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.
Një kontribut të madh në studimin e strukturës së molekulës së proteinës dhanë L. Pauling dhe R. Corey. Duke tërhequr vëmendjen për faktin se molekula e proteinës ka më shumë lidhje peptide, ata ishin të parët që kryen studime të mundimshme të difraksionit me rreze X të kësaj lidhjeje. Ne studiuam gjatësitë e lidhjeve, këndet në të cilat ndodhen atomet, drejtimin e renditjes së 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 atome a-karbon, si dhe grupet R, kanë një orientim trans në lidhje me lidhjen peptide.
3. Gjatësia e lidhjes C–N prej 1,32 Å është e ndërmjetme midis gjatësisë së një lidhjeje kovalente dyfishe (1,21 Å) dhe një lidhjeje kovalente të vetme (1,47 Å). Prandaj rrjedh se lidhja C–N ka një karakter pjesërisht të pangopur. Kjo krijon parakushtet për zbatimin e rirregullimeve tautomerike në vendin e lidhjes 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 në grupin peptid kanë një konfigurim të rrafshët trans. Konfigurimi cis është energjikisht më pak i favorshëm dhe shfaqet vetëm në disa peptide ciklike. Çdo fragment peptid planar përmban dy lidhje me atomet a-karbon të rrotullueshëm.
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 karakteristik, kërkohet një sekuencë krejtësisht specifike e aminoacideve në zinxhirin polipeptid të kësaj proteine. Kjo sekuencë specifike aminoacide, përbërje cilësore dhe sasiore është e fiksuar gjenetikisht (ADN → ARN → proteina). Çdo proteinë karakterizohet nga një sekuencë e caktuar e aminoacideve, zëvendësimi i të paktën një aminoacidi në proteinë çon jo vetëm në rirregullime strukturore, por edhe në ndryshime në vetitë fiziko-kimike dhe funksionet biologjike. Struktura primare ekzistuese paracakton strukturat pasuese (sekondare, terciare, kuaternare). Për shembull, eritrocitet e njerëzve të shëndetshëm përmbajnë një proteinë - hemoglobinë me një sekuencë të caktuar të aminoacideve. Një pjesë e vogël e njerëzve kanë një anomali kongjenitale në strukturën e hemoglobinës: eritrocitet e tyre përmbajnë hemoglobinë, e cila në një pozicion në vend të acidit glutamik (i ngarkuar, polar) përmban aminoacidin valinë (hidrofobik, jopolar). Një hemoglobinë e tillë ndryshon dukshëm në vetitë fiziko-kimike dhe biologjike nga normalja. Shfaqja e një aminoacidi hidrofobik çon në shfaqjen e një kontakti hidrofobik "ngjitës" (eritrocitet nuk lëvizin mirë në enët e gjakut), në një ndryshim të formës së një eritrociti (nga bikonkave në formë gjysmëhëne), si dhe deri te përkeqësimi i 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). Polipeptidi i sintetizuar me të njëjtën sekuencë aminoacide si enzima natyrale kishte të njëjtin aktivitet enzimatik.
Studimet e dekadave të fundit kanë treguar se struktura primare është e fiksuar gjenetikisht, d.m.th. sekuenca e aminoacideve në zinxhirin 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 qenë 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.
strukturë dytësore. Struktura dytësore e një molekule proteine kuptohet si një mënyrë për të vendosur një zinxhir polipeptid në hapësirë. Struktura dytësore e një molekule proteine formohet si rezultat i një ose një lloji tjetër rrotullimi të lirë rreth lidhjeve që lidhin atomet a-karbon në një zinxhir 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 janë gjetur 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. R-grupet e aminoacideve drejtohen nga jashtë nga boshti qendror a-helika. Dipolet >С=О dhe >N-N të lidhjeve peptide fqinje janë të orientuara në mënyrë optimale për ndërveprim dipolësh, duke rezultuar në formimin e një sistemi të gjerë lidhjesh hidrogjenore bashkëpunuese intramolekulare që stabilizojnë a-spiralën.
Hapi i heliksit (një rrotullim i plotë) 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 helikalizimit të zinxhirit të saj polipeptid.
Struktura spirale mund të shqetësohet nga dy faktorë:
1) në prani të një mbetjeje proline në zinxhir, struktura ciklike e së cilës paraqet një ngërç në zinxhirin polipeptid - nuk ka grup –NH 2, prandaj formimi i një lidhje hidrogjeni brenda zinxhirit është i pamundur;
2) nëse në zinxhirin 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 të ngjashme. (-COO - ose -NH 3 +) tejkalon ndjeshëm efektin 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 strukturat β 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
zinxhirë polipeptidikë të drejtuar në mënyrë identike ose antiparalele,
të cilat forcohen nga lidhjet hidrogjenore ndërmjet këtyre zinxhirëve. Struktura të tilla quhen fletë të palosura b (Figura 2).
Figura 3 - b-struktura e vargjeve polipeptide
a-Heliksi dhe fletët e palosura janë struktura të renditura, ato kanë një rregullim të rregullt të mbetjeve të aminoacideve në hapësirë. Disa seksione të zinxhirit polipeptid nuk kanë ndonjë organizim të rregullt hapësinor periodik, ato përcaktohen si të rastësishme ose lëmsh statistikore.
Të gjitha këto struktura lindin spontanisht dhe automatikisht për faktin se një polipeptid i caktuar ka një sekuencë specifike aminoacide që është gjenetikisht e paracaktuar. a-helika dhe b-struktura përcaktojnë një aftësi të caktuar të proteinave për të kryer funksione specifike biologjike. Pra, struktura a-spiral (a-keratin) është përshtatur mirë për të formuar struktura të jashtme mbrojtëse - pendë, flokë, brirë, thundra. Struktura b kontribuon në formimin e mëndafshit fleksibël dhe të pazgjatur dhe rrjetës së këpurdhës, dhe konformimi i proteinës së kolagjenit siguron forcën e lartë tërheqëse të kërkuar për tendinat. Prania e vetëm a-helikave ose b-strukturave është tipike për proteinat filamentoze (fibrilare). Në përbërjen e proteinave globulare (sferike), përmbajtja e a-helikave dhe b-strukturave dhe rajoneve pa strukturë ndryshon shumë. Për shembull: insulina e spiralizuar 60%, enzima e ribonukleazës - 57%, lizozima e proteinës së vezës së pulës - 40%.
Struktura terciare. Nën strukturën terciare kuptojmë mënyrën e vendosjes së zinxhirit polipeptid në hapësirë në një vëllim të caktuar.
Struktura terciare e proteinave formohet nga palosja shtesë e zinxhirit peptid që përmban a-helix, b-struktura dhe rajone të rastësishme spirale. 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 fije. Forma e një molekule proteine karakterizohet nga një tregues i tillë si shkalla e asimetrisë (raporti i boshtit të gjatë me atë të shkurtër). Në fibrilare ose proteina filamentoze, shkalla e asimetrisë është më e madhe se 80. Kur shkalla e asimetrisë është më e 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 hidrofobike jopolare të aminoacideve grupohen brenda molekulës së proteinës, ndërsa radikalet polare janë të orientuara drejt ujit. Në një moment, lind konformimi i qëndrueshëm termodinamikisht më i favorshëm i molekulës, rruzullit. Në këtë formë, molekula e proteinës karakterizohet nga një 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. Kur formojnë një strukturë terciare, ato nuk formojnë globula - zinxhirët e tyre polipeptidë nuk palosen, por mbeten të zgjatur në formën e zinxhirëve linearë, duke u grupuar në fibra fibrile.
Vizatim – Struktura e një fibrili (fragmenti) kolagjeni.
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 të rastësishme jo specifike (kaotike) 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 nga ndërveprimet jokovalente midis grupeve atomike të radikaleve anësore.
Figura 4 - Llojet e lidhjeve që stabilizojnë strukturën terciare të proteinës
A) forcat elektrostatike tërheqje ndërmjet radikalëve që mbartin grupe jonike të ngarkuara në mënyrë të kundërt (ndërveprimet jon-jon), për shembull, një grup karboksil i ngarkuar negativisht (-COO-) i acidit aspartik dhe (NH 3 +) një grup e-amino të ngarkuar pozitivisht të një mbetje lizine.
b) lidhjet hidrogjenore ndërmjet grupeve funksionale të radikaleve anësore. Për shembull, midis grupit OH të tirozinës dhe oksigjenit karboksil të acidit aspartik
V) ndërveprimet hidrofobike për shkak të forcave të van der Waals-it ndërmjet radikaleve jopolare të aminoacideve. (Për shembull, grupet
-CH 3 - alaninë, valinë, etj.
G) ndërveprimet dipol-dipol
e) 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, si të thuash, merr frymë, pulson në pjesët e saj të ndryshme. Këto pulsime nuk shqetësojnë 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 ndodh shkrirja.
Vetëm pasi një molekulë proteine fiton një strukturë terciare natyrale, ajo tregon 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 inkorporimin e proteinës 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 (prishja e lidhjeve) shoqërohet me një humbje të pjesshme ose të plotë të vetive të saj biologjike nga proteina.
Studimi i strukturave të plota kimike të disa proteinave ka treguar se në strukturën e tyre terciare janë zbuluar zona ku janë përqendruar 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 janë të izoluara në një molekulë proteine, duke rezultuar në një strukturë bërthamore 2 ose 3. Ky lloj strukture molekulare është karakteristik për shumë proteina me 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. Disa enzima, për shembull, kanë domene të dallueshme për lidhjen e substratit dhe koenzimën.
Biologjikisht, proteinat fibrilare luajnë një rol shumë të rëndësishëm në 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 - fibroina, 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 me dorën e majtë janë të përdredhur së bashku për të formuar një spirale të trefishtë të dorës së djathtë. 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 heliksit të trefishtë. Të gjitha proteinat fibrilare janë pak të tretshme ose plotësisht të patretshme në ujë, pasi ato përmbajnë shumë aminoacide që përmbajnë grupe R hidrofobike, të patretshme në ujë të izoleucinës, fenilalaninës, valinës, alaninës, metioninës. 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. Ata kryejnë një sërë funksionesh biologjike. Ato kryejnë një funksion transporti, d.m.th. bartin 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 vargjeve polipeptidike karakterizohet nga struktura e tij parësore, dytësore dhe terciare dhe quhet nënnjësi ose protomer.Zinxhirët polipeptidë (protomerët) në proteina të tilla mund të jenë ose të njëjtë ose të ndryshëm. Proteinat oligomerike quhen homogjene nëse protomerët e tyre janë të njëjtë dhe heterogjenë nëse protomerët e tyre janë të ndryshëm. Për shembull, proteina e hemoglobinës përbëhet nga 4 zinxhirë: dy protomerë -a dhe dy -b. Enzima a-amilazë përbëhet nga 2 zinxhirë polipeptidikë identikë. Struktura kuaternare kuptohet si rregullimi i vargjeve polipeptidike (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 nga ndonjë pjesë e sipërfaqes së tyre, por nga një zonë e caktuar (sipërfaqe kontakti). Sipërfaqet e kontaktit kanë një rregullim të tillë të grupeve atomike midis të cilave lindin lidhje hidrogjeni, jonike, hidrofobike. Përveç kësaj, gjeometria e protomerëve gjithashtu kontribuon në lidhjen e tyre. Protomerët përshtaten së bashku si një çelës për një bravë. Sipërfaqe të tilla quhen plotësuese. Çdo 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.
