Il legame peptidico è covalente nella sua natura chimica e conferisce un'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 superiori di organizzazione della catena polipeptidica.
Un grande contributo allo studio della struttura della molecola proteica è stato dato da L. Pauling e R. Corey. Attirando l'attenzione sul fatto che la molecola proteica ha il maggior numero di legami peptidici, sono stati i primi a condurre scrupolosi studi di diffrazione a raggi X di questo legame. Abbiamo studiato le lunghezze dei legami, gli angoli ai quali si trovano gli atomi, la direzione della disposizione 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 giacciono al di fuori di questo piano.
2. Gli atomi di O e H del legame peptidico e due atomi di carbonio α, così come i gruppi R, hanno un orientamento trans rispetto al legame peptidico.
3. La lunghezza del legame C–N di 1,32 Å è intermedia tra la lunghezza di un doppio legame covalente (1,21 Å) e un singolo legame covalente (1,47 Å). Quindi ne consegue che il legame C–N ha un carattere parzialmente insaturo. Questo crea i prerequisiti per l'attuazione di riarrangiamenti tautomerici nel sito del 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 del gruppo peptidico hanno una configurazione trans planare. La configurazione cis è energeticamente meno favorevole e si verifica solo in alcuni peptidi ciclici. Ogni frammento di peptide planare contiene due legami con atomi di carbonio α rotanti.
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 caratteristica, è necessaria una sequenza completamente specifica di amminoacidi nella catena polipeptidica di questa proteina. Questa specifica sequenza aminoacidica, composizione qualitativa e quantitativa è fissata geneticamente (DNA → RNA → proteina). Ogni proteina è caratterizzata da una certa sequenza di amminoacidi, la sostituzione di almeno un amminoacido nella 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, gli eritrociti di persone sane contengono una proteina: l'emoglobina con una certa sequenza di aminoacidi. Una piccola parte delle persone ha un'anomalia congenita nella struttura dell'emoglobina: i loro eritrociti contengono emoglobina, che in una posizione invece dell'acido glutammico (carica, polare) contiene l'amminoacido valina (idrofobo, non 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 idrofobo "appiccicoso" (gli eritrociti non si muovono bene nei vasi sanguigni), a un cambiamento nella forma di un eritrocita (da biconcavo a forma di mezzaluna), così come a un deterioramento del trasferimento di ossigeno, ecc. I bambini nati con questa anomalia muoiono nella prima infanzia a causa dell'anemia falciforme.
Prove complete a favore dell'affermazione che l'attività biologica è determinata dalla sequenza amminoacidica è stata ottenuta dopo la sintesi artificiale dell'enzima ribonucleasi (Merrifield). Il polipeptide sintetizzato con la stessa sequenza amminoacidica dell'enzima naturale aveva la stessa attività enzimatica.
Studi degli ultimi decenni hanno dimostrato che la struttura primaria è fissata geneticamente, cioè la sequenza degli amminoacidi nella catena polipeptidica è determinata dal codice genetico del DNA e, a sua volta, determina le strutture secondarie, terziarie e quaternarie della molecola proteica e la sua conformazione generale. La prima proteina la cui struttura primaria è stata stabilita è stata l'ormone proteico insulina (contiene 51 aminoacidi). Ciò è stato fatto nel 1953 da Frederick Sanger. Ad oggi è stata decifrata la struttura primaria di oltre diecimila proteine, ma si tratta di un numero molto piccolo, visto che in natura esistono circa 10 12 proteine. Come risultato della rotazione libera, le catene polipeptidiche sono in grado di torcersi (piegarsi) in varie strutture.
struttura secondaria. La struttura secondaria di una molecola proteica è intesa come un modo per deporre una catena polipeptidica nello spazio. La struttura secondaria di una molecola proteica si forma come risultato dell'uno o dell'altro tipo di rotazione libera attorno ai legami che collegano gli atomi di carbonio a in una 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 sono stati trovati 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 (elica destra), che è dovuta alla composizione L-amminoacidica delle proteine naturali. La forza trainante dell'emergenza α-elicheè la capacità degli amminoacidi di formare legami a idrogeno. I gruppi R degli amminoacidi sono diretti verso l'esterno dall'asse centrale a-eliche. I dipoli >С=О e >N–Н dei legami peptidici adiacenti sono orientati in modo ottimale per l'interazione dipolare, determinando la formazione di un vasto sistema di legami idrogeno cooperativi intramolecolari che stabilizzano l'a-elica.
Passo dell'elica (un giro completo) 5,4 Å 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 elicalizzazione della sua catena polipeptidica.
La struttura a spirale può essere disturbata da due fattori:
1) in presenza di un residuo di prolina nella catena, la cui struttura ciclica introduce un attorcigliamento nella catena polipeptidica - non esiste un gruppo –NH 2, quindi la formazione di un legame idrogeno intracatena è impossibile;
2) se nella 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'effetto stabilizzante dei legami idrogeno in a-eliche.
Viene chiamato un altro tipo di configurazione della catena polipeptidica che si trova 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 dai legami idrogeno tra queste catene. Tali strutture sono chiamate fogli piegati a b (Figura 2).
Figura 3 - struttura b delle catene polipeptidiche
a-Helix e fogli piegati sono strutture ordinate, hanno una disposizione regolare di residui di amminoacidi nello spazio. Alcune sezioni della catena polipeptidica non hanno alcuna organizzazione spaziale periodica regolare, sono designate come casuali o groviglio statistico.
Tutte queste strutture nascono spontaneamente e automaticamente a causa del fatto che un dato polipeptide ha una specifica sequenza di aminoacidi geneticamente predeterminata. le a-eliche e le strutture b determinano una certa capacità delle proteine di svolgere specifiche funzioni biologiche. Quindi, la struttura a-elica (a-cheratina) è ben adattata per formare strutture protettive esterne: piume, capelli, corna, zoccoli. La struttura b contribuisce alla formazione di seta flessibile e inestensibile e ragnatele, e la conformazione della proteina del collagene fornisce l'elevata resistenza alla trazione richiesta per i tendini. La presenza di sole a-eliche o strutture b è tipica delle proteine filamentose (fibrillari). Nella composizione delle proteine globulari (sferiche), il contenuto di a-eliche e strutture b e regioni prive di struttura varia notevolmente. Ad esempio: insulina spiralizzata al 60%, enzima ribonucleasi - 57%, lisozima proteico dell'uovo di gallina - 40%.
Struttura terziaria. Sotto la struttura terziaria comprendere il modo di deporre la catena polipeptidica nello spazio in un certo volume.
La struttura terziaria delle proteine è formata da un ulteriore ripiegamento della catena peptidica contenente a-elica, strutture b e regioni a bobina casuale. La struttura terziaria di una proteina si forma in modo completamente automatico, spontaneo e completamente predeterminato dalla struttura primaria ed è direttamente correlata alla forma della molecola proteica, che può essere diversa: da sferica a filiforme. 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). A fibrillare o proteine filamentose, il grado di asimmetria è maggiore di 80. Quando il grado di asimmetria è inferiore a 80, le proteine sono classificate come globulare. La maggior parte di loro ha un grado di asimmetria di 3-5, cioè 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 idrofobici non polari degli amminoacidi sono raggruppati all'interno della molecola proteica, mentre i radicali polari sono orientati verso l'acqua. Ad un certo punto, sorge la conformazione stabile termodinamicamente più favorevole della molecola, il 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 motrice nell'emergere di una struttura tridimensionale è l'interazione dei radicali amminoacidici con le molecole d'acqua.
proteine fibrillari. Quando formano una struttura terziaria, non formano globuli: le loro catene polipeptidiche non si piegano, ma rimangono allungate sotto forma di catene lineari, raggruppandosi in fibre di fibrille.
Disegno – La struttura di una fibrilla di collagene (frammento).
Recentemente sono apparse prove che il processo di formazione della struttura terziaria non è automatico, ma è regolato e controllato da speciali 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 assicurarne la consegna (trasporto) a bersagli subcellulari, creando le condizioni per il completamento del ripiegamento della molecola proteica.
La stabilizzazione della struttura terziaria è assicurata da interazioni non covalenti tra i gruppi atomici dei radicali laterali.
Figura 4 - Tipi di legami che stabilizzano la struttura terziaria della proteina
UN) forze elettrostatiche attrazione tra radicali che trasportano gruppi ionici con carica opposta (interazioni ione-ione), ad esempio un gruppo carbossilico caricato negativamente (- COO -) dell'acido aspartico e (NH 3 +) un gruppo e-amminico caricato positivamente di un residuo di lisina.
B) legami di idrogeno tra i gruppi funzionali dei radicali laterali. Ad esempio, tra il gruppo OH della tirosina e l'ossigeno carbossilico dell'acido aspartico
V) interazioni idrofobiche a causa delle forze di van der Waals tra radicali di amminoacidi non polari. (Ad esempio, gruppi
-CH 3 - alanina, valina, ecc.
G) interazioni dipolo-dipolo
e) 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 di grano e farina, perché. influisce sulla qualità del glutine, sulle proprietà strutturali e meccaniche dell'impasto e, di conseguenza, sulla 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, per così dire, respira, pulsa nelle sue diverse parti. Queste pulsazioni non disturbano il piano di conformazione di base della molecola, proprio come le vibrazioni termiche degli atomi in un cristallo non cambiano la struttura del cristallo a meno che la temperatura non sia così alta da provocare la fusione.
Solo dopo che una molecola proteica acquisisce una struttura terziaria naturale e nativa, mostra la sua specifica attività funzionale: catalitica, ormonale, antigenica, ecc. È durante la formazione della struttura terziaria che avviene la formazione di centri attivi di enzimi, centri responsabili dell'incorporazione della proteina nel complesso multienzimatico, centri responsabili dell'autoassemblaggio di strutture sopramolecolari. Pertanto, qualsiasi impatto (termico, fisico, meccanico, chimico) che porti alla distruzione di questa conformazione nativa della proteina (rottura dei legami) è accompagnato da una perdita parziale o totale delle sue proprietà biologiche da parte della proteina.
Lo studio delle strutture chimiche complete di alcune proteine ha dimostrato che nella loro struttura terziaria si rivelano zone in cui si concentrano i radicali idrofobici degli amminoacidi e la catena polipeptidica è effettivamente avvolta attorno al nucleo idrofobo. Inoltre, in alcuni casi, due o anche tre nuclei idrofobici sono isolati in una molecola proteica, risultando in una struttura a 2 o 3 nuclei. Questo tipo di struttura molecolare è caratteristica di molte proteine con 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. Alcuni enzimi, ad esempio, hanno distinti domini di legame al substrato e di legame al coenzima.
Biologicamente, le proteine fibrillari svolgono un ruolo molto importante nell'anatomia e nella fisiologia degli animali. Nei vertebrati, queste proteine rappresentano 1/3 del loro contenuto totale. Un esempio di proteine fibrillari è la proteina della seta - la fibroina, che consiste in diverse catene antiparallele con una struttura a foglio piegato. La proteina a-cheratina contiene da 3 a 7 catene. Il collagene ha una struttura complessa in cui 3 catene sinistre identiche sono attorcigliate insieme per formare una tripla elica destrorsa. Questa tripla elica è stabilizzata da numerosi legami idrogeno intermolecolari. La presenza di aminoacidi come idrossiprolina e idrossilisina contribuisce anche alla formazione di legami idrogeno che stabilizzano la struttura a tripla elica. Tutte le proteine fibrillari sono scarsamente solubili o completamente insolubili in acqua, poiché contengono molti aminoacidi contenenti gruppi R idrofobici e insolubili in acqua di isoleucina, fenilalanina, valina, alanina, metionina. Dopo una lavorazione speciale, il collagene insolubile e indigeribile viene convertito in una miscela solubile in gelatina di polipeptidi, che viene poi utilizzata nell'industria alimentare.
Proteine globulari. Svolgono 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 delle catene polipeptidiche 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 dell'emoglobina è composta da 4 catene: due -a e due -b protomeri. L'enzima a-amilasi è costituito da 2 catene polipeptidiche identiche. La struttura quaternaria è intesa come la disposizione delle catene polipeptidiche (protomeri) l'una rispetto all'altra, cioè modo del loro impilamento e confezionamento in comune. In questo caso, i protomeri interagiscono tra loro non da una parte qualsiasi della loro superficie, ma da una certa area (superficie di contatto). Le superfici di contatto hanno una tale disposizione di gruppi atomici tra i quali sorgono legami idrogeno, ionici, idrofobici. Inoltre, anche la geometria dei protomeri contribuisce alla loro connessione. I protomer si incastrano come la chiave di una serratura. Tali superfici sono chiamate complementari. Ciascun protomero interagisce con l'altro in più punti, rendendo impossibile il collegamento ad altre catene polipeptidiche o proteine. Tali interazioni complementari di molecole sono alla base di tutti i processi biochimici nel corpo.
