Peptidová väzba je vo svojej chemickej povahe kovalentná a dáva vysokú pevnosť primárnej štruktúre proteínovej molekuly. Keďže je peptidová väzba opakujúcim sa prvkom polypeptidového reťazca a má špecifické štruktúrne vlastnosti, ovplyvňuje nielen formu primárnej štruktúry, ale aj vyššie úrovne organizácie polypeptidového reťazca.
Veľký príspevok k štúdiu štruktúry molekuly proteínu mali L. Pauling a R. Corey. Upozorňujúc na skutočnosť, že molekula proteínu má najviac peptidových väzieb, ako prví vykonali starostlivé röntgenové difrakčné štúdie tejto väzby. Študovali sme dĺžky väzieb, uhly, v ktorých sú atómy umiestnené, smer usporiadania atómov vzhľadom na väzbu. Na základe výskumu boli stanovené nasledujúce hlavné charakteristiky peptidovej väzby.
1. Štyri atómy peptidovej väzby (C, O, N, H) a dva pripojené
a-atómy uhlíka ležia v rovnakej rovine. Skupiny R a H atómov uhlíka a-ležia mimo tejto roviny.
2. Atómy O a H peptidovej väzby a dva atómy uhlíka a-, ako aj R-skupiny, majú trans orientáciu vzhľadom na peptidovú väzbu.
3. Dĺžka väzby C–N 1,32 Á je stredná medzi dĺžkou dvojitej kovalentnej väzby (1,21 Á) a jednoduchej kovalentnej väzby (1,47 Á). Z toho vyplýva, že väzba C–N má čiastočne nenasýtený charakter. To vytvára predpoklady pre realizáciu tautomérnych prešmykov v mieste dvojitej väzby s tvorbou enolovej formy, t.j. peptidová väzba môže existovať vo forme keto-enolu.
Rotácia okolo väzby –C=N– je ťažká a všetky atómy v skupine peptidov majú planárnu trans konfiguráciu. Konfigurácia cis je energeticky menej priaznivá a vyskytuje sa len v niektorých cyklických peptidoch. Každý planárny peptidový fragment obsahuje dve väzby na rotujúce a-uhlíkové atómy.
Existuje veľmi úzky vzťah medzi primárnou štruktúrou proteínu a jeho funkciou v danom organizme. Na to, aby proteín mohol vykonávať svoju charakteristickú funkciu, je potrebná úplne špecifická sekvencia aminokyselín v polypeptidovom reťazci tohto proteínu. Táto špecifická sekvencia aminokyselín, kvalitatívne a kvantitatívne zloženie je geneticky fixovaná (DNA → RNA → proteín). Každý proteín je charakterizovaný určitým poradím aminokyselín, nahradenie aspoň jednej aminokyseliny v proteíne vedie nielen k štrukturálnym preskupeniam, ale aj k zmenám fyzikálno-chemických vlastností a biologických funkcií. Existujúca primárna štruktúra predurčuje následné (sekundárne, terciárne, kvartérne) štruktúry. Napríklad erytrocyty zdravých ľudí obsahujú proteín - hemoglobín s určitým poradím aminokyselín. Malá časť ľudí má vrodenú anomáliu v štruktúre hemoglobínu: ich erytrocyty obsahujú hemoglobín, ktorý v jednej polohe namiesto kyseliny glutámovej (nabitý, polárny) obsahuje aminokyselinu valín (hydrofóbny, nepolárny). Takýto hemoglobín sa výrazne líši vo fyzikálno-chemických a biologických vlastnostiach od normálnych. Výskyt hydrofóbnej aminokyseliny vedie k vzniku „lepkavého“ hydrofóbneho kontaktu (erytrocyty sa v cievach nepohybujú dobre), k zmene tvaru erytrocytu (z bikonkávneho na tvar polmesiaca), ako aj k zhoršeniu prenosu kyslíka atď. Deti narodené s touto anomáliou zomierajú v ranom detstve na kosáčikovitú anémiu.
Komplexné dôkazy v prospech tvrdenia, že biologická aktivita je určená sekvenciou aminokyselín, sa získali po umelej syntéze enzýmu ribonukleázy (Merrifield). Syntetizovaný polypeptid s rovnakou sekvenciou aminokyselín ako prirodzený enzým mal rovnakú enzymatickú aktivitu.
Štúdie posledných desaťročí ukázali, že primárna štruktúra je fixovaná geneticky, t.j. sekvencia aminokyselín v polypeptidovom reťazci je určená genetickým kódom DNA a následne určuje sekundárne, terciárne a kvartérne štruktúry molekuly proteínu a jej všeobecnú konformáciu. Prvým proteínom, ktorého primárna štruktúra bola stanovená, bol proteínový hormón inzulín (obsahuje 51 aminokyselín). Toto urobil v roku 1953 Frederick Sanger. K dnešnému dňu bola rozlúštená primárna štruktúra viac ako desaťtisíc proteínov, čo je však veľmi malý počet, ak vezmeme do úvahy, že v prírode je približne 10 12 proteínov. V dôsledku voľnej rotácie sa polypeptidové reťazce dokážu skrútiť (skladať) do rôznych štruktúr.
sekundárna štruktúra. Sekundárna štruktúra molekuly proteínu sa chápe ako spôsob uloženia polypeptidového reťazca v priestore. Sekundárna štruktúra molekuly proteínu sa vytvára ako výsledok jedného alebo druhého typu voľnej rotácie okolo väzieb spájajúcich atómy uhlíka v polypeptidovom reťazci. V dôsledku tejto voľnej rotácie sa polypeptidové reťazce môžu skrútiť (skladať). v priestore do rôznych štruktúr.
V prirodzených polypeptidových reťazcoch boli nájdené tri hlavné typy štruktúry:
- a-helix;
- β-štruktúra (skladaný list);
- štatistická spleť.
Za najpravdepodobnejší typ štruktúry globulárnych proteínov sa považuje a-helix Krútenie sa vyskytuje v smere hodinových ručičiek (pravá špirála), čo je spôsobené zložením L-aminokyselín v prírodných proteínoch. Hnacia sila pri vzniku α-závitnice je schopnosť aminokyselín vytvárať vodíkové väzby. R-skupiny aminokyselín sú nasmerované smerom von z centrálnej osi a-helixy. >С=О a >N–Н dipóly susedných peptidových väzieb sú optimálne orientované pre dipólovú interakciu, čo vedie k vytvoreniu rozsiahleho systému intramolekulárnych kooperatívnych vodíkových väzieb stabilizujúcich a-helix.
Rozstup špirály (jedna celá otáčka) 5,4Á obsahuje 3,6 aminokyselinových zvyškov.
Obrázok 2 - Štruktúra a parametre a-helixu proteínu
Každý proteín je charakterizovaný určitým stupňom helikalizácie svojho polypeptidového reťazca.
Špirálovú štruktúru môžu narušiť dva faktory:
1) v prítomnosti prolínového zvyšku v reťazci, ktorého cyklická štruktúra zavádza do polypeptidového reťazca zalomenie - neexistuje žiadna skupina –NH2, preto nie je možné vytvoriť vnútroreťazcovú vodíkovú väzbu;
2) ak je v polypeptidovom reťazci veľa aminokyselinových zvyškov za sebou, ktoré majú kladný náboj (lyzín, arginín) alebo záporný náboj (kyseliny glutámová, asparágové), v tomto prípade silné vzájomné odpudzovanie podobne nabitých skupín (-COO - alebo -NH 3 +) výrazne prevyšuje stabilizačný účinok vodíkových väzieb v a-helixy.
Iný typ konfigurácie polypeptidového reťazca nachádzajúci sa vo vlasoch, hodvábe, svaloch a iných fibrilárnych proteínoch je tzv β štruktúry alebo skladaný list. Skladaná štruktúra listu je tiež stabilizovaná vodíkovými väzbami medzi rovnakými dipólmi –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
identicky smerované polypeptidové reťazce alebo antiparalelné,
ktoré sú zosilnené vodíkovými väzbami medzi týmito reťazcami. Takéto štruktúry sa nazývajú b-skladané listy (obrázok 2).
Obrázok 3 - b-štruktúra polypeptidových reťazcov
a-Helix a skladané listy sú usporiadané štruktúry, majú pravidelné usporiadanie aminokyselinových zvyškov v priestore. Niektoré úseky polypeptidového reťazca nemajú žiadnu pravidelnú periodickú priestorovú organizáciu, označujú sa ako náhodné resp štatistická spleť.
Všetky tieto štruktúry vznikajú spontánne a automaticky v dôsledku skutočnosti, že daný polypeptid má špecifickú sekvenciu aminokyselín, ktorá je geneticky predurčená. a-helixy a b-štruktúry určujú určitú schopnosť proteínov vykonávať špecifické biologické funkcie. Takže a-helikálna štruktúra (a-keratín) je dobre prispôsobená na vytváranie vonkajších ochranných štruktúr - perie, vlasy, rohy, kopytá. B-štruktúra prispieva k tvorbe pružného a neroztiahnuteľného hodvábu a pavučiny a konformácia kolagénového proteínu poskytuje vysokú pevnosť v ťahu potrebnú pre šľachy. Pre filamentózne (fibrilárne) proteíny je typická prítomnosť iba a-helixov alebo b-štruktúr. V zložení globulárnych (sférických) proteínov sa obsah a-helixov a b-štruktúr a bezštruktúrnych oblastí veľmi líši. Napríklad: inzulín špirálovitý 60%, enzým ribonukleáza - 57%, proteín z kuracieho vajca lyzozým - 40%.
Terciárna štruktúra. Pod terciárnou štruktúrou rozumieme spôsob uloženia polypeptidového reťazca v priestore v určitom objeme.
Terciárna štruktúra proteínov je tvorená dodatočným skladaním peptidového reťazca obsahujúceho a-helix, b-štruktúry a oblasti náhodného zvitku. Terciárna štruktúra proteínu sa vytvára úplne automaticky, spontánne a úplne vopred určená primárnou štruktúrou a priamo súvisí s tvarom molekuly proteínu, ktorý môže byť rôzny: od guľovitého až po vláknitý. Tvar molekuly proteínu je charakterizovaný takým indikátorom, ako je stupeň asymetrie (pomer dlhej osi ku krátkej). O fibrilárne alebo vláknité proteíny, stupeň asymetrie je vyšší ako 80. Ak je stupeň asymetrie nižší ako 80, proteíny sú klasifikované ako guľovitý. Väčšina z nich má stupeň asymetrie 3-5, t.j. terciárna štruktúra je charakterizovaná pomerne hustým zbalením polypeptidového reťazca, blížiacemu sa tvaru gule.
Pri tvorbe globulárnych proteínov sa vnútri molekuly proteínu zoskupujú nepolárne hydrofóbne radikály aminokyselín, zatiaľ čo polárne radikály sú orientované smerom k vode. V určitom bode vzniká termodynamicky najpriaznivejšia stabilná konformácia molekuly, globula. V tejto forme sa molekula proteínu vyznačuje minimom voľnej energie. Konformácia výslednej globule je ovplyvnená takými faktormi, ako je pH roztoku, iónová sila roztoku, ako aj interakcia proteínových molekúl s inými látkami.
Hlavnou hnacou silou pri vzniku trojrozmernej štruktúry je interakcia radikálov aminokyselín s molekulami vody.
fibrilárne proteíny. Pri vytváraní terciárnej štruktúry netvoria globule - ich polypeptidové reťazce sa neskladajú, ale zostávajú predĺžené vo forme lineárnych reťazcov, zoskupujúcich sa do fibrilových vlákien.
Kreslenie – Štruktúra kolagénovej fibrily (fragmentu).
Nedávno sa objavili dôkazy, že proces tvorby terciárnej štruktúry nie je automatický, ale je regulovaný a riadený špeciálnymi molekulárnymi mechanizmami. Tento proces zahŕňa špecifické proteíny - chaperóny. Ich hlavnými funkciami je schopnosť zabrániť vzniku nešpecifických (chaotických) náhodných zvitkov z polypeptidového reťazca a zabezpečiť ich dodanie (transport) do subcelulárnych cieľov, čím sa vytvárajú podmienky na dokončenie poskladania proteínovej molekuly.
Stabilizácia terciárnej štruktúry je zabezpečená nekovalentnými interakciami medzi atómovými skupinami vedľajších radikálov.
Obrázok 4 - Typy väzieb, ktoré stabilizujú terciárnu štruktúru proteínu
A) elektrostatické sily príťažlivosť medzi radikálmi nesúcimi opačne nabité iónové skupiny (interakcie ión-ión), napríklad negatívne nabitá karboxylová skupina (-COO-) kyseliny asparágovej a (NH3+) kladne nabitá e-aminoskupina lyzínového zvyšku.
b) vodíkové väzby medzi funkčnými skupinami bočných radikálov. Napríklad medzi OH skupinou tyrozínu a karboxylovým kyslíkom kyseliny asparágovej
V) hydrofóbne interakcie v dôsledku van der Waalsových síl medzi nepolárnymi aminokyselinovými radikálmi. (Napríklad skupiny
-CH3 - alanín, valín atď.
G) dipól-dipólové interakcie
e) disulfidové väzby(–S–S–) medzi cysteínovými zvyškami. Táto väzba je veľmi silná a nie je prítomná vo všetkých proteínoch. Toto spojenie hrá dôležitú úlohu v bielkovinových látkach obilia a múky, pretože. ovplyvňuje kvalitu lepku, štrukturálne a mechanické vlastnosti cesta a podľa toho aj kvalitu hotového výrobku – chleba atď.
Proteínová globula nie je absolútne tuhá štruktúra: v určitých medziach sú možné reverzibilné pohyby častí peptidového reťazca voči sebe navzájom s prerušením malého počtu slabých väzieb a vytvorením nových. Molekula akoby dýcha, pulzuje vo svojich rôznych častiach. Tieto pulzácie nenarúšajú základný plán konformácie molekuly, rovnako ako tepelné vibrácie atómov v kryštáli nemenia štruktúru kryštálu, pokiaľ teplota nie je taká vysoká, že dochádza k topeniu.
Až potom, čo molekula proteínu získa prirodzenú, natívnu terciárnu štruktúru, vykazuje svoju špecifickú funkčnú aktivitu: katalytickú, hormonálnu, antigénnu atď. Práve pri tvorbe terciárnej štruktúry dochádza k tvorbe aktívnych centier enzýmov, centier zodpovedných za inkorporáciu proteínu do multienzýmového komplexu, centier zodpovedných za samousporiadanie supramolekulárnych štruktúr. Preto každý vplyv (tepelný, fyzikálny, mechanický, chemický), ktorý vedie k deštrukcii tejto natívnej konformácie proteínu (pretrhnutie väzieb), je sprevádzaný čiastočnou alebo úplnou stratou jeho biologických vlastností proteínom.
Štúdium kompletných chemických štruktúr niektorých proteínov ukázalo, že v ich terciárnej štruktúre sú odhalené zóny, kde sa koncentrujú hydrofóbne radikály aminokyselín a polypeptidový reťazec je v skutočnosti obalený okolo hydrofóbneho jadra. Navyše v niektorých prípadoch sú v molekule proteínu izolované dve alebo dokonca tri hydrofóbne jadrá, čo vedie k 2 alebo 3 jadrovej štruktúre. Tento typ molekulárnej štruktúry je charakteristický pre mnohé proteíny s katalytickou funkciou (ribonukleáza, lyzozým atď.). Samostatná časť alebo oblasť molekuly proteínu, ktorá má určitý stupeň štrukturálnej a funkčnej autonómie, sa nazýva doména. Niektoré enzýmy majú napríklad odlišné domény viažuce substrát a koenzýmy.
Biologicky hrajú fibrilárne proteíny veľmi dôležitú úlohu v anatómii a fyziológii zvierat. U stavovcov tvoria tieto bielkoviny 1/3 ich celkového obsahu. Príkladom fibrilárnych proteínov je hodvábny proteín - fibroín, ktorý pozostáva z niekoľkých antiparalelných reťazcov so štruktúrou skladaného listu. Proteín a-keratín obsahuje 3-7 reťazcov. Kolagén má zložitú štruktúru, v ktorej sú 3 rovnaké ľavotočivé reťazce skrútené dohromady a vytvárajú pravotočivú trojitú špirálu. Táto trojitá špirála je stabilizovaná početnými medzimolekulovými vodíkovými väzbami. Prítomnosť aminokyselín, ako je hydroxyprolín a hydroxylyzín, tiež prispieva k tvorbe vodíkových väzieb, ktoré stabilizujú štruktúru trojitej špirály. Všetky fibrilárne proteíny sú zle rozpustné alebo úplne nerozpustné vo vode, pretože obsahujú veľa aminokyselín obsahujúcich hydrofóbne, vo vode nerozpustné R-skupiny izoleucínu, fenylalanínu, valínu, alanínu, metionínu. Po špeciálnom spracovaní sa nerozpustný a nestráviteľný kolagén premení na želatínovo rozpustnú zmes polypeptidov, ktorá sa následne využíva v potravinárskom priemysle.
Globulárne proteíny. Vykonávajú rôzne biologické funkcie. Plnia transportnú funkciu, t.j. nesú živiny, anorganické ióny, lipidy atď. Hormóny, ako aj zložky membrán a ribozómov, patria do rovnakej triedy proteínov. Všetky enzýmy sú tiež globulárne proteíny.
Kvartérna štruktúra. Proteíny obsahujúce dva alebo viac polypeptidových reťazcov sa nazývajú oligomérne proteíny, vyznačujú sa prítomnosťou kvartérnej štruktúry.
Obrázok - Schémy terciárnych (a) a kvartérnych (b) proteínových štruktúr
V oligomérnych proteínoch je každý z polypeptidových reťazcov charakterizovaný svojou primárnou, sekundárnou a terciárnou štruktúrou a nazýva sa podjednotka alebo protomér Polypeptidové reťazce (protoméry) v takýchto proteínoch môžu byť buď rovnaké alebo rôzne. Oligomérne proteíny sa nazývajú homogénne, ak sú ich protoméry rovnaké, a heterogénne, ak sú ich protoméry odlišné. Napríklad hemoglobínový proteín pozostáva zo 4 reťazcov: dvoch protomérov -a a dvoch -b. Enzým a-amyláza pozostáva z 2 identických polypeptidových reťazcov. Kvartérna štruktúra sa chápe ako usporiadanie polypeptidových reťazcov (protomérov) voči sebe, t.j. spôsob ich spoločného stohovania a balenia. V tomto prípade protoméry navzájom neinteragujú nie akoukoľvek časťou ich povrchu, ale určitou oblasťou (kontaktnou plochou). Kontaktné plochy majú také usporiadanie atómových skupín, medzi ktorými vznikajú vodíkové, iónové, hydrofóbne väzby. Okrem toho k ich spojeniu prispieva aj geometria protomérov. Protoméri do seba zapadajú ako kľúč k zámku. Takéto povrchy sa nazývajú komplementárne. Každý protomér interaguje s druhým vo viacerých bodoch, čo znemožňuje spojenie s inými polypeptidovými reťazcami alebo proteínmi. Takéto komplementárne interakcie molekúl sú základom všetkých biochemických procesov v tele.
