Lidhja peptide është kovalente në natyrën e saj kimike dhe i jep forcë të lartë strukturës primare të molekulës së proteinës. Duke qenë një element përsëritës i zinxhirit polipeptid dhe që ka veçori specifike strukturore, lidhja peptide ndikon jo vetëm në formën e strukturës parësore, por edhe në nivelet më të larta të organizimit të zinxhirit polipeptid.
L. Pauling dhe R. Corey dhanë një kontribut të madh në studimin e strukturës së molekulës së proteinës. Duke vënë re se molekula e proteinës përmban më shumë lidhje peptide, ata ishin të parët që kryen studime të mundimshme me rreze X të kësaj lidhjeje. Ne studiuam gjatësitë e lidhjeve, këndet në të cilat ndodhen atomet dhe drejtimin e atomeve në lidhje me lidhjen. Bazuar në hulumtimin, u krijuan karakteristikat kryesore të mëposhtme të lidhjes peptide.
1. Katër atome të lidhjes peptide (C, O, N, H) dhe dy të bashkangjitur
atomet e a-karbonit shtrihen në të njëjtin rrafsh. Grupet R dhe H të atomeve të a-karbonit shtrihen jashtë këtij rrafshi.
2. Atomet O dhe H të lidhjes peptide dhe dy atomet a-karbon, si dhe grupet R, kanë një orientim trans në lidhje me lidhjen peptide.
3. Gjatësia e lidhjes C–N, e barabartë me 1,32 Å, është e ndërmjetme ndërmjet gjatësisë së një lidhjeje kovalente dyfishe (1,21 Å) dhe një lidhjeje kovalente të vetme (1,47 Å). Nga kjo rrjedh se lidhja C–N është pjesërisht e pangopur. Kjo krijon parakushtet që rirregullimet tautomerike të ndodhin në lidhjen dyfishe me formimin e formës enol, d.m.th. lidhja peptide mund të ekzistojë në formën e keto-enolit.
Rrotullimi rreth lidhjes –C=N– është i vështirë dhe të gjithë atomet e përfshira në grupin peptid kanë një konfigurim trans planar. Konfigurimi cis është energjikisht më pak i favorshëm dhe gjendet vetëm në disa peptide ciklike. Çdo fragment peptid planar përmban dy lidhje me atome a-karbon të aftë për rrotullim.
Ekziston një lidhje shumë e ngushtë midis strukturës primare të një proteine dhe funksionit të saj në një organizëm të caktuar. Në mënyrë që një proteinë të kryejë funksionin e saj të qenësishëm, kërkohet një sekuencë shumë specifike e aminoacideve në zinxhirin polipeptid të kësaj proteine. Kjo sekuencë specifike e aminoacideve, përbërje cilësore dhe sasiore është e fiksuar gjenetikisht (ADN→ARN→proteina). Çdo proteinë karakterizohet nga një sekuencë specifike aminoacidesh, duke zëvendësuar të paktën një aminoacid në një proteinë, jo vetëm që çon në rirregullime strukturore, por edhe në ndryshime në vetitë fiziko-kimike dhe funksionet biologjike. Struktura ekzistuese primare paracakton strukturat pasuese (sekondare, terciare, kuaternare). Për shembull, qelizat e kuqe të gjakut të njerëzve të shëndetshëm përmbajnë një proteinë të quajtur hemoglobinë me një sekuencë të caktuar të aminoacideve. Një pjesë e vogël e njerëzve kanë një anomali kongjenitale në strukturën e hemoglobinës: qelizat e kuqe të gjakut përmbajnë hemoglobinë, e cila në një pozicion përmban aminoacidin valinë (hidrofobik, jopolar) në vend të acidit glutamik (të ngarkuar, polar). Një hemoglobinë e tillë ndryshon ndjeshëm në vetitë fiziko-kimike dhe biologjike nga normalja. Shfaqja e një aminoacidi hidrofobik çon në shfaqjen e një kontakti hidrofobik "ngjitës" (qelizat e kuqe të gjakut nuk lëvizin mirë në enët e gjakut), në një ndryshim në formën e qelizave të kuqe të gjakut (nga bikonkave në formë gjysmëhëne) , si dhe në një përkeqësim të transferimit të oksigjenit, etj. Fëmijët e lindur me këtë anomali vdesin në fëmijërinë e hershme nga anemia drapërocitare.
Dëshmi gjithëpërfshirëse në favor të pohimit se aktiviteti biologjik përcaktohet nga sekuenca e aminoacideve është marrë pas sintezës artificiale të enzimës ribonukleazë (Merrifield). Një polipeptid i sintetizuar me të njëjtën sekuencë aminoacide si enzima natyrale kishte të njëjtin aktivitet enzimatik.
Hulumtimet e dekadave të fundit kanë treguar se struktura primare është e fiksuar gjenetikisht, d.m.th. sekuenca e aminoacideve në një zinxhir polipeptid përcaktohet nga kodi gjenetik i ADN-së dhe, nga ana tjetër, përcakton strukturat dytësore, terciare dhe kuaternare të molekulës së proteinës dhe konformimin e saj të përgjithshëm. Proteina e parë, struktura primare e së cilës u krijua ishte hormoni proteinik insulinë (përmban 51 aminoacide). Kjo u bë në vitin 1953 nga Frederick Sanger. Deri më sot, struktura primare e më shumë se dhjetë mijë proteinave është deshifruar, por ky është një numër shumë i vogël, duke marrë parasysh se në natyrë ka rreth 10 12 proteina. Si rezultat i rrotullimit të lirë, zinxhirët polipeptidë janë në gjendje të përdredhin (palosen) në struktura të ndryshme.
Struktura dytësore. Struktura dytësore e një molekule proteine i referohet mënyrës se si është rregulluar zinxhiri polipeptid në hapësirë. Struktura dytësore e një molekule proteine formohet si rezultat i një ose një tjetër lloji të rrotullimit të lirë rreth lidhjeve që lidhin atomet a-karbon në zinxhirin polipeptid Si rezultat i këtij rrotullimi të lirë, zinxhirët polipeptidë janë në gjendje të përdredhin (palosen). në hapësirë në struktura të ndryshme.
Tre lloje kryesore të strukturës gjenden në zinxhirët polipeptidikë natyralë:
- a-helix;
- β-strukturë (fletë e palosur);
- lëmsh statistikore.
Lloji më i mundshëm i strukturës së proteinave globulare konsiderohet të jetë α-spiralja Përdredhja ndodh në drejtim të akrepave të orës (spiralja e djathtë), e cila është për shkak të përbërjes së aminoacideve L të proteinave natyrore. Forca lëvizëse në shfaqjen α-helikaështë aftësia e aminoacideve për të formuar lidhje hidrogjenore. Grupet e aminoacideve R drejtohen nga jashtë nga boshti qendror a-helika. dipolet >C=O dhe >N-H të lidhjeve peptide fqinje janë të orientuara në mënyrë optimale për ndërveprimin e dipolit, duke formuar kështu një sistem të gjerë lidhjesh hidrogjeni bashkëpunuese intramolekulare që stabilizojnë a-spiralën.
Hapi i spirales (një rrotullim i plotë) prej 5.4Å përfshin 3.6 mbetje aminoacide.
Figura 2 – Struktura dhe parametrat e spirales a të proteinës
Çdo proteinë karakterizohet nga një shkallë e caktuar e helicitetit të zinxhirit të saj polipeptid
Struktura spirale mund të prishet nga dy faktorë:
1) prania e një mbetjeje proline në zinxhir, struktura ciklike e së cilës sjell një thyerje në zinxhirin polipeptid - nuk ka grup –NH 2, prandaj formimi i një lidhje hidrogjeni brenda zinxhirit është i pamundur;
2) nëse në një zinxhir polipeptid ka shumë mbetje aminoacide në një rresht që kanë një ngarkesë pozitive (lizinë, argininë) ose një ngarkesë negative (acidet glutamike, aspartike), në këtë rast zmbrapsja e fortë reciproke e grupeve të ngarkuara në mënyrë të ngjashme (- COO– ose –NH 3 +) tejkalon ndjeshëm ndikimin stabilizues të lidhjeve hidrogjenore në a-helika.
Një lloj tjetër i konfigurimit të zinxhirit polipeptid që gjendet në flokë, mëndafsh, muskuj dhe proteina të tjera fibrilare quhet β-strukturat ose fletë e palosur. Struktura e fletës së palosur stabilizohet edhe nga lidhjet hidrogjenore ndërmjet të njëjtave dipole –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
zinxhirët polipeptidikë që janë të drejtuar në mënyrë identike ose antiparalele,
të cilat forcohen për shkak të lidhjeve hidrogjenore ndërmjet këtyre zinxhirëve. Struktura të tilla quhen fletë të palosura b (Figura 2).
Figura 3 – b-struktura e vargjeve polipeptide
a-Fletët spirale dhe të palosura janë struktura të renditura ato kanë një rregullim të rregullt të mbetjeve të aminoacideve në hapësirë. Disa rajone të zinxhirit polipeptid nuk kanë ndonjë organizim të rregullt hapësinor, ato përcaktohen si të çrregullta ose lëmsh statistikore.
Të gjitha këto struktura lindin spontanisht dhe automatikisht për faktin se një polipeptid i caktuar ka një sekuencë të caktuar aminoacide, e cila është gjenetikisht e paracaktuar. a-spira dhe b-struktura përcaktojnë një aftësi të caktuar të proteinave për të kryer funksione specifike biologjike. Kështu, struktura a-spiral (a-keratin) është përshtatur mirë për të formuar struktura të jashtme mbrojtëse - pendë, flokë, brirë, thundra. Struktura b promovon formimin e fijeve të mëndafshta dhe rrjetës fleksibël dhe të pazgjatur, dhe konformimi i proteinës së kolagjenit siguron forcën e lartë tërheqëse të kërkuar për tendinat. Prania e vetëm a-helikave ose b-strukturave është karakteristikë e proteinave filamentoze (fibrilare). Në përbërjen e proteinave globulare (sferike), përmbajtja e a-helikave dhe b-strukturave dhe rajoneve pa strukturë ndryshon shumë. Për shembull: insulina spiralizohet 60%, enzima ribonukleaza - 57%, proteina e vezës së pulës lizozima - 40%.
Struktura terciare. Struktura terciare i referohet mënyrës se si një zinxhir polipeptid është rregulluar në hapësirë në një vëllim të caktuar.
Struktura terciare e proteinave formohet nga palosja shtesë e zinxhirit peptid që përmban një spirale a, b-struktura dhe rajone spirale të rastësishme. Struktura terciare e një proteine formohet plotësisht automatikisht, spontanisht dhe plotësisht e paracaktuar nga struktura primare dhe lidhet drejtpërdrejt me formën e molekulës së proteinës, e cila mund të jetë e ndryshme: nga sferike në filamentoze. Forma e një molekule proteine karakterizohet nga një tregues i tillë si shkalla e asimetrisë (raporti i boshtit të gjatë me atë të shkurtër). U fibrilare ose proteina filamentoze, shkalla e asimetrisë është më e madhe se 80. Me një shkallë asimetrie më të vogël se 80, proteinat klasifikohen si rruzullore. Shumica e tyre kanë një shkallë asimetrie 3-5, d.m.th. struktura terciare karakterizohet nga një paketim mjaft i dendur i zinxhirit polipeptid, që i afrohet formës së një topi.
Gjatë formimit të proteinave globulare, radikalet jopolare të aminoacideve hidrofobike grupohen brenda molekulës së proteinës, ndërsa radikalet polare janë të orientuara drejt ujit. Në një moment, shfaqet konformimi i qëndrueshëm termodinamikisht më i favorshëm i molekulës, një rruzull. Në këtë formë, molekula e proteinës karakterizohet nga energji minimale e lirë. Konformimi i rruzullit që rezulton ndikohet nga faktorë të tillë si pH e tretësirës, forca jonike e tretësirës, si dhe ndërveprimi i molekulave të proteinave me substanca të tjera.
Forca kryesore lëvizëse në shfaqjen e një strukture tre-dimensionale është ndërveprimi i radikaleve të aminoacideve me molekulat e ujit.
Proteinat fibrilare. Gjatë formimit të strukturës terciare, ato nuk formojnë globula - zinxhirët e tyre polipeptidë nuk palosen, por mbeten të zgjatur në formën e vargjeve lineare, duke u grupuar në fibra fibrile.
Vizatim – Struktura e fibrilit të kolagjenit (fragmentit).
Kohët e fundit janë shfaqur dëshmi se procesi i formimit të strukturës terciare nuk është automatik, por rregullohet dhe kontrollohet nga mekanizma të veçantë molekularë. Ky proces përfshin proteina specifike - chaperone. Funksionet e tyre kryesore janë aftësia për të parandaluar formimin e mbështjelljeve jospecifike (kaotike) të rastësishme nga zinxhiri polipeptid dhe për të siguruar shpërndarjen (transportin) e tyre në objektivat nënqelizore, duke krijuar kushte për përfundimin e palosjes së molekulës së proteinës.
Stabilizimi i strukturës terciare sigurohet për shkak të ndërveprimeve jokovalente midis grupeve atomike të radikaleve anësore.
Figura 4 - Llojet e lidhjeve që stabilizojnë strukturën terciare të një proteine
A) forcat elektrostatike tërheqja midis radikalëve që mbartin grupe jonike të ngarkuara në mënyrë të kundërt (ndërveprimet jon-jon), për shembull, grupi karboksil i ngarkuar negativisht (– COO –) i acidit aspartik dhe (NH 3 +) grupi e-amino i ngarkuar pozitivisht i një mbetje lizine.
b) lidhjet hidrogjenore ndërmjet grupeve funksionale të radikalëve anësor. Për shembull, midis grupit OH të tirozinës dhe oksigjenit karboksilik të acidit aspartik
V) ndërveprimet hidrofobike shkaktohen nga forcat van der Waals ndërmjet radikaleve jopolare të aminoacideve. (Për shembull, në grupe
–CH 3 – alaninë, valinë etj.
G) ndërveprimet dipol-dipol
d) lidhjet disulfide(–S–S–) ndërmjet mbetjeve të cisteinës. Kjo lidhje është shumë e fortë dhe nuk është e pranishme në të gjitha proteinat. Kjo lidhje luan një rol të rëndësishëm në substancat proteinike të grurit dhe miellit, sepse ndikon në cilësinë e glutenit, në vetitë strukturore dhe mekanike të brumit dhe, në përputhje me rrethanat, në cilësinë e produktit të përfunduar - bukë, etj.
Një rruzull proteinik nuk është një strukturë absolutisht e ngurtë: brenda kufijve të caktuar, lëvizjet e kthyeshme të pjesëve të zinxhirit peptid në lidhje me njëra-tjetrën janë të mundshme me thyerjen e një numri të vogël lidhjesh të dobëta dhe formimin e të rejave. Molekula duket se merr frymë, pulson në pjesët e saj të ndryshme. Këto pulsime nuk e prishin planin bazë të konformimit të molekulës, ashtu si dridhjet termike të atomeve në një kristal nuk e ndryshojnë strukturën e kristalit nëse temperatura nuk është aq e lartë sa të ndodhë shkrirja.
Vetëm pasi një molekulë proteine fiton një strukturë terciare natyrale, ajo shfaq aktivitetin e saj specifik funksional: katalitik, hormonal, antigjenik, etj. Është gjatë formimit të strukturës terciare që ndodh formimi i qendrave aktive të enzimave, qendra përgjegjëse për integrimin e proteinave në kompleksin multienzimë, qendra përgjegjëse për vetë-montimin e strukturave supramolekulare. Prandaj, çdo ndikim (termik, fizik, mekanik, kimik) që çon në shkatërrimin e këtij konformacioni vendas të proteinës (këputja e lidhjeve) shoqërohet me humbje të pjesshme ose të plotë të vetive biologjike të proteinës.
Studimi i strukturave të plota kimike të disa proteinave ka treguar se në strukturën e tyre terciare janë identifikuar zonat ku janë të përqendruara radikalet hidrofobike të aminoacideve dhe zinxhiri polipeptid në të vërtetë është i mbështjellë rreth bërthamës hidrofobike. Për më tepër, në disa raste, dy ose edhe tre bërthama hidrofobike ndahen në një molekulë proteine, duke rezultuar në një strukturë 2- ose 3-bërthamore. Ky lloj strukture molekulare është karakteristik për shumë proteina që kanë funksion katalitik (ribonukleaza, lizozima, etj.). Një pjesë ose rajon i veçantë i një molekule proteine që ka një shkallë të caktuar të autonomisë strukturore dhe funksionale quhet domen. Një numër enzimash, për shembull, kanë domene të veçanta lidhëse për substratin dhe koenzimë.
Biologjikisht, proteinat fibrilare luajnë një rol shumë të rëndësishëm në lidhje me anatominë dhe fiziologjinë e kafshëve. Në vertebrorët, këto proteina përbëjnë 1/3 e përmbajtjes së tyre totale. Një shembull i proteinave fibrilare është proteina e mëndafshit fibroin, e cila përbëhet nga disa zinxhirë antiparalelë me një strukturë fletë të palosur. Proteina a-keratin përmban nga 3-7 zinxhirë. Kolagjeni ka një strukturë komplekse në të cilën 3 zinxhirë identikë levorotatorë janë të përdredhur së bashku për të formuar një spirale të trefishtë rrotulluese. Kjo spirale e trefishtë është e stabilizuar nga lidhje të shumta hidrogjenore ndërmolekulare. Prania e aminoacideve si hidroksiprolina dhe hidroksilizina gjithashtu kontribuon në formimin e lidhjeve hidrogjenore që stabilizojnë strukturën e spirales së trefishtë. Të gjitha proteinat fibrilare janë pak të tretshme ose plotësisht të patretshme në ujë, pasi ato përmbajnë shumë aminoacide që përmbajnë izoleucinë, fenilalaninë, valinë, alaninë, metioninë hidrofobike, të pazgjidhshme në ujë të grupeve R. Pas përpunimit special, kolagjeni i patretshëm dhe i patretshëm shndërrohet në një përzierje polipeptidesh të tretshme në xhelatinë, e cila më pas përdoret në industrinë ushqimore.
Proteinat globulare. Kryen një sërë funksionesh biologjike. Ato kryejnë një funksion transporti, d.m.th. transportojnë lëndë ushqyese, jone inorganike, lipide etj. Hormonet, si dhe përbërësit e membranave dhe ribozomeve, i përkasin të njëjtës klasë proteinash. Të gjitha enzimat janë gjithashtu proteina globulare.
Struktura kuaternare. Proteinat që përmbajnë dy ose më shumë zinxhirë polipeptid quhen proteinat oligomerike, ato karakterizohen nga prania e një strukture kuaternare.
Figura - Skemat e strukturave proteinike terciare (a) dhe kuaternare (b).
Në proteinat oligomerike, secili prej zinxhirëve polipeptidë karakterizohet nga struktura e tij parësore, dytësore dhe terciare, dhe quhet një nënnjësi ose protomer. Proteinat oligomerike quhen homogjene nëse protomerët e tyre janë të njëjtë dhe heterogjenë nëse protomerët e tyre janë të ndryshëm. Për shembull, hemoglobina e proteinave përbëhet nga 4 zinxhirë: dy protomerë -a dhe dy -b. Enzima a-amilaza përbëhet nga 2 zinxhirë polipeptidikë identikë. Struktura kuaternare i referohet renditjes së zinxhirëve polipeptidë (protomerëve) në lidhje me njëri-tjetrin, d.m.th. mënyra e grumbullimit dhe paketimit të përbashkët të tyre. Në këtë rast, protomerët ndërveprojnë me njëri-tjetrin jo me ndonjë pjesë të sipërfaqes së tyre, por me një zonë të caktuar (sipërfaqe kontakti). Sipërfaqet e kontaktit kanë një rregullim të tillë të grupeve atomike midis të cilave lindin lidhje hidrogjeni, jonike dhe hidrofobike. Përveç kësaj, gjeometria e protomerëve gjithashtu favorizon lidhjen e tyre. Protomerët përshtaten së bashku si një çelës për një bravë. Sipërfaqe të tilla quhen plotësuese. Secili protomer ndërvepron me tjetrin në pika të shumta, duke e bërë të pamundur lidhjen me zinxhirë ose proteina të tjera polipeptide. Ndërveprime të tilla plotësuese të molekulave janë në themel të të gjitha proceseve biokimike në trup.
