Peptidbindningen är kovalent till sin kemiska natur och ger hög styrka till proteinmolekylens primära struktur. Eftersom peptidbindningen är ett återkommande element i polypeptidkedjan och har specifika strukturella särdrag, påverkar peptidbindningen inte bara formen på den primära strukturen, utan även de högre nivåerna av organisering av polypeptidkedjan.
L. Pauling och R. Corey gjorde ett stort bidrag till studiet av strukturen hos proteinmolekylen. Eftersom de märkte att proteinmolekylen innehåller flest peptidbindningar, var de de första att utföra noggranna röntgenstudier av denna bindning. Vi studerade bindningslängderna, vinklarna i vilka atomerna är belägna och atomernas riktning i förhållande till bindningen. Baserat på forskningen fastställdes följande huvudsakliga egenskaper hos peptidbindningen.
1. Fyra atomer av peptidbindningen (C, O, N, H) och två fästa
a-kolatomer ligger i samma plan. R- och H-grupperna av a-kolatomer ligger utanför detta plan.
2. O- och H-atomerna i peptidbindningen och de två a-kolatomerna, såväl som R-grupperna, har en transorientering i förhållande till peptidbindningen.
3. C–N-bindningslängden, lika med 1,32 Å, är mellan längden av en dubbelkovalent bindning (1,21 Å) och en enkel kovalent bindning (1,47 Å). Det följer att C-N-bindningen är delvis omättad. Detta skapar förutsättningar för att tautomera omarrangemang ska ske vid dubbelbindningen med bildningen av enolformen, dvs. peptidbindningen kan existera i keto-enolformen.
Rotation runt –C=N–-bindningen är svår och alla atomer som ingår i peptidgruppen har en plan trans-konfiguration. Cis-konfigurationen är energimässigt mindre gynnsam och finns endast i vissa cykliska peptider. Varje plant peptidfragment innehåller två bindningar med a-kolatomer som kan rotera.
Det finns ett mycket nära samband mellan den primära strukturen hos ett protein och dess funktion i en given organism. För att ett protein ska kunna utföra sin inneboende funktion krävs en mycket specifik sekvens av aminosyror i detta proteins polypeptidkedja. Denna specifika sekvens av aminosyror, kvalitativ och kvantitativ sammansättning är fixerad genetiskt (DNA→RNA→protein). Varje protein kännetecknas av en specifik sekvens av aminosyror att ersätta minst en aminosyra i ett protein leder inte bara till strukturella omarrangemang, utan också till förändringar i fysikalisk-kemiska egenskaper och biologiska funktioner. Den existerande primära strukturen förutbestämmer efterföljande (sekundära, tertiära, kvartära) strukturer. Till exempel innehåller de röda blodkropparna hos friska människor ett protein som kallas hemoglobin med en viss sekvens av aminosyror. En liten del människor har en medfödd avvikelse i hemoglobinets struktur: deras röda blodkroppar innehåller hemoglobin, som i en position innehåller aminosyran valin (hydrofob, opolär) istället för glutaminsyra (laddad, polär). Sådant hemoglobin skiljer sig väsentligt i fysikalisk-kemiska och biologiska egenskaper från normalt. Uppkomsten av en hydrofob aminosyra leder till uppkomsten av en "klibbig" hydrofob kontakt (röda blodkroppar rör sig inte bra i blodkärlen), till en förändring i formen på de röda blodkropparna (från bikonkava till halvmåneformade) , samt till en försämring av syreöverföringen etc. Barn som föds med denna anomali dör i tidig barndom av sicklecellanemi.
Omfattande bevis för påståendet att biologisk aktivitet bestäms av aminosyrasekvensen erhölls efter den artificiella syntesen av enzymet ribonukleas (Merrifield). En syntetiserad polypeptid med samma aminosyrasekvens som det naturliga enzymet hade samma enzymatiska aktivitet.
Forskning under de senaste decennierna har visat att den primära strukturen är genetiskt fixerad, d.v.s. sekvensen av aminosyror i en polypeptidkedja bestäms av den genetiska koden för DNA, och bestämmer i sin tur de sekundära, tertiära och kvartära strukturerna för proteinmolekylen och dess allmänna konformation. Det första proteinet vars primära struktur fastställdes var proteinhormonet insulin (innehåller 51 aminosyror). Detta gjordes 1953 av Frederick Sanger. Hittills har den primära strukturen av mer än tio tusen proteiner dechiffrerats, men detta är ett mycket litet antal, med tanke på att det finns cirka 10 12 proteiner i naturen. Som ett resultat av fri rotation kan polypeptidkedjor vridas (vikas) till olika strukturer.
Sekundär struktur. Den sekundära strukturen av en proteinmolekyl hänvisar till hur polypeptidkedjan är ordnad i rymden. Den sekundära strukturen hos en proteinmolekyl bildas som ett resultat av en eller annan typ av fri rotation runt bindningarna som förbinder a-kolatomer i polypeptidkedjan Som ett resultat av denna fria rotation kan polypeptidkedjorna vridas (veckas). i rymden till olika strukturer.
Tre huvudtyper av struktur finns i naturliga polypeptidkedjor:
- a-helix;
- β-struktur (vikt ark);
- statistisk härva.
Den mest troliga typen av struktur av globulära proteiner anses vara a-helix Vridning sker medurs (höger spiral), vilket beror på L-aminosyrasammansättningen av naturliga proteiner. Drivkraften i uppkomsten α-helixarär aminosyrornas förmåga att bilda vätebindningar. Aminosyra R-grupper pekar utåt från den centrala axeln a-helixar. dipoler >C=O och >N–H av närliggande peptidbindningar är orienterade optimalt för dipolinteraktion, och bildar därigenom ett omfattande system av intramolekylära kooperativa vätebindningar som stabiliserar a-helixen.
Helixdelningen (ett helt varv) på 5,4Å inkluderar 3,6 aminosyrarester.
Figur 2 – Struktur och parametrar för proteinets a-helix
Varje protein kännetecknas av en viss grad av helicitet hos dess polypeptidkedja
Spiralstrukturen kan störas av två faktorer:
1) närvaron av en prolinrest i kedjan, vars cykliska struktur introducerar ett brott i polypeptidkedjan - det finns ingen –NH2-grupp, därför är bildningen av en intrakedjevätebindning omöjlig;
2) om det i en polypeptidkedja finns många aminosyrarester i en rad som har en positiv laddning (lysin, arginin) eller en negativ laddning (glutaminsyra, asparaginsyror), i detta fall den starka ömsesidiga avstötningen av liknande laddade grupper (– COO– eller –NH 3 +) överstiger avsevärt stabiliserande inverkan av vätebindningar i a-helixar.
En annan typ av polypeptidkedjekonfiguration som finns i hår, siden, muskler och andra fibrillära proteiner kallas β-strukturer eller vikt ark. Den vikta arkstrukturen stabiliseras också av vätebindningar mellan samma dipoler –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
polypeptidkedjor som är identiskt riktade eller antiparallella,
som förstärks på grund av vätebindningar mellan dessa kedjor. Sådana strukturer kallas b-vikta ark (Figur 2).
Figur 3 – b-struktur av polypeptidkedjor
a-Helix och vikta ark är ordnade strukturer de har ett regelbundet arrangemang av aminosyrarester i rymden. Vissa regioner av polypeptidkedjan har inte någon regelbunden periodisk rumslig organisation de betecknas som oordnade eller statistisk härva.
Alla dessa strukturer uppstår spontant och automatiskt på grund av att en given polypeptid har en viss aminosyrasekvens, som är genetiskt förutbestämd. a-helixar och b-strukturer bestämmer en viss förmåga hos proteiner att utföra specifika biologiska funktioner. Således är den a-spiralformade strukturen (a-keratin) väl anpassad för att bilda yttre skyddande strukturer - fjädrar, hår, horn, hovar. B-strukturen främjar bildningen av flexibla och outtöjbara siden- och nättrådar, och kollagenproteinkonformationen ger den höga draghållfasthet som krävs för senor. Närvaron av endast a-helixar eller b-strukturer är karakteristiskt för filamentösa (fibrillära) proteiner. I sammansättningen av globulära (sfäriska) proteiner varierar innehållet av a-helixar och b-strukturer och strukturlösa regioner mycket. Till exempel: insulin spiraliseras 60%, ribonukleasenzym - 57%, kycklingäggprotein lysozym - 40%.
Tertiär struktur. Tertiär struktur hänvisar till hur en polypeptidkedja är ordnad i rymden i en viss volym.
Den tertiära strukturen av proteiner bildas genom ytterligare veckning av peptidkedjan som innehåller en a-helix, b-strukturer och slumpmässiga spiralregioner. Den tertiära strukturen hos ett protein bildas helt automatiskt, spontant och helt förutbestämd av den primära strukturen och är direkt relaterad till proteinmolekylens form, som kan vara olika: från sfärisk till filamentös. Formen på en proteinmolekyl kännetecknas av en sådan indikator som graden av asymmetri (förhållandet mellan den långa axeln och den korta). U fibrillär eller filamentösa proteiner är asymmetrigraden större än 80. Med en asymmetrigrad mindre än 80 klassificeras proteiner som klotformig. De flesta av dem har en grad av asymmetri på 3-5, d.v.s. den tertiära strukturen kännetecknas av en ganska tät packning av polypeptidkedjan, som närmar sig formen av en boll.
Under bildandet av globulära proteiner grupperas opolära hydrofoba aminosyraradikaler inom proteinmolekylen, medan polära radikaler är orienterade mot vatten. Vid någon tidpunkt uppträder den termodynamiskt mest gynnsamma stabila konformationen av molekylen, en kula. I denna form kännetecknas proteinmolekylen av minimal fri energi. Konformationen av den resulterande kulan påverkas av faktorer som lösningens pH, lösningens jonstyrka, såväl som interaktionen mellan proteinmolekyler och andra ämnen.
Den huvudsakliga drivkraften i uppkomsten av en tredimensionell struktur är interaktionen mellan aminosyraradikaler och vattenmolekyler.
Fibrillära proteiner. Under bildandet av den tertiära strukturen bildar de inte kulor - deras polypeptidkedjor viker sig inte, utan förblir långsträckta i form av linjära kedjor, grupperade i fibrilfibrer.
Ritning – Struktur av kollagenfibrill (fragment).
Nyligen har det dykt upp bevis för att processen för bildning av tertiär struktur inte är automatisk, utan regleras och kontrolleras av speciella molekylära mekanismer. Denna process involverar specifika proteiner - chaperones. Deras huvudsakliga funktioner är förmågan att förhindra bildandet av ospecifika (kaotiska) slumpmässiga spolar från polypeptidkedjan och att säkerställa deras leverans (transport) till subcellulära mål, vilket skapar förutsättningar för att fullborda veckningen av proteinmolekylen.
Stabilisering av den tertiära strukturen säkerställs på grund av icke-kovalenta interaktioner mellan atomgrupperna av sidoradikaler.
Figur 4 - Typer av bindningar som stabiliserar den tertiära strukturen hos ett protein
A) elektrostatiska krafter attraktion mellan radikaler som bär motsatt laddade jongrupper (jon-jon-interaktioner), till exempel den negativt laddade karboxylgruppen (– COO –) i asparaginsyra och (NH 3 +) den positivt laddade e-aminogruppen i en lysinrest.
b) vätebindningar mellan funktionella grupper av sidoradikaler. Till exempel mellan OH-gruppen av tyrosin och karboxylsyren i asparaginsyra
V) hydrofoba interaktioner orsakas av van der Waals krafter mellan opolära aminosyraradikaler. (Till exempel i grupper
–CH 3 – alanin, valin, etc.
G) dipol-dipol-interaktioner
d) disulfidbindningar(–S–S–) mellan cysteinrester. Denna bindning är mycket stark och finns inte i alla proteiner. Denna koppling spelar en viktig roll i proteinämnena i spannmål och mjöl, eftersom påverkar glutenkvaliteten, degens strukturella och mekaniska egenskaper och följaktligen kvaliteten på den färdiga produkten - bröd, etc.
En proteinkula är inte en absolut stel struktur: inom vissa gränser är reversibla rörelser av delar av peptidkedjan i förhållande till varandra möjliga med brytandet av ett litet antal svaga bindningar och bildandet av nya. Molekylen verkar andas, pulsera i sina olika delar. Dessa pulsationer stör inte molekylens grundläggande konformationsplan, precis som termiska vibrationer av atomer i en kristall inte förändrar kristallens struktur om temperaturen inte är så hög att smältning inträffar.
Först efter att en proteinmolekyl har fått en naturlig, infödd tertiär struktur uppvisar den sin specifika funktionella aktivitet: katalytisk, hormonell, antigen, etc. Det är under bildandet av den tertiära strukturen som bildandet av aktiva centra av enzymer sker, centra som ansvarar för integreringen av proteiner i multienzymkomplexet, centra som ansvarar för självmontering av supramolekylära strukturer. Därför åtföljs alla influenser (termiska, fysikaliska, mekaniska, kemiska) som leder till förstörelsen av denna naturliga konformation av proteinet (brytande av bindningar) av partiell eller fullständig förlust av proteinets biologiska egenskaper.
Studiet av de fullständiga kemiska strukturerna hos vissa proteiner har visat att i deras tertiära struktur identifieras zoner där hydrofoba aminosyraradikaler är koncentrerade och polypeptidkedjan faktiskt är lindad runt den hydrofoba kärnan. I vissa fall separeras dessutom två eller till och med tre hydrofoba kärnor i en proteinmolekyl, vilket resulterar i en 2- eller 3-kärnstruktur. Denna typ av molekylstruktur är karakteristisk för många proteiner som har en katalytisk funktion (ribonukleas, lysozym, etc.). En separat del eller region av en proteinmolekyl som har en viss grad av strukturell och funktionell autonomi kallas en domän. Ett antal enzymer har till exempel separata substratbindande och koenzymbindande domäner.
Biologiskt spelar fibrillära proteiner en mycket viktig roll relaterad till djurens anatomi och fysiologi. Hos ryggradsdjur står dessa proteiner för 1/3 av deras totala innehåll. Ett exempel på fibrillära proteiner är silkesproteinet fibroin, som består av flera antiparallella kedjor med en veckad arkstruktur. Protein a-keratin innehåller från 3-7 kedjor. Kollagen har en komplex struktur där 3 identiska vänstervridande kedjor vrids ihop för att bilda en högervridande trippelhelix. Denna trippelspiral stabiliseras av många intermolekylära vätebindningar. Närvaron av aminosyror som hydroxyprolin och hydroxylysin bidrar också till bildandet av vätebindningar som stabiliserar strukturen av trippelhelixen. Alla fibrillära proteiner är dåligt lösliga eller helt olösliga i vatten, eftersom de innehåller många aminosyror som innehåller hydrofoba, vattenolösliga R-grupper isoleucin, fenylalanin, valin, alanin, metionin. Efter speciell bearbetning omvandlas olösligt och svårsmält kollagen till en gelatinlöslig polypeptidblandning som sedan används i livsmedelsindustrin.
Globulära proteiner. Utför en mängd olika biologiska funktioner. De utför en transportfunktion, d.v.s. transportera näringsämnen, oorganiska joner, lipider m.m. Hormoner, såväl som komponenter i membran och ribosomer, tillhör samma klass av proteiner. Alla enzymer är också globulära proteiner.
Kvartär struktur. Proteiner som innehåller två eller flera polypeptidkedjor kallas oligomera proteiner, de kännetecknas av närvaron av en kvartär struktur.
Figur - Schema för tertiära (a) och kvartära (b) proteinstrukturer
I oligomera proteiner kännetecknas var och en av polypeptidkedjorna av sin primära, sekundära och tertiära struktur, och kallas en subenhet eller protomer. Polypeptidkedjorna (protomererna) i sådana proteiner kan vara antingen samma eller olika. Oligomera proteiner kallas homogena om deras protomerer är samma och heterogena om deras protomerer är olika. Till exempel består proteinet hemoglobin av 4 kedjor: två -a och två -b protomerer. Enzymet a-amylas består av 2 identiska polypeptidkedjor. Kvartär struktur avser arrangemanget av polypeptidkedjor (protomerer) i förhållande till varandra, dvs. metoden för deras gemensamma stapling och förpackning. I det här fallet interagerar protomerer med varandra inte med någon del av deras yta, utan med ett visst område (kontaktyta). Kontaktytor har ett sådant arrangemang av atomgrupper mellan vilka väte-, jon- och hydrofoba bindningar uppstår. Dessutom gynnar geometrin hos protomererna också deras anslutning. Protomers passar ihop som en nyckel till ett lås. Sådana ytor kallas komplementära. Varje protomer interagerar med den andra på flera punkter, vilket gör anslutning till andra polypeptidkedjor eller proteiner omöjlig. Sådana komplementära interaktioner mellan molekyler ligger bakom alla biokemiska processer i kroppen.
