Legătura peptidică este covalentă în natura sa chimică și conferă o rezistență ridicată structurii primare a moleculei proteice. Fiind un element repetat al lanțului polipeptidic și având caracteristici structurale specifice, legătura peptidică afectează nu numai forma structurii primare, ci și nivelurile superioare de organizare a lanțului polipeptidic.
L. Pauling și R. Corey au adus o mare contribuție la studiul structurii moleculei proteice. Observând că molecula de proteină conține cele mai multe legături peptidice, au fost primii care au efectuat studii minuțioase cu raze X ale acestei legături. Am studiat lungimile legăturilor, unghiurile la care se află atomii și direcția atomilor în raport cu legătura. Pe baza cercetării au fost stabilite următoarele caracteristici principale ale legăturii peptidice.
1. Patru atomi ai legăturii peptidice (C, O, N, H) și doi atașați
Atomii de carbon se află în același plan. Grupările R și H ale atomilor de carbon a se află în afara acestui plan.
2. Atomii O și H ai legăturii peptidice și cei doi atomi de carbon a, precum și grupările R au o orientare trans față de legătura peptidică.
3. Lungimea legăturii C–N, egală cu 1,32 Å, este intermediară între lungimea unei legături covalente duble (1,21 Å) și a unei legături covalente simple (1,47 Å). Rezultă că legătura C-N este parțial nesaturată. Aceasta creează premisele pentru ca rearanjamentele tautomerice să apară la legătura dublă cu formarea formei de enol, adică. legătura peptidică poate exista sub formă de ceto-enol.
Rotația în jurul legăturii –C=N– este dificilă și toți atomii incluși în grupul peptidic au o configurație trans plană. Configurația cis este mai puțin favorabilă din punct de vedere energetic și se găsește numai în unele peptide ciclice. Fiecare fragment de peptidă plană conține două legături cu atomi de carbon a capabili de rotație.
Există o relație foarte strânsă între structura primară a unei proteine și funcția acesteia într-un organism dat. Pentru ca o proteină să-și îndeplinească funcția inerentă, este necesară o secvență foarte specifică de aminoacizi în lanțul polipeptidic al acestei proteine. Această secvență specifică de aminoacizi, compoziția calitativă și cantitativă este fixată genetic (ADN→ARN→proteină). Fiecare proteină este caracterizată de o secvență specifică de aminoacizi, înlocuirea a cel puțin unui aminoacid într-o proteină duce nu numai la rearanjamente structurale, ci și la modificări ale proprietăților fizico-chimice și ale funcțiilor biologice. Structura primară existentă predetermina structurile ulterioare (secundar, terțiar, cuaternar). De exemplu, globulele roșii ale oamenilor sănătoși conțin o proteină numită hemoglobină cu o anumită secvență de aminoacizi. O mică proporție de oameni au o anomalie congenitală în structura hemoglobinei: globulele lor roșii conțin hemoglobină, care într-o poziție conține aminoacidul valină (hidrofob, nepolar) în loc de acid glutamic (încărcat, polar). O astfel de hemoglobină diferă semnificativ în proprietățile fizico-chimice și biologice față de cele normale. Apariția unui aminoacid hidrofob duce la apariția unui contact hidrofob „lipicios” (globulele roșii nu se mișcă bine în vasele de sânge), la o schimbare a formei globulelor roșii (de la biconcav la în formă de semilună) , precum și la o deteriorare a transferului de oxigen etc. Copiii născuți cu această anomalie mor în copilăria timpurie din cauza anemia cu celule falciforme.
Dovezi cuprinzătoare în favoarea afirmației că activitatea biologică este determinată de secvența de aminoacizi au fost obținute după sinteza artificială a enzimei ribonuclează (Merrifield). O polipeptidă sintetizată cu aceeași secvență de aminoacizi ca și enzima naturală a avut aceeași activitate enzimatică.
Cercetările din ultimele decenii au arătat că structura primară este fixată genetic, adică. secvența de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic este determinată de codul genetic al ADN-ului și, la rândul său, determină structurile secundare, terțiare și cuaternare ale moleculei proteice și conformația generală a acesteia. Prima proteină a cărei structură primară a fost stabilită a fost hormonul proteic insulina (conține 51 de aminoacizi). Acest lucru a fost făcut în 1953 de Frederick Sanger. Până în prezent, structura primară a peste zece mii de proteine a fost descifrată, dar acesta este un număr foarte mic, având în vedere că există aproximativ 10 12 proteine în natură. Ca rezultat al rotației libere, lanțurile polipeptidice sunt capabile să se răsucească (plieze) în diferite structuri.
Structura secundara. Structura secundară a unei molecule de proteine se referă la modul în care lanțul polipeptidic este aranjat în spațiu. Structura secundară a unei molecule de proteină este formată ca urmare a unuia sau altui tip de rotație liberă în jurul legăturilor care leagă atomii de a-carbon din lanțul polipeptidic. Ca urmare a acestei rotații libere, lanțurile polipeptidice sunt capabile să se răsucească. în spațiu în diferite structuri.
Trei tipuri principale de structură se găsesc în lanțurile polipeptidice naturale:
- a-helix;
- β-structură (foaie pliată);
- încurcătură statistică.
Cel mai probabil tip de structură a proteinelor globulare este considerat a fi α-helix Răsucirea are loc în sensul acelor de ceasornic (spirala din dreapta), ceea ce se datorează compoziției de L-aminoacizi a proteinelor naturale. Forța motrice în apariție α-helices este capacitatea aminoacizilor de a forma legături de hidrogen. Grupările R de aminoacizi sunt îndreptate spre exterior dinspre axa centrală a-helices. dipolii > C=O și > N–H ai legăturilor peptidice învecinate sunt orientați optim pentru interacțiunea dipolului, formând astfel un sistem extins de legături de hidrogen cooperante intramoleculare care stabilizează a-helixul.
Pasul de helix (o tură completă) de 5,4 Å include 3,6 reziduuri de aminoacizi.
Figura 2 – Structura și parametrii a-helix-ului proteinei
Fiecare proteină este caracterizată de un anumit grad de helicitate a lanțului său polipeptidic
Structura spirală poate fi perturbată de doi factori:
1) prezența unui reziduu de prolină în lanț, a cărui structură ciclică introduce o ruptură în lanțul polipeptidic - nu există grupare –NH 2, prin urmare formarea unei legături de hidrogen intracatenar este imposibilă;
2) dacă într-un lanț polipeptidic există multe resturi de aminoacizi la rând care au o sarcină pozitivă (lizină, arginină) sau o sarcină negativă (acizi glutamic, aspartic), în acest caz repulsia reciprocă puternică a grupărilor cu încărcare similară (– COO– sau –NH 3 +) depășește semnificativ influența stabilizatoare a legăturilor de hidrogen în a-helices.
Un alt tip de configurație a lanțului polipeptidic găsit în păr, mătase, mușchi și alte proteine fibrilare este numit β-structuri sau foaie pliată. Structura foii pliate este, de asemenea, stabilizată prin legături de hidrogen între aceiași 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
lanțuri polipeptidice care sunt direcționate identic sau antiparalel,
care sunt întărite datorită legăturilor de hidrogen dintre aceste lanţuri. Astfel de structuri sunt numite foi pliate în b (Figura 2).
Figura 3 – structura b a lanțurilor polipeptidice
a-helix și foile pliate sunt structuri ordonate, au un aranjament regulat de reziduuri de aminoacizi în spațiu. Unele regiuni ale lanțului polipeptidic nu au nicio organizare spațială periodică regulată sunt desemnate ca dezordonate sau încurcătură statistică.
Toate aceste structuri apar spontan și automat datorită faptului că o anumită polipeptidă are o anumită secvență de aminoacizi, care este predeterminată genetic. elicele a și structurile b determină o anumită capacitate a proteinelor de a îndeplini funcții biologice specifice. Astfel, structura a-helidiană (a-keratina) este bine adaptată pentru a forma structuri de protecție externe - pene, păr, coarne, copite. Structura b promovează formarea de fire de mătase și pânză flexibile și inextensibile, iar conformația proteinei de colagen asigură rezistența ridicată la tracțiune necesară tendoanelor. Prezența doar a elicelor a sau a structurilor b este caracteristică proteinelor filamentoase (fibrilare). În compoziția proteinelor globulare (sferice), conținutul de elice a și structurilor b și al regiunilor fără structură variază foarte mult. De exemplu: insulina este spiralizată 60%, enzima ribonuclează - 57%, lizozima proteică din ou de găină - 40%.
Structura terțiară. Structura terțiară se referă la modul în care un lanț polipeptidic este aranjat în spațiu într-un anumit volum.
Structura terțiară a proteinelor este formată prin plierea suplimentară a lanțului peptidic care conține o helix a, structuri b și regiuni aleatoare ale bobinei. Structura terțiară a unei proteine se formează complet automat, spontan și complet predeterminată de structura primară și este direct legată de forma moleculei proteice, care poate fi diferită: de la sferică la filamentoasă. Forma unei molecule de proteină este caracterizată de un indicator precum gradul de asimetrie (raportul dintre axa lungă și cea scurtă). U fibrilare sau proteine filamentoase, gradul de asimetrie este mai mare de 80. Cu un grad de asimetrie mai mic de 80, proteinele sunt clasificate ca globular. Majoritatea au un grad de asimetrie de 3-5, i.e. structura terțiară se caracterizează printr-o împachetare destul de densă a lanțului polipeptidic, care se apropie de forma unei bile.
În timpul formării proteinelor globulare, radicalii de aminoacizi hidrofobi nepolari sunt grupați în molecula proteică, în timp ce radicalii polari sunt orientați spre apă. La un moment dat, apare conformația stabilă cea mai favorabilă termodinamic a moleculei, un globul. În această formă, molecula proteică este caracterizată de energie liberă minimă. Conformația globului rezultat este influențată de factori precum pH-ul soluției, puterea ionică a soluției, precum și interacțiunea moleculelor proteice cu alte substanțe.
Principala forță motrice în apariția unei structuri tridimensionale este interacțiunea radicalilor de aminoacizi cu moleculele de apă.
Proteine fibrilare.În timpul formării structurii terțiare, nu formează globule - lanțurile lor polipeptidice nu se pliază, ci rămân alungite sub formă de lanțuri liniare, grupându-se în fibre fibrile.
Desen – Structura fibrilei de colagen (fragment).
Recent, au apărut dovezi că procesul de formare a structurii terțiare nu este automat, ci este reglat și controlat de mecanisme moleculare speciale. Acest proces implică proteine specifice - chaperone. Principalele lor funcții sunt capacitatea de a preveni formarea de bobine aleatoare nespecifice (haotice) din lanțul polipeptidic și de a asigura livrarea (transportul) acestora către ținte subcelulare, creând condiții pentru finalizarea plierii moleculei proteice.
Stabilizarea structurii terțiare este asigurată de interacțiuni necovalente între grupările atomice ale radicalilor laterali.
Figura 4 - Tipuri de legături care stabilizează structura terțiară a unei proteine
O) forțe electrostatice atracție între radicali care poartă grupări ionice încărcate opus (interacțiuni ion-ion), de exemplu, gruparea carboxil încărcată negativ (– COO –) a acidului aspartic și (NH 3 +) gruparea e-amino încărcată pozitiv a restului de lizină.
b) legături de hidrogenîntre grupările funcţionale ale radicalilor laterali. De exemplu, între gruparea OH a tirozinei și oxigenul carboxilic al acidului aspartic
V) interacțiuni hidrofobe sunt cauzate de forțele van der Waals dintre radicalii aminoacizi nepolari. (De exemplu, în grupuri
–CH 3 – alanină, valină etc.
G) interacțiuni dipol-dipol
d) legături disulfurice(–S–S–) între reziduurile de cisteină. Această legătură este foarte puternică și nu este prezentă în toate proteinele. Această legătură joacă un rol important în substanțele proteice din cereale și făină, deoarece influențează calitatea glutenului, proprietățile structurale și mecanice ale aluatului și, în consecință, calitatea produsului finit - pâine etc.
Un globul proteic nu este o structură absolut rigidă: în anumite limite, mișcările reversibile ale părților lanțului peptidic unele față de altele sunt posibile cu ruperea unui număr mic de legături slabe și formarea altora noi. Molecula pare să respire, să pulseze în diferitele sale părți. Aceste pulsații nu perturbă planul de conformație de bază al moleculei, la fel cum vibrațiile termice ale atomilor dintr-un cristal nu schimbă structura cristalului dacă temperatura nu este atât de ridicată încât să aibă loc topirea.
Abia după ce o moleculă proteică capătă o structură terțiară naturală, nativă, își manifestă activitatea funcțională specifică: catalitică, hormonală, antigenică etc. În timpul formării structurii terțiare are loc formarea de centri activi ai enzimelor, centre responsabili de integrarea proteinelor în complexul multienzimatic, centri responsabili de auto-asamblarea structurilor supramoleculare. Prin urmare, orice influențe (termice, fizice, mecanice, chimice) care conduc la distrugerea acestei conformații native a proteinei (ruperea legăturilor) sunt însoțite de pierderea parțială sau completă a proprietăților biologice ale proteinei.
Studiul structurilor chimice complete ale unor proteine a arătat că în structura lor terțiară sunt identificate zone unde sunt concentrați radicalii de aminoacizi hidrofobi, iar lanțul polipeptidic este de fapt înfășurat în jurul miezului hidrofob. Mai mult, în unele cazuri, doi sau chiar trei nuclei hidrofobi sunt separați într-o moleculă de proteină, rezultând o structură cu 2 sau 3 nuclee. Acest tip de structură moleculară este caracteristic multor proteine care au o funcție catalitică (ribonuclează, lizozimă etc.). O parte sau o regiune separată a unei molecule de proteine care are un anumit grad de autonomie structurală și funcțională se numește domeniu. Un număr de enzime, de exemplu, au domenii separate de legare a substratului și de legare a coenzimei.
Din punct de vedere biologic, proteinele fibrilare joacă un rol foarte important legat de anatomia și fiziologia animalelor. La vertebrate, aceste proteine reprezintă 1/3 din conținutul lor total. Un exemplu de proteine fibrilare este fibroina proteică de mătase, care constă din mai multe lanțuri antiparalele cu o structură de foaie pliată. Proteina a-keratina conține 3-7 lanțuri. Colagenul are o structură complexă în care 3 lanțuri levogitoare identice sunt răsucite împreună pentru a forma un triplu helix dextrogiro. Această triplă helix este stabilizată de numeroase legături de hidrogen intermoleculare. Prezența aminoacizilor precum hidroxiprolina și hidroxilizina contribuie, de asemenea, la formarea legăturilor de hidrogen care stabilizează structura triplei helix. Toate proteinele fibrilare sunt slab solubile sau complet insolubile în apă, deoarece conțin mulți aminoacizi care conțin grupări R hidrofobe, insolubile în apă izoleucină, fenilalanină, valină, alanină, metionină. După o prelucrare specială, colagenul insolubil și indigerabil este transformat într-un amestec de polipeptide solubile în gelatină, care este apoi utilizat în industria alimentară.
Proteine globulare. Îndeplinește o varietate de funcții biologice. Ele îndeplinesc o funcție de transport, adică. transporta nutrienti, ioni anorganici, lipide etc. Hormonii, precum și componentele membranelor și ribozomilor, aparțin aceleiași clase de proteine. Toate enzimele sunt, de asemenea, proteine globulare.
Structura cuaternară. Proteinele care conțin două sau mai multe lanțuri polipeptidice sunt numite proteine oligomerice, se caracterizează prin prezența unei structuri cuaternare.
Figura - Scheme ale structurilor proteice terțiare (a) și cuaternare (b).
În proteinele oligomerice, fiecare dintre lanțurile polipeptidice este caracterizată prin structura sa primară, secundară și terțiară și este numită subunitate sau protomer. Lanțurile polipeptidice (protomeri) din astfel de proteine pot fi fie aceleași, fie diferite. Proteinele oligomerice sunt numite omogene dacă protomerii lor sunt aceiași și eterogene dacă protomerii lor sunt diferiți. De exemplu, hemoglobina proteică este formată din 4 lanțuri: doi protomeri -a și doi -b. Enzima a-amilaza constă din 2 lanțuri polipeptidice identice. Structura cuaternară se referă la aranjamentul lanțurilor polipeptidice (protomeri) unul față de celălalt, adică metoda de stivuire și ambalare comună a acestora. În acest caz, protomerii interacționează între ei nu cu orice parte a suprafeței lor, ci cu o anumită zonă (suprafață de contact). Suprafețele de contact au un astfel de aranjament de grupări atomice între care apar legături de hidrogen, ionice și hidrofobe. În plus, geometria protomerilor favorizează și legătura lor. Protomerii se potrivesc împreună ca o cheie a unei încuietori. Astfel de suprafețe se numesc complementare. Fiecare protomer interacționează cu celălalt în mai multe puncte, făcând imposibilă legătura cu alte lanțuri polipeptidice sau proteine. Astfel de interacțiuni complementare ale moleculelor stau la baza tuturor proceselor biochimice din organism.
