Il legame peptidico è covalente nella sua natura chimica e conferisce elevata resistenza alla struttura primaria della molecola proteica. Essendo un elemento ripetitivo della catena polipeptidica e avendo caratteristiche strutturali specifiche, il legame peptidico influenza non solo la forma della struttura primaria, ma anche i livelli più alti di organizzazione della catena polipeptidica.
L. Pauling e R. Corey hanno dato un grande contributo allo studio della struttura della molecola proteica. Notando che la molecola proteica contiene il maggior numero di legami peptidici, furono i primi a condurre accurati studi a raggi X su questo legame. Abbiamo studiato le lunghezze dei legami, gli angoli ai quali si trovano gli atomi e la direzione degli atomi rispetto al legame. Sulla base della ricerca, sono state stabilite le seguenti caratteristiche principali del legame peptidico.
1. Quattro atomi del legame peptidico (C, O, N, H) e due attaccati
Gli atomi di carbonio a giacciono sullo stesso piano. I gruppi R e H degli atomi di carbonio a si trovano all'esterno di questo piano.
2. Gli atomi O e H del legame peptidico e i due atomi di carbonio α, nonché i gruppi R, hanno un orientamento trans rispetto al legame peptidico.
3. La lunghezza del legame C–N, pari a 1,32 Å, è intermedia tra la lunghezza di un legame covalente doppio (1,21 Å) e un legame covalente singolo (1,47 Å). Ne consegue che il legame C–N è parzialmente insaturo. Ciò crea i prerequisiti affinché si verifichino riarrangiamenti tautomerici al doppio legame con la formazione della forma enolica, cioè il legame peptidico può esistere nella forma cheto-enolica.
La rotazione attorno al legame –C=N– è difficile e tutti gli atomi inclusi nel gruppo peptidico hanno una configurazione trans planare. La configurazione cis è energeticamente meno favorevole e si trova solo in alcuni peptidi ciclici. Ciascun frammento peptidico planare contiene due legami con atomi di carbonio α capaci di ruotare.
Esiste una relazione molto stretta tra la struttura primaria di una proteina e la sua funzione in un dato organismo. Affinché una proteina possa svolgere la sua funzione intrinseca, è necessaria una sequenza molto specifica di aminoacidi nella catena polipeptidica di questa proteina. Questa sequenza specifica di aminoacidi, la composizione qualitativa e quantitativa è fissata geneticamente (DNA→RNA→proteina). Ciascuna proteina è caratterizzata da una sequenza specifica di aminoacidi; la sostituzione di almeno un amminoacido in una proteina porta non solo a riarrangiamenti strutturali, ma anche a cambiamenti nelle proprietà fisico-chimiche e nelle funzioni biologiche. La struttura primaria esistente predetermina le strutture successive (secondarie, terziarie, quaternarie). Ad esempio, i globuli rossi delle persone sane contengono una proteina chiamata emoglobina con una determinata sequenza di aminoacidi. Una piccola percentuale di persone presenta un'anomalia congenita nella struttura dell'emoglobina: i globuli rossi contengono emoglobina, che in una posizione contiene l'amminoacido valina (idrofobico, non polare) invece dell'acido glutammico (caricato, polare). Tale emoglobina differisce significativamente nelle proprietà fisico-chimiche e biologiche dal normale. La comparsa di un amminoacido idrofobo porta alla comparsa di un contatto idrofobico “appiccicoso” (i globuli rossi non si muovono bene nei vasi sanguigni), a un cambiamento nella forma dei globuli rossi (da biconcavi a a forma di mezzaluna) , nonché a un deterioramento del trasferimento di ossigeno, ecc. I bambini nati con questa anomalia muoiono nella prima infanzia a causa dell'anemia falciforme.
Prove esaurienti a favore dell'affermazione che l'attività biologica è determinata dalla sequenza di aminoacidi sono state ottenute dopo la sintesi artificiale dell'enzima ribonucleasi (Merrifield). Un polipeptide sintetizzato con la stessa sequenza aminoacidica dell'enzima naturale aveva la stessa attività enzimatica.
La ricerca degli ultimi decenni ha dimostrato che la struttura primaria è fissata geneticamente, cioè la sequenza degli amminoacidi in una catena polipeptidica è determinata dal codice genetico del DNA e, a sua volta, determina le strutture secondaria, terziaria e quaternaria della molecola proteica e la sua conformazione generale. La prima proteina di cui fu stabilita la struttura primaria fu l'ormone proteico insulina (contiene 51 aminoacidi). Ciò fu fatto nel 1953 da Frederick Sanger. Ad oggi è stata decifrata la struttura primaria di più di diecimila proteine, ma si tratta di un numero molto piccolo, considerando che in natura esistono circa 10 12 proteine. Come risultato della rotazione libera, le catene polipeptidiche sono in grado di attorcigliarsi (piegarsi) in varie strutture.
Struttura secondaria. La struttura secondaria di una molecola proteica si riferisce al modo in cui la catena polipeptidica è disposta nello spazio. La struttura secondaria di una molecola proteica si forma come risultato di uno o un altro tipo di rotazione libera attorno ai legami che collegano gli atomi di carbonio a nella catena polipeptidica. Come risultato di questa rotazione libera, le catene polipeptidiche sono in grado di torcersi (piegarsi). nello spazio in varie strutture.
Tre tipi principali di struttura si trovano nelle catene polipeptidiche naturali:
- a-elica;
- struttura β (foglio piegato);
- groviglio statistico.
Si ritiene che il tipo più probabile di struttura delle proteine globulari sia α-elica La torsione avviene in senso orario (spirale destra), a causa della composizione di aminoacidi L delle proteine naturali. La forza trainante dell'emergenza α-elicheè la capacità degli amminoacidi di formare legami idrogeno. I gruppi di amminoacidi R puntano verso l'esterno dall'asse centrale a-eliche. i dipoli >C=O e >N–H dei legami peptidici vicini sono orientati in modo ottimale per l'interazione del dipolo, formando così un ampio sistema di legami idrogeno cooperativi intramolecolari che stabilizzano l'α-elica.
Il passo dell'elica (un giro completo) di 5,4Å include 3,6 residui di amminoacidi.
Figura 2 – Struttura e parametri dell'a-elica della proteina
Ogni proteina è caratterizzata da un certo grado di elicità della sua catena polipeptidica
La struttura a spirale può essere interrotta da due fattori:
1) la presenza nella catena di un residuo di prolina, la cui struttura ciclica introduce una rottura nella catena polipeptidica - non esiste un gruppo –NH 2, quindi la formazione di un legame idrogeno intracatena è impossibile;
2) se in una catena polipeptidica ci sono molti residui amminoacidici in fila che hanno una carica positiva (lisina, arginina) o una carica negativa (acidi glutammico, aspartico), in questo caso la forte repulsione reciproca di gruppi con carica simile (– COO– o –NH 3 +) supera significativamente l'influenza stabilizzante dei legami idrogeno a-eliche.
Viene chiamata un altro tipo di configurazione della catena polipeptidica trovata nei capelli, nella seta, nei muscoli e in altre proteine fibrillari strutture β o foglio piegato. La struttura del foglio piegato è inoltre stabilizzata da legami idrogeno tra gli stessi dipoli –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
catene polipeptidiche identicamente dirette o antiparallele,
che sono rafforzati a causa dei legami idrogeno tra queste catene. Tali strutture sono chiamate fogli piegati in B (Figura 2).
Figura 3 – struttura b delle catene polipeptidiche
l'a-elica e i fogli piegati sono strutture ordinate; hanno una disposizione regolare dei residui aminoacidici nello spazio. Alcune regioni della catena polipeptidica non hanno alcuna organizzazione spaziale periodica regolare e sono designate come disordinate o groviglio statistico.
Tutte queste strutture nascono spontaneamente e automaticamente a causa del fatto che un dato polipeptide ha una certa sequenza di aminoacidi, che è geneticamente predeterminata. Le eliche a e le strutture b determinano una certa capacità delle proteine di svolgere funzioni biologiche specifiche. Pertanto, la struttura a-elicoidale (a-cheratina) è ben adattata per formare strutture protettive esterne: piume, peli, corna, zoccoli. La struttura B favorisce la formazione di fili di seta e di rete flessibili e inestensibili, e la conformazione della proteina del collagene fornisce l'elevata resistenza alla trazione richiesta per i tendini. La presenza solo di eliche a o strutture b è caratteristica delle proteine filamentose (fibrillari). Nella composizione delle proteine globulari (sferiche), il contenuto di eliche a, strutture b e regioni prive di struttura varia notevolmente. Ad esempio: l'insulina è spiralizzata al 60%, l'enzima ribonucleasi al 57%, la proteina dell'uovo di gallina al lisozima al 40%.
Struttura terziaria. La struttura terziaria si riferisce al modo in cui una catena polipeptidica è disposta nello spazio in un determinato volume.
La struttura terziaria delle proteine è formata da un ulteriore ripiegamento della catena peptidica contenente un'elica a, strutture b e regioni a spirale casuale. La struttura terziaria di una proteina si forma in modo del tutto automatico, spontaneo e completamente predeterminato dalla struttura primaria ed è direttamente correlata alla forma della molecola proteica, che può essere diversa: da sferica a filamentosa. La forma di una molecola proteica è caratterizzata da un indicatore come il grado di asimmetria (il rapporto tra l'asse lungo e quello corto). U fibrillare o proteine filamentose, il grado di asimmetria è maggiore di 80. Con un grado di asimmetria inferiore a 80, le proteine sono classificate come globulare. La maggior parte di essi ha un grado di asimmetria di 3-5, vale a dire la struttura terziaria è caratterizzata da un impaccamento abbastanza denso della catena polipeptidica, che si avvicina alla forma di una palla.
Durante la formazione delle proteine globulari, i radicali amminoacidici idrofobici non polari sono raggruppati all'interno della molecola proteica, mentre i radicali polari sono orientati verso l'acqua. Ad un certo punto appare la conformazione stabile termodinamicamente più favorevole della molecola, un globulo. In questa forma, la molecola proteica è caratterizzata da un'energia libera minima. La conformazione del globulo risultante è influenzata da fattori quali il pH della soluzione, la forza ionica della soluzione, nonché l'interazione delle molecole proteiche con altre sostanze.
La principale forza trainante nell'emergere di una struttura tridimensionale è l'interazione dei radicali degli aminoacidi con le molecole d'acqua.
Proteine fibrillari. Durante la formazione della struttura terziaria, non formano globuli: le loro catene polipeptidiche non si piegano, ma rimangono allungate sotto forma di catene lineari, raggruppandosi in fibre fibrillare.
Disegno – Struttura della fibrilla di collagene (frammento).
Recentemente sono emerse prove che il processo di formazione della struttura terziaria non è automatico, ma è regolato e controllato da particolari meccanismi molecolari. Questo processo coinvolge proteine specifiche: gli accompagnatori. Le loro funzioni principali sono la capacità di prevenire la formazione di bobine casuali non specifiche (caotiche) dalla catena polipeptidica e di garantire la loro consegna (trasporto) a bersagli subcellulari, creando le condizioni per il completamento del ripiegamento della molecola proteica.
La stabilizzazione della struttura terziaria è assicurata dalle interazioni non covalenti tra i gruppi atomici dei radicali laterali.
Figura 4 - Tipi di legami che stabilizzano la struttura terziaria di una proteina
UN) forze elettrostatiche attrazione tra radicali che trasportano gruppi ionici con carica opposta (interazioni ione-ione), ad esempio il gruppo carbossilico (– COO –) carico negativamente dell'acido aspartico e (NH 3 +) il gruppo e-amminico carico positivamente di un residuo di lisina.
B) legami idrogeno tra gruppi funzionali di radicali laterali. Ad esempio, tra il gruppo OH della tirosina e l'ossigeno carbossilico dell'acido aspartico
V) interazioni idrofobiche sono causati dalle forze di van der Waals tra radicali di amminoacidi non polari. (Ad esempio, in gruppi
–CH 3 – alanina, valina, ecc.
G) Interazioni dipolo-dipolo
D) legami disolfuro(–S–S–) tra i residui di cisteina. Questo legame è molto forte e non è presente in tutte le proteine. Questa connessione gioca un ruolo importante nelle sostanze proteiche del grano e della farina, perché influenza la qualità del glutine, le proprietà strutturali e meccaniche dell'impasto e, di conseguenza, la qualità del prodotto finito: pane, ecc.
Un globulo proteico non è una struttura assolutamente rigida: entro certi limiti sono possibili movimenti reversibili di parti della catena peptidica l'una rispetto all'altra con la rottura di un piccolo numero di legami deboli e la formazione di nuovi. La molecola sembra respirare, pulsare nelle sue diverse parti. Queste pulsazioni non interrompono il piano conformazionale di base della molecola, proprio come le vibrazioni termiche degli atomi in un cristallo non modificano la struttura del cristallo se la temperatura non è così elevata da provocare la fusione.
Solo dopo che una molecola proteica acquisisce una struttura terziaria naturale e nativa, manifesta la sua attività funzionale specifica: catalitica, ormonale, antigenica, ecc. È durante la formazione della struttura terziaria che avviene la formazione di centri attivi di enzimi, centri responsabili dell'integrazione delle proteine nel complesso multienzimatico, centri responsabili dell'autoassemblaggio di strutture supramolecolari. Pertanto, qualsiasi influenza (termica, fisica, meccanica, chimica) che porti alla distruzione di questa conformazione nativa della proteina (rottura dei legami) è accompagnata dalla perdita parziale o totale delle proprietà biologiche della proteina.
Lo studio delle strutture chimiche complete di alcune proteine ha dimostrato che nella loro struttura terziaria si individuano zone dove si concentrano i radicali aminoacidici idrofobici, e la catena polipeptidica è in realtà avvolta attorno al nucleo idrofobo. Inoltre, in alcuni casi, due o anche tre nuclei idrofobici sono separati in una molecola proteica, risultando in una struttura a 2 o 3 nuclei. Questo tipo di struttura molecolare è caratteristica di molte proteine che hanno funzione catalitica (ribonucleasi, lisozima, ecc.). Una parte o regione separata di una molecola proteica che ha un certo grado di autonomia strutturale e funzionale è chiamata dominio. Un certo numero di enzimi, ad esempio, hanno domini separati di legame del substrato e del coenzima.
Biologicamente, le proteine fibrillari svolgono un ruolo molto importante legato all'anatomia e alla fisiologia degli animali. Nei vertebrati queste proteine rappresentano 1/3 del loro contenuto totale. Un esempio di proteine fibrillari è la fibroina proteica della seta, che consiste di diverse catene antiparallele con una struttura a fogli piegati. La proteina a-cheratina contiene da 3 a 7 catene. Il collagene ha una struttura complessa in cui 3 catene levogire identiche sono attorcigliate insieme per formare una tripla elica destrogira. Questa tripla elica è stabilizzata da numerosi legami idrogeno intermolecolari. La presenza di amminoacidi come l'idrossiprolina e l'idrossilisina contribuisce inoltre alla formazione di legami idrogeno che stabilizzano la struttura della tripla elica. Tutte le proteine fibrillari sono scarsamente solubili o completamente insolubili in acqua, poiché contengono molti amminoacidi contenenti gruppi R idrofobici e insolubili in acqua isoleucina, fenilalanina, valina, alanina, metionina. Dopo una lavorazione speciale, il collagene insolubile e non digeribile viene convertito in una miscela di polipeptidi solubili in gelatina, che viene poi utilizzata nell'industria alimentare.
Proteine globulari. Svolge una varietà di funzioni biologiche. Svolgono una funzione di trasporto, ad es. trasportare nutrienti, ioni inorganici, lipidi, ecc. Gli ormoni, così come i componenti delle membrane e dei ribosomi, appartengono alla stessa classe di proteine. Tutti gli enzimi sono anche proteine globulari.
Struttura quaternaria. Vengono chiamate proteine contenenti due o più catene polipeptidiche proteine oligomeriche, sono caratterizzati dalla presenza di una struttura quaternaria.
Figura - Schemi delle strutture proteiche terziarie (a) e quaternarie (b).
Nelle proteine oligomeriche, ciascuna catena polipeptidica è caratterizzata dalla sua struttura primaria, secondaria e terziaria ed è chiamata subunità o protomero. Le catene polipeptidiche (protomeri) in tali proteine possono essere uguali o diverse. Le proteine oligomeriche sono dette omogenee se i loro protomeri sono uguali ed eterogenee se i loro protomeri sono diversi. Ad esempio, la proteina emoglobina è composta da 4 catene: due protomeri -a e due -b. L'enzima a-amilasi è costituito da 2 catene polipeptidiche identiche. La struttura quaternaria si riferisce alla disposizione delle catene polipeptidiche (protomeri) l'una rispetto all'altra, cioè il metodo del loro impilamento e imballaggio congiunto. In questo caso, i protomeri interagiscono tra loro non con alcuna parte della loro superficie, ma con una certa area (superficie di contatto). Le superfici di contatto hanno una tale disposizione di gruppi atomici tra i quali si formano legami idrogeno, ionici e idrofobici. Inoltre anche la geometria dei protomeri favorisce la loro connessione. I protomi si incastrano come la chiave di una serratura. Tali superfici sono chiamate complementari. Ciascun protomero interagisce con l'altro in più punti, rendendo impossibile la connessione con altre catene polipeptidiche o proteine. Tali interazioni complementari di molecole sono alla base di tutti i processi biochimici nel corpo.
