Peptidna vez je po svoji kemijski naravi kovalentna in daje visoko trdnost primarni strukturi proteinske molekule. Ker je peptidna vez ponavljajoči se element polipeptidne verige in ima posebne strukturne značilnosti, vpliva ne le na obliko primarne strukture, temveč tudi na višje ravni organizacije polipeptidne verige.
Velik prispevek k preučevanju strukture beljakovinske molekule sta naredila L. Pauling in R. Corey. Ker so opozorili na dejstvo, da ima beljakovinska molekula največ peptidnih vezi, so bili prvi, ki so izvedli mukotrpne študije rentgenske difrakcije te vezi. Preučevali smo dolžine vezi, kote, pod katerimi se nahajajo atomi, smer razporeditve atomov glede na vez. Na podlagi raziskave so bile ugotovljene naslednje glavne značilnosti peptidne vezi.
1. Štirje atomi peptidne vezi (C, O, N, H) in dva pripeta
a-ogljikovi atomi ležijo v isti ravnini. R in H skupini a-ogljikovih atomov ležita zunaj te ravnine.
2. Atomi O in H peptidne vezi in dva a-ogljikova atoma ter R-skupine imajo trans orientacijo glede na peptidno vez.
3. Dolžina C–N vezi 1,32 Å je vmesna med dolžino dvojne kovalentne vezi (1,21 Å) in enojne kovalentne vezi (1,47 Å). Iz tega sledi, da ima vez C–N delno nenasičen značaj. To ustvarja predpogoje za izvedbo tavtomernih preureditev na mestu dvojne vezi s tvorbo enolne oblike, tj. peptidna vez lahko obstaja v ketoenolni obliki.
Vrtenje okoli vezi –C=N– je težavno in vsi atomi v peptidni skupini imajo planarno trans konfiguracijo. Cis konfiguracija je energijsko manj ugodna in se pojavlja le v nekaterih cikličnih peptidih. Vsak ravninski peptidni fragment vsebuje dve vezi z vrtljivimi a-ogljikovimi atomi.
Obstaja zelo tesna povezava med primarno strukturo beljakovine in njeno funkcijo v danem organizmu. Da lahko protein opravlja svojo značilno funkcijo, je v polipeptidni verigi tega proteina potrebno popolnoma specifično zaporedje aminokislin. To specifično aminokislinsko zaporedje, kvalitativna in kvantitativna sestava je genetsko določena (DNA → RNA → protein). Za vsak protein je značilno določeno zaporedje aminokislin, zamenjava vsaj ene aminokisline v proteinu vodi ne le do strukturnih preureditev, temveč tudi do sprememb fizikalno-kemijskih lastnosti in bioloških funkcij. Obstoječa primarna struktura vnaprej določa kasnejše (sekundarne, terciarne, kvartarne) strukture. Na primer, eritrociti zdravih ljudi vsebujejo beljakovino - hemoglobin z določenim zaporedjem aminokislin. Manjši del ljudi ima prirojeno anomalijo v strukturi hemoglobina: njihovi eritrociti vsebujejo hemoglobin, ki v enem položaju namesto glutaminske kisline (nabita, polarna) vsebuje aminokislino valin (hidrofobna, nepolarna). Takšen hemoglobin se po fizikalno-kemijskih in bioloških lastnostih bistveno razlikuje od normalnega. Pojav hidrofobne aminokisline povzroči nastanek "lepljivega" hidrofobnega stika (eritrociti se slabo gibljejo v krvnih žilah), spremembo oblike eritrocita (iz bikonkavne v obliko polmeseca), kot tudi do poslabšanja prenosa kisika itd. Otroci, rojeni s to anomalijo, umrejo v zgodnjem otroštvu zaradi anemije srpastih celic.
Izčrpni dokazi v prid trditvi, da biološko aktivnost določa zaporedje aminokislin, so bili pridobljeni z umetno sintezo encima ribonukleaze (Merrifield). Sintetizirani polipeptid z enakim aminokislinskim zaporedjem kot naravni encim je imel enako encimsko aktivnost.
Študije zadnjih desetletij so pokazale, da je primarna struktura genetsko določena, tj. zaporedje aminokislin v polipeptidni verigi je določeno z genetsko kodo DNA in posledično določa sekundarno, terciarno in kvartarno strukturo proteinske molekule in njeno splošno konformacijo. Prva beljakovina, katere primarna struktura je bila ugotovljena, je bila beljakovina hormon insulin (vsebuje 51 aminokislin). To je leta 1953 naredil Frederick Sanger. Do danes je razvozlana primarna struktura več kot deset tisoč proteinov, vendar je to zelo malo, glede na to, da je v naravi približno 10 12 proteinov. Zaradi prostega vrtenja se polipeptidne verige lahko zvijejo (zložijo) v različne strukture.
sekundarna struktura. Sekundarno strukturo proteinske molekule razumemo kot način polaganja polipeptidne verige v prostoru. Sekundarna struktura beljakovinske molekule nastane kot posledica ene ali druge vrste prostega vrtenja okoli vezi, ki povezujejo a-ogljikove atome v polipeptidni verigi.Zaradi tega prostega vrtenja se polipeptidne verige lahko zvijajo (zlagajo) v prostoru v različne strukture.
V naravnih polipeptidnih verigah so našli tri glavne vrste strukture:
- a-vijačnica;
- β-struktura (zgiban list);
- statistični zaplet.
Najverjetnejša vrsta strukture globularnih proteinov se šteje za α-vijačnica Zvijanje poteka v smeri urinega kazalca (desna vijačnica), kar je posledica L-aminokislinske sestave naravnih beljakovin. Gonilna sila pri nastanku α-vijačnice je sposobnost aminokislin, da tvorijo vodikove vezi. R-skupine aminokislin so usmerjene navzven od centralne osi a-vijačnice. >С=О in >N–Н dipoli sosednjih peptidnih vezi so optimalno usmerjeni za dipolno interakcijo, kar ima za posledico tvorbo obsežnega sistema intramolekularnih kooperativnih vodikovih vezi, ki stabilizirajo a-vijačnico.
Korak vijačnice (en polni obrat) 5,4Å vključuje 3,6 aminokislinskih ostankov.
Slika 2 - Struktura in parametri a-vijačnice proteina
Za vsak protein je značilna določena stopnja spiralizacije njegove polipeptidne verige.
Spiralno strukturo lahko motita dva dejavnika:
1) v prisotnosti prolinskega ostanka v verigi, katerega ciklična struktura uvaja prelom v polipeptidno verigo - ni skupine –NH 2, zato je tvorba vodikove vezi znotraj verige nemogoča;
2) če je v polipeptidni verigi veliko zaporednih aminokislinskih ostankov s pozitivnim nabojem (lizin, arginin) ali negativnim nabojem (glutaminska, asparaginska kislina), je v tem primeru močno medsebojno odbijanje enako nabitih skupin. (-COO - ali -NH 3 +) znatno presega stabilizacijski učinek vodikovih vezi v a-vijačnice.
Druga vrsta konfiguracije polipeptidne verige, ki jo najdemo v laseh, svili, mišicah in drugih fibrilarnih proteinih, se imenuje β strukture ali zložen list. Strukturo prepognjene plošče stabilizirajo tudi vodikove vezi med istimi 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
identično usmerjene polipeptidne verige ali antiparalelne,
ki jih krepijo vodikove vezi med temi verigami. Takšne strukture imenujemo b-zgibani listi (slika 2).
Slika 3 - b-struktura polipeptidnih verig
a-Helix in prepognjeni listi so urejene strukture, imajo pravilno razporeditev aminokislinskih ostankov v prostoru. Nekateri odseki polipeptidne verige nimajo pravilne periodične prostorske organizacije, označeni so kot naključni oz. statistični zaplet.
Vse te strukture nastanejo spontano in samodejno zaradi dejstva, da ima dani polipeptid specifično aminokislinsko zaporedje, ki je genetsko vnaprej določeno. a-vijačnice in b-strukture določajo določeno sposobnost proteinov za izvajanje specifičnih bioloških funkcij. Torej je a-vijačna struktura (a-keratin) dobro prilagojena za oblikovanje zunanjih zaščitnih struktur - perja, las, rogov, kopit. B-struktura prispeva k tvorbi prožne in neraztegljive svile in pajčevine, konformacija kolagenskega proteina pa zagotavlja visoko natezno trdnost, ki je potrebna za kite. Za filamentne (fibrilarne) proteine je značilna prisotnost samo a-vijačnic ali b-struktur. V sestavi globularnih (sferičnih) proteinov se vsebnost a-vijačnic in b-struktur ter brezstrukturnih regij zelo razlikuje. Na primer: insulin spiraliziran 60%, encim ribonukleaza - 57%, lizocim iz piščančjih jajčnih beljakovin - 40%.
Terciarna struktura. Pod terciarno strukturo razumemo način polaganja polipeptidne verige v prostoru v določenem volumnu.
Terciarna struktura proteinov nastane z dodatnim zvijanjem peptidne verige, ki vsebuje a-vijačnico, b-strukture in naključne tuljave. Terciarna struktura proteina nastane popolnoma samodejno, spontano in povsem vnaprej določena s primarno strukturo in je neposredno povezana z obliko proteinske molekule, ki je lahko različna: od sferične do nitaste. Za obliko proteinske molekule je značilen tak indikator, kot je stopnja asimetrije (razmerje med dolgo in kratko osjo). pri fibrilarni ali filamentnih proteinov je stopnja asimetrije večja od 80. Če je stopnja asimetrije manjša od 80, so proteini razvrščeni kot kroglasta. Večina jih ima stopnjo asimetrije 3-5, tj. za terciarno strukturo je značilno precej gosto pakiranje polipeptidne verige, ki se približuje obliki krogle.
Med tvorbo globularnih proteinov se nepolarni hidrofobni radikali aminokislin združujejo znotraj proteinske molekule, medtem ko so polarni radikali usmerjeni proti vodi. Na neki točki nastane termodinamično najugodnejša stabilna konformacija molekule, globula. V tej obliki je za beljakovinsko molekulo značilna najmanjša prosta energija. Na konformacijo nastale globule vplivajo dejavniki, kot so pH raztopine, ionska moč raztopine, pa tudi interakcija beljakovinskih molekul z drugimi snovmi.
Glavna gonilna sila pri nastanku tridimenzionalne strukture je interakcija aminokislinskih radikalov z molekulami vode.
fibrilarne beljakovine. Pri oblikovanju terciarne strukture ne tvorijo globul - njihove polipeptidne verige se ne zložijo, ampak ostanejo podolgovate v obliki linearnih verig, ki se združujejo v fibrilna vlakna.
risanje – Struktura kolagenske fibrile (fragmenta).
Nedavno so se pojavili dokazi, da proces nastajanja terciarne strukture ni samodejen, temveč ga uravnavajo in nadzirajo posebni molekularni mehanizmi. V tem procesu sodelujejo specifične beljakovine – šaperoni. Njihove glavne funkcije so zmožnost preprečiti nastanek nespecifičnih (kaotičnih) naključnih zvitkov iz polipeptidne verige in zagotoviti njihovo dostavo (transport) do subceličnih ciljev, kar ustvarja pogoje za dokončanje zvijanja proteinske molekule.
Stabilizacijo terciarne strukture zagotavljajo nekovalentne interakcije med atomskimi skupinami stranskih radikalov.
Slika 4 - Vrste vezi, ki stabilizirajo terciarno strukturo proteina
A) elektrostatične sile privlačnost med radikali, ki nosijo nasprotno nabite ionske skupine (interakcije ion-ion), na primer negativno nabito karboksilno skupino (- COO -) asparaginske kisline in (NH 3 +) pozitivno nabito e-amino skupino ostanka lizina.
b) vodikove vezi med funkcionalnimi skupinami stranskih radikalov. Na primer med OH skupino tirozina in karboksilnim kisikom asparaginske kisline
V) hidrofobne interakcije zaradi van der Waalsovih sil med nepolarnimi radikali aminokislin. (Na primer skupine
-CH 3 - alanin, valin itd.
G) dipol-dipol interakcije
e) disulfidne vezi(–S–S–) med cisteinskimi ostanki. Ta vez je zelo močna in ni prisotna v vseh beljakovinah. Ta povezava igra pomembno vlogo pri beljakovinskih snoveh zrna in moke, saj. vpliva na kakovost glutena, strukturne in mehanske lastnosti testa in s tem na kakovost končnega izdelka – kruha itd.
Proteinska globula ni absolutno toga struktura: v določenih mejah so možni reverzibilni premiki delov peptidne verige relativno drug proti drugemu z zlomom majhnega števila šibkih vezi in tvorbo novih. Molekula tako rekoč diha, utripa v svojih različnih delih. Te pulzacije ne motijo osnovnega konformacijskega načrta molekule, tako kot toplotne vibracije atomov v kristalu ne spremenijo strukture kristala, razen če je temperatura tako visoka, da pride do taljenja.
Šele ko beljakovinska molekula pridobi naravno, izvorno terciarno strukturo, pokaže svojo specifično funkcionalno aktivnost: katalitsko, hormonsko, antigensko itd. Med tvorbo terciarne strukture poteka tvorba aktivnih centrov encimov, centrov, ki so odgovorni za vključitev proteina v multiencimski kompleks, centrov, ki so odgovorni za samosestavljanje supramolekularnih struktur. Zato vsak vpliv (toplotni, fizikalni, mehanski, kemični), ki vodi do uničenja te naravne konformacije proteina (pretrganje vezi), spremlja delna ali popolna izguba njegovih bioloških lastnosti s strani proteina.
Študija celotne kemijske strukture nekaterih proteinov je pokazala, da se v njihovi terciarni strukturi razkrivajo cone, kjer so koncentrirani hidrofobni radikali aminokislin, polipeptidna veriga pa je dejansko ovita okoli hidrofobnega jedra. Poleg tega sta v nekaterih primerih v proteinski molekuli izolirani dve ali celo tri hidrofobna jedra, kar ima za posledico 2- ali 3-jedrno strukturo. Ta vrsta molekularne strukture je značilna za številne proteine s katalitsko funkcijo (ribonukleaza, lizocim itd.). Ločen del ali regija proteinske molekule, ki ima določeno stopnjo strukturne in funkcionalne avtonomije, se imenuje domena. Nekateri encimi imajo na primer različne domene, ki vežejo substrat, in domene, ki vežejo koencime.
Biološko gledano igrajo fibrilarni proteini zelo pomembno vlogo v anatomiji in fiziologiji živali. Pri vretenčarjih ti proteini predstavljajo 1/3 njihove celotne vsebnosti. Primer fibrilarnih proteinov je protein svile - fibroin, ki je sestavljen iz več antiparalelnih verig z nagubano listnato strukturo. Protein a-keratin vsebuje od 3-7 verig. Kolagen ima kompleksno strukturo, v kateri so 3 enake levosučne verige zvite skupaj, da tvorijo desnosučno trojno vijačnico. Ta trojna vijačnica je stabilizirana s številnimi medmolekularnimi vodikovimi vezmi. Prisotnost aminokislin, kot sta hidroksiprolin in hidroksilizin, prav tako prispeva k tvorbi vodikovih vezi, ki stabilizirajo strukturo trojne vijačnice. Vsi fibrilarni proteini so slabo topni ali popolnoma netopni v vodi, saj vsebujejo veliko aminokislin, ki vsebujejo hidrofobne, v vodi netopne R-skupine izolevcina, fenilalanina, valina, alanina, metionina. Netopni in neprebavljivi kolagen se po posebni obdelavi pretvori v v želatini topno mešanico polipeptidov, ki se nato uporablja v prehrambeni industriji.
Globularni proteini. Opravljajo različne biološke funkcije. Izvajajo transportno funkcijo, tj. prenašajo hranila, anorganske ione, lipide itd. Hormoni, kot tudi komponente membran in ribosomov, spadajo v isti razred beljakovin. Vsi encimi so tudi globularni proteini.
Kvartarna struktura. Proteini, ki vsebujejo dve ali več polipeptidnih verig, se imenujejo oligomerne beljakovine, zanje je značilna prisotnost kvartarne strukture.
Slika - Sheme terciarne (a) in kvartarne (b) proteinske strukture
V oligomernih proteinih je vsaka od polipeptidnih verig označena s primarno, sekundarno in terciarno strukturo in se imenuje podenota ali protomer.Polipeptidne verige (protomeri) v takih proteinih so lahko enake ali različne. Oligomerne proteine imenujemo homogeni, če so njihovi protomeri enaki, in heterogeni, če so njihovi protomeri različni. Na primer, protein hemoglobina je sestavljen iz 4 verig: dveh -a in dveh -b protomerov. Encim a-amilaza je sestavljen iz 2 enakih polipeptidnih verig. Kvartarno strukturo razumemo kot razporeditev polipeptidnih verig (protomerov) relativno drug proti drugemu, tj. način njihovega skupnega zlaganja in pakiranja. V tem primeru protomeri medsebojno delujejo ne na katerem koli delu svoje površine, temveč na določenem območju (kontaktna površina). Kontaktne površine imajo takšno razporeditev atomskih skupin, med katerimi nastanejo vodikove, ionske, hidrofobne vezi. Poleg tega k njihovi povezanosti prispeva tudi geometrija protomerov. Protomeri se prilegajo skupaj kot ključ do ključavnice. Take površine imenujemo komplementarne. Vsak protomer medsebojno deluje na več točkah, kar onemogoča povezavo z drugimi polipeptidnimi verigami ali proteini. Takšne komplementarne interakcije molekul so osnova vseh biokemičnih procesov v telesu.
