Пептидийн холбоо нь химийн шинж чанараараа ковалент бөгөөд уургийн молекулын анхдагч бүтцэд өндөр хүч чадал өгдөг. Полипептидийн гинжин хэлхээний давтагдах элемент бөгөөд өвөрмөц бүтцийн шинж чанартай пептидийн холбоо нь зөвхөн анхдагч бүтцийн хэлбэрт төдийгүй полипептидийн гинжин хэлхээний зохион байгуулалтын өндөр түвшинд нөлөөлдөг.
Уургийн молекулын бүтцийг судлахад Л.Паулинг, Р.Кори нар асар их хувь нэмэр оруулсан. Уургийн молекул нь хамгийн их пептидийн бондтой байдагт анхаарлаа хандуулж, тэд анх удаа энэхүү бондын рентген туяаны дифракцийн судалгааг хийжээ. Бид бондын урт, атомуудын байрлах өнцгүүд, бондтой харьцуулахад атомуудын байршлын чиглэлийг судалсан. Судалгааны үндсэн дээр пептидийн бондын дараах үндсэн шинж чанаруудыг тогтоосон.
1. Пептидийн бондын дөрвөн атом (C, O, N, H) ба хоёр залгагдсан
a-нүүрстөрөгчийн атомууд нэг хавтгайд оршдог. a-нүүрстөрөгчийн атомын R ба H бүлгүүд энэ хавтгайгаас гадуур байрладаг.
2. Пептидийн бондын O ба H атом ба хоёр a-нүүрстөрөгчийн атом, түүнчлэн R-бүлэг нь пептидийн холбоотой харьцуулахад транс чиглэлтэй байна.
3. 1.32 Å C-N бондын урт нь давхар ковалент холбоо (1.21 Å) ба нэг ковалент холбоо (1.47 Å) хоорондын завсрын үе юм. Үүнээс үзэхэд C-N холбоо нь хэсэгчлэн ханаагүй шинж чанартай байдаг. Энэ нь энол хэлбэрийг бий болгосноор давхар бондын цэг дээр таутомерийн зохицуулалтыг хэрэгжүүлэх урьдчилсан нөхцөлийг бүрдүүлдэг. пептидийн холбоо нь кето-энол хэлбэрээр байж болно.
–C=N– бондын эргэн тойронд эргэлдэх нь хэцүү бөгөөд пептидийн бүлгийн бүх атомууд хавтгай транс бүтэцтэй байдаг. CIS-ийн тохиргоо нь энергийн хувьд тийм ч таатай биш бөгөөд зөвхөн зарим циклийн пептидүүдэд тохиолддог. Хавтгай пептидийн фрагмент бүр нь эргэдэг а-нүүрстөрөгчийн атомын хоёр холбоог агуулдаг.
Уургийн анхдагч бүтэц ба тухайн организм дахь түүний үйл ажиллагааны хооронд маш нягт холбоо байдаг. Уураг нь өөрийн онцлог шинж чанарыг гүйцэтгэхийн тулд энэ уургийн полипептидийн гинжин хэлхээнд амин хүчлүүдийн бүрэн тодорхой дараалал шаардагдана. Энэхүү амин хүчлийн тодорхой дараалал, чанарын болон тоон найрлага нь генетикийн хувьд тогтсон байдаг (ДНХ → РНХ → уураг). Уураг бүр нь амин хүчлүүдийн тодорхой дарааллаар тодорхойлогддог бөгөөд уураг дахь дор хаяж нэг амин хүчлийг солих нь зөвхөн бүтцийн өөрчлөлтөд хүргэдэг төдийгүй физик-химийн шинж чанар, биологийн үйл ажиллагааны өөрчлөлтөд хүргэдэг. Одоо байгаа анхдагч бүтэц нь дараагийн (хоёрдогч, гуравдагч, дөрөвдөгч) бүтцийг урьдчилан тодорхойлдог. Жишээлбэл, эрүүл хүмүүсийн эритроцитууд нь уураг - гемоглобин агуулдаг бөгөөд амин хүчлүүдийн тодорхой дараалалтай байдаг. Хүмүүсийн багахан хэсэг нь гемоглобины бүтцэд төрөлхийн гажигтай байдаг: тэдний эритроцитууд нь гемоглобин агуулдаг бөгөөд энэ нь глютамины хүчлийн оронд (цэнэглэгдсэн, туйлширсан) нэг байрлалд амин хүчлийн валин (гидрофобик, туйлт биш) агуулдаг. Ийм гемоглобин нь физик-химийн болон биологийн шинж чанараараа ердийнхөөс эрс ялгаатай байдаг. Гидрофобик амин хүчлийн харагдах байдал нь "наалдамхай" гидрофобик контакт (эритроцитууд цусны судсанд сайн хөдөлдөггүй), эритроцитын хэлбэр (хоёр хонхойгоос хавирган сар хүртэл) өөрчлөгдөхөд хүргэдэг. хүчилтөрөгчийн дамжуулалт муудах гэх мэт. Энэ гажигтай төрсөн хүүхдүүд бага насандаа хадуур эсийн цус багадалтаас болж нас бардаг.
Биологийн идэвхжил нь амин хүчлийн дарааллаар тодорхойлогддог гэсэн нотолгоог дэмжсэн иж бүрэн нотолгоог рибонуклеаза (Меррифилд) ферментийн зохиомол синтезийн дараа олж авсан. Байгалийн ферменттэй ижил амин хүчлийн дараалал бүхий нийлэгжүүлсэн полипептид нь ижил ферментийн үйл ажиллагаатай байв.
Сүүлийн хэдэн арван жилийн судалгаагаар анхдагч бүтэц нь генетикийн хувьд тогтсон болохыг харуулсан, i.e. полипептидийн гинжин хэлхээнд амин хүчлүүдийн дарааллыг ДНХ-ийн генетик кодоор тодорхойлдог бөгөөд эргээд уургийн молекулын хоёрдогч, гуравдагч, дөрөвдөгч бүтэц, түүний ерөнхий хэлбэрийг тодорхойлдог. Анхдагч бүтэц нь тогтоогдсон анхны уураг нь уураг гормоны инсулин (51 амин хүчлийг агуулдаг) байв. Үүнийг 1953 онд Фредерик Сэнгер хийсэн. Өнөөдрийг хүртэл арав гаруй мянган уургийн анхдагч бүтцийг тайлсан боловч байгальд 10 12 уураг байдаг тул энэ нь маш бага тоо юм. Чөлөөт эргэлтийн үр дүнд полипептидийн гинж нь янз бүрийн бүтцэд мушгих (нугалах) боломжтой байдаг.
хоёрдогч бүтэц.Уургийн молекулын хоёрдогч бүтэц нь орон зайд полипептидийн гинжийг тавих арга гэж ойлгогддог. Уургийн молекулын хоёрдогч бүтэц нь полипептидийн гинжин хэлхээнд а-нүүрстөрөгчийн атомуудыг холбосон бондын эргэн тойронд нэг буюу өөр төрлийн чөлөөт эргэлтийн үр дүнд үүсдэг.Ийм чөлөөт эргэлтийн үр дүнд полипептидийн гинж мушгих (нугалах) чадвартай болдог. орон зайд янз бүрийн бүтцэд .
Байгалийн полипептидийн гинжин хэлхээнд гурван үндсэн бүтэц олдсон.
- а - мушгиа;
- β-бүтэц (атираат хуудас);
- статистикийн ээдрээ.
Бөмбөрцөг уургийн бүтцийн хамгийн их магадлалтай төрөл гэж тооцогддог α-спиральМушгих нь цагийн зүүний дагуу (баруун мушгиа) үүсдэг бөгөөд энэ нь байгалийн уургийн L-амин хүчлийн найрлагатай холбоотой юм. Үүсэх хөдөлгөгч хүч α-мушгиаЭнэ нь амин хүчлүүдийн устөрөгчийн холбоо үүсгэх чадвар юм. R-бүлэг амин хүчлүүд нь төв тэнхлэгээс гадагш чиглэсэн байдаг а- мушгиа. Зэргэлдээх пептидийн бондын >С=О ба >N–Н диполууд нь диполь харилцан үйлчлэлд хамгийн оновчтой чиглэгддэг бөгөөд ингэснээр а-геликсийг тогтворжуулдаг молекулын нэгдмэл устөрөгчийн бондын өргөн хүрээтэй систем үүсдэг.
Helix pitch (нэг бүтэн эргэлт) 5.4Å нь 3.6 амин хүчлийн үлдэгдэл агуулдаг.
Зураг 2 - Уургийн а-геликсийн бүтэц, параметрүүд
Уураг бүр нь түүний полипептидийн гинжин хэлхээний тодорхой хэмжээний спиральжилтаар тодорхойлогддог.
Спираль бүтэц нь хоёр хүчин зүйлээс шалтгаалж болно.
1) гинжин хэлхээнд пролиний үлдэгдэл байгаа тохиолдолд цикл бүтэц нь полипептидийн гинжин хэлхээнд ан цав үүсгэдэг - NH 2 бүлэг байхгүй тул гинжин доторх устөрөгчийн холбоо үүсэх боломжгүй;
2) хэрэв полипептидийн гинжин хэлхээнд эерэг цэнэгтэй (лизин, аргинин) эсвэл сөрөг цэнэгтэй (глютамин, аспартик хүчил) олон амин хүчлийн үлдэгдэл байгаа бол энэ тохиолдолд ижил цэнэгтэй бүлгүүдийн хүчтэй харилцан түлхэлт үүсдэг. (-COO - эсвэл -NH 3 +) нь устөрөгчийн бондын тогтворжуулах нөлөөнөөс ихээхэн давж гардаг а- мушгиа.
Үс, торго, булчин болон бусад фибрилляр уурагт агуулагддаг өөр нэг төрлийн полипептидийн гинжин хэлхээг гэж нэрлэдэг. β бүтэцэсвэл атираат хуудас. Эвхэгдсэн хуудасны бүтэц нь ижил диполуудын хоорондох устөрөгчийн холбоогоор тогтворждог -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
ижил чиглэсэн полипептидийн гинж эсвэл эсрэг параллель;
Эдгээр гинж хоорондын устөрөгчийн холбоогоор бэхждэг. Ийм бүтцийг b-атираат хуудас гэж нэрлэдэг (Зураг 2).
Зураг 3 - полипептидийн гинжин хэлхээний b-бүтэц
a-Helix ба атираат хуудаснууд нь захиалгат бүтэцтэй бөгөөд тэдгээр нь орон зайд амин хүчлийн үлдэгдлийн тогтмол зохион байгуулалттай байдаг. Полипептидийн гинжин хэлхээний зарим хэсэг нь тогтмол үечилсэн орон зайн зохион байгуулалтгүй, тэдгээрийг санамсаргүй эсвэл статистикийн ээдрээ.
Эдгээр бүх бүтэц нь өгөгдсөн полипептид нь генетикийн хувьд урьдчилан тодорхойлсон амин хүчлийн тодорхой дараалалтай байдаг тул аяндаа, автоматаар үүсдэг. a-helices болон b-бүтэцүүд нь уургийн тодорхой биологийн функцийг гүйцэтгэх тодорхой чадварыг тодорхойлдог. Тиймээс а-спираль бүтэц (а-кератин) нь өд, үс, эвэр, туурай зэрэг гадны хамгаалалтын бүтцийг бий болгоход сайн зохицсон байдаг. b-бүтэц нь уян хатан, сунадаггүй торго, аалзны тор үүсэхэд хувь нэмэр оруулдаг бөгөөд коллагены уургийн зохицол нь шөрмөсүүдэд шаардагдах өндөр суналтын бат бэхийг хангадаг. Зөвхөн a-спираль эсвэл б-бүтэц байх нь утаслаг (фибрилляр) уургийн хувьд ердийн зүйл юм. Бөмбөрцөг (бөмбөрцөг) уургийн найрлагад a-helices болон b-бүтцүүд, бүтэцгүй бүсүүдийн агууламж маш их ялгаатай байдаг. Жишээ нь: спиральжуулсан инсулин 60%, рибонуклеаза фермент - 57%, тахианы өндөгний уураг лизоцим - 40%.
Гуравдагч бүтэц.Гуравдагч бүтцийн дагуу тодорхой эзэлхүүнтэй орон зайд полипептидийн гинжийг тавих аргыг ойлгоно.
Уургийн гуравдагч бүтэц нь a-helix, b-бүтэц, санамсаргүй ороомгийн бүсүүдийг агуулсан пептидийн гинжийг нэмэлт нугалах замаар үүсдэг. Уургийн гуравдагч бүтэц нь анхдагч бүтцээр бүрэн автоматаар, аяндаа, бүрэн тодорхойлогддог бөгөөд уургийн молекулын хэлбэртэй шууд холбоотой бөгөөд энэ нь бөмбөрцөг хэлбэрээс утас хэлбэртэй хүртэл ялгаатай байж болно. Уургийн молекулын хэлбэр нь тэгш бус байдлын зэрэг (урт тэнхлэгийн богино тэнхлэгийн харьцаа) зэрэг үзүүлэлтээр тодорхойлогддог. At фибриллярэсвэл утаслаг уургууд, тэгш бус байдлын зэрэг нь 80-аас их. Тэгш бус байдлын зэрэг нь 80-аас бага бол уургийг дараах байдлаар ангилдаг. бөмбөрцөг хэлбэртэй. Тэдгээрийн ихэнх нь 3-5 тэгш бус байдлын зэрэгтэй, i.e. гуравдагч бүтэц нь бөмбөлөг хэлбэртэй ойртож, полипептидийн гинжин хэлхээний нэлээд нягт савлагаагаар тодорхойлогддог.
Бөмбөрцөг уургууд үүсэх явцад амин хүчлүүдийн туйлшралгүй гидрофоб радикалууд уургийн молекул дотор бүлэглэгддэг бол туйлын радикалууд ус руу чиглэдэг. Хэзээ нэгэн цагт молекулын термодинамикийн хувьд хамгийн таатай тогтвортой конформаци буюу бөмбөрцөг үүсдэг. Энэ хэлбэрийн хувьд уургийн молекул нь хамгийн бага чөлөөт эрчим хүчээр тодорхойлогддог. Үүссэн бөмбөрцөгийн хэлбэрт уусмалын рН, уусмалын ионы хүч, уургийн молекулуудын бусад бодисуудтай харилцан үйлчлэл зэрэг хүчин зүйлүүд нөлөөлдөг.
Гурван хэмжээст бүтэц үүсэх гол хөдөлгөгч хүч нь усны молекулуудтай амин хүчлийн радикалуудын харилцан үйлчлэл юм.
фибрилляр уураг.Гуравдагч бүтэц үүсгэх үед тэдгээр нь бөмбөрцөг үүсгэдэггүй - тэдгээрийн полипептидийн гинж нь эвхэгддэггүй, харин фибрил утаснуудад хуваагддаг шугаман гинж хэлбэрээр сунасан хэвээр байна.
Зурах – Коллаген фибрилийн бүтэц (фрагмент).
Сүүлийн үед гуравдагч бүтэц үүсэх үйл явц нь автомат биш, харин тусгай молекулын механизмаар зохицуулагдаж, хянагддаг болохыг нотлох баримтууд гарч ирэв. Энэ үйл явц нь тусгай уураг - шаперонуудыг агуулдаг. Тэдний гол үүрэг нь полипептидийн гинжин хэлхээнээс өвөрмөц бус (эмх замбараагүй) санамсаргүй ороомог үүсэхээс урьдчилан сэргийлэх, тэдгээрийг эсийн дэд зорилтод хүргэх (тээвэрлэх) боломжийг хангаж, уургийн молекулыг нугалж дуусгах нөхцлийг бүрдүүлдэг.
Гуравдагч бүтцийг тогтворжуулах нь хажуугийн радикалуудын атомын бүлгүүдийн хоорондын ковалент бус харилцан үйлчлэлээр хангагдана.
Зураг 4 - Уургийн гуравдагч бүтцийг тогтворжуулдаг бондын төрлүүд
A) электростатик хүчЭсрэг цэнэгтэй ионы бүлгүүдийг (ион-ионы харилцан үйлчлэл) агуулсан радикалуудын хоорондын таталцал, жишээлбэл, аспарагины хүчлийн сөрөг цэнэгтэй карбоксил бүлэг (- COO -) ба лизин үлдэгдлийн эерэг цэнэгтэй электрон амин бүлэг (NH 3+).
б) устөрөгчийн холбоохажуугийн радикалуудын функциональ бүлгүүдийн хооронд. Жишээлбэл, тирозины OH бүлэг ба аспарагины хүчлийн карбоксил хүчилтөрөгчийн хооронд
V) гидрофобик харилцан үйлчлэлтуйлшралгүй амин хүчлийн радикалуудын хоорондох ван дер Ваалсын хүчний улмаас. (Жишээ нь, бүлгүүд
-CH 3 - аланин, валин гэх мэт.
G) диполь-диполь харилцан үйлчлэл
д) дисульфидын холбоо(–S–S–) цистеины үлдэгдэл хооронд. Энэ холбоо нь маш бат бөх бөгөөд бүх уурагт байдаггүй. Энэ холболт нь үр тариа, гурилын уургийн бодисуудад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь. Энэ нь цавуулаг чанар, зуурмагийн бүтэц, механик шинж чанар, үүний дагуу эцсийн бүтээгдэхүүн болох талх гэх мэт чанарт нөлөөлдөг.
Уургийн бөмбөрцөг нь туйлын хатуу бүтэц биш юм: тодорхой хүрээнд пептидийн гинжин хэлхээний хэсгүүдийн бие биентэйгээ харьцуулахад урвуу хөдөлгөөн нь цөөн тооны сул холбоо тасарч, шинээр үүсэх боломжтой байдаг. Молекул нь амьсгалж, янз бүрийн хэсэгт импульс хийдэг. Эдгээр импульс нь молекулын үндсэн конформацийн төлөвлөгөөг алдагдуулдаггүй, яг л болор дахь атомуудын дулааны чичиргээ нь хайлах өндөр температураас нааш болорын бүтцийг өөрчилдөггүй.
Уургийн молекул нь байгалийн гаралтай гуравдагч бүтцийг олж авсны дараа л түүний үйл ажиллагааны онцлог шинж чанартай байдаг: катализатор, дааврын, антиген гэх мэт. Гуравдагч бүтэц үүсэх үед ферментийн идэвхтэй төвүүд, уургийг олон ферментийн цогцолборт нэгтгэх үүрэгтэй төвүүд, супрамолекулын бүтцийг өөрөө нэгтгэх үүрэгтэй төвүүд үүсдэг. Тиймээс уургийн энэхүү уугуул хэлбэрийг устгахад хүргэдэг аливаа нөлөөлөл (дулааны, физик, механик, химийн) нь уургийн биологийн шинж чанараа хэсэгчлэн эсвэл бүрэн алддаг.
Зарим уургийн бүрэн химийн бүтцийг судалж үзэхэд тэдгээрийн гуравдагч бүтцийн бүсүүд нь амин хүчлүүдийн гидрофоб радикалууд төвлөрч, полипептидийн гинжин хэлхээ нь гидрофобик цөмд оршдог болохыг харуулж байна. Түүгээр ч барахгүй зарим тохиолдолд уургийн молекулд хоёр, бүр гурван гидрофоб цөм тусгаарлагддаг бөгөөд үүний үр дүнд 2 эсвэл 3 цөмийн бүтэц үүсдэг. Энэ төрлийн молекулын бүтэц нь катализаторын функцтэй олон уургийн шинж чанартай байдаг (рибонуклеаза, лизоцим гэх мэт). Тодорхой хэмжээний бүтэц, үйл ажиллагааны бие даасан байдалтай уургийн молекулын салангид хэсэг буюу бүс нутгийг домэйн гэж нэрлэдэг. Жишээлбэл, зарим ферментүүд нь субстратыг холбодог ба коферментийг холбодог тодорхой бүстэй байдаг.
Биологийн хувьд фибрилляр уураг нь амьтны анатоми, физиологид маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Сээр нуруутан амьтдын хувьд эдгээр уураг нь нийт агууламжийн 1/3-ийг эзэлдэг. Фибрилляр уургийн жишээ бол торгоны уураг - фиброин бөгөөд атираат хуудас бүтэцтэй хэд хэдэн эсрэг параллель гинжээс бүрддэг. Уураг а-кератин нь 3-7 гинжийг агуулдаг. Коллаген нь зүүн талын 3 ижил гинжийг мушгиж баруун гарын гурвалсан мушгиа үүсгэдэг цогц бүтэцтэй. Энэхүү гурвалсан спираль нь олон тооны молекул хоорондын устөрөгчийн бондоор тогтворждог. Гидроксипролин, гидроксилизин зэрэг амин хүчлүүд нь гурвалсан спираль бүтцийг тогтворжуулах устөрөгчийн холбоо үүсэхэд хувь нэмэр оруулдаг. Бүх фибрилляр уураг нь усанд уусдаг эсвэл бүрэн уусдаггүй, учир нь тэдгээр нь изолейцин, фенилаланин, валин, аланин, метионин зэрэг гидрофоб, усанд уусдаггүй R бүлгүүдийг агуулсан олон амин хүчлийг агуулдаг. Тусгай боловсруулалт хийсний дараа уусдаггүй, шингэдэггүй коллаген нь желатин уусдаг полипептидийн холимог болж хувирдаг бөгөөд дараа нь хүнсний үйлдвэрлэлд ашигладаг.
Бөмбөрцөг уургууд. Тэд янз бүрийн биологийн функцийг гүйцэтгэдэг. Тэд тээврийн функцийг гүйцэтгэдэг, өөрөөр хэлбэл. шим тэжээл, органик бус ион, липид гэх мэтийг зөөвөрлөнө. Гормонууд, түүнчлэн мембран, рибосомын бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь нэг төрлийн уургийн ангилалд багтдаг. Бүх ферментүүд нь мөн бөмбөрцөг хэлбэртэй уураг юм.
Дөрөвдөгчийн бүтэц.Хоёр ба түүнээс дээш полипептидийн гинж агуулсан уураг гэж нэрлэдэг олигомер уураг, тэдгээр нь дөрөвдөгч бүтэцтэй байдгаараа онцлог юм.
Зураг - Гуравдагч (а) ба дөрөвдөгч (б) уургийн бүтцийн схемүүд
Олигомер уургийн хувьд полипептидийн гинж бүр нь анхдагч, хоёрдогч, гуравдагч бүтэцээрээ тодорхойлогддог бөгөөд үүнийг дэд нэгж буюу протомер гэж нэрлэдэг.Ийм уургийн полипептидийн гинж (протомер) нь ижил эсвэл өөр байж болно. Олигомер уургууд нь протомерууд нь ижил бол нэгэн төрлийн, өөр өөр бол гетероген гэж нэрлэгддэг. Жишээлбэл, гемоглобины уураг нь 4 гинжээс бүрдэнэ: хоёр -а, хоёр -b протомер. А-амилаза фермент нь 2 ижил полипептидийн гинжээс бүрдэнэ. Дөрөвдөгчийн бүтцийг бие биентэйгээ харьцуулсан полипептидийн гинж (протомер) зохион байгуулалт гэж ойлгодог, өөрөөр хэлбэл. тэдгээрийн хамтарсан овоолох, савлах арга. Энэ тохиолдолд протомерууд бие биетэйгээ гадаргуугийн аль нэг хэсэг биш, харин тодорхой хэсэг (холбоо барих гадаргуу) -аар харилцан үйлчилдэг. Холбоо барих гадаргуу нь атомын бүлгүүдийн ийм зохион байгуулалттай байдаг бөгөөд тэдгээрийн хооронд устөрөгч, ион, гидрофобын холбоо үүсдэг. Үүнээс гадна протомеруудын геометр нь тэдний холболтод хувь нэмэр оруулдаг. Протомерууд цоожны түлхүүр мэт хоорондоо тохирдог. Ийм гадаргууг нэмэлт гэж нэрлэдэг. Протомер бүр өөр хоорондоо олон цэгт харилцан үйлчилдэг тул бусад полипептидийн гинж эсвэл уурагтай холбох боломжгүй болгодог. Молекулуудын ийм нэмэлт харилцан үйлчлэл нь бие махбод дахь бүх биохимийн процессуудын үндэс болдог.
