protein ini mencapai 1/3 dari total kandungannya. Contoh protein fibrillar adalah protein sutera - fibroin, yang terdiri dari beberapa rantai antiparalel dengan struktur lembaran terlipat. Protein a-keratin mengandung 3-7 rantai. Kolagen memiliki struktur kompleks di mana 3 rantai tangan kiri yang identik dipelintir bersama untuk membentuk heliks tiga tangan kanan. Triple helix ini distabilkan oleh banyak ikatan hidrogen antarmolekul. Kehadiran asam amino seperti hidroksiprolin dan hidroksilisin juga berkontribusi pada pembentukan ikatan hidrogen yang menstabilkan struktur triple helix. Semua protein fibrilar tidak larut dengan baik atau sama sekali tidak larut dalam air, karena mengandung banyak asam amino yang mengandung gugus R isoleusin, fenilalanin, valin, alanin, metionin hidrofobik yang tidak larut dalam air. Setelah pemrosesan khusus, kolagen yang tidak larut dan tidak dapat dicerna diubah menjadi campuran polipeptida yang larut dalam gelatin, yang kemudian digunakan dalam industri makanan.
Protein globular. Mereka melakukan berbagai fungsi biologis. Mereka melakukan fungsi transportasi, mis. membawa nutrisi, ion anorganik, lipid, dll. Hormon, serta komponen membran dan ribosom, termasuk dalam kelas protein yang sama. Semua enzim juga merupakan protein globular.
Struktur kuarter. Protein yang mengandung dua atau lebih rantai polipeptida disebut protein oligomer, mereka dicirikan oleh adanya struktur kuaterner.
Gambar - Skema struktur protein tersier (a) dan kuaterner (b).
Dalam protein oligomer, masing-masing rantai polipeptida dicirikan oleh struktur primer, sekunder dan tersiernya, dan disebut subunit atau protomer Rantai polipeptida (protomer) dalam protein tersebut dapat sama atau berbeda. Protein oligomer disebut homogen jika protomernya sama dan heterogen jika protomernya berbeda. Misalnya, protein hemoglobin terdiri dari 4 rantai: dua protomer -a dan dua -b. Enzim a-amilase terdiri dari 2 rantai polipeptida identik. Struktur kuarter dipahami sebagai susunan rantai polipeptida (protomer) relatif satu sama lain, yaitu cara penumpukan dan pengemasan bersama mereka. Dalam hal ini, protomer berinteraksi satu sama lain bukan dengan bagian mana pun dari permukaannya, tetapi dengan area tertentu (permukaan kontak). Permukaan kontak memiliki susunan gugus atom di mana ikatan hidrogen, ionik, hidrofobik muncul. Selain itu, geometri protomer juga berkontribusi pada koneksinya. Protomer cocok satu sama lain seperti kunci gembok. Permukaan seperti itu disebut komplementer. Setiap protomer berinteraksi dengan yang lain di banyak titik, sehingga tidak mungkin untuk terhubung ke rantai atau protein polipeptida lainnya. Interaksi molekul yang saling melengkapi seperti itu mendasari semua proses biokimia dalam tubuh.
