Den sekundære strukturen til et proteinmolekyl ligner. Struktur og nivåer av strukturell organisering av proteiner. Hydrolyse av et proteinmolekyl

Proteiners rolle i kroppen er ekstremt stor. Dessuten kan et stoff bare bære et slikt navn etter at det får en forhåndsbestemt struktur. Inntil dette øyeblikk er det et polypeptid, bare en aminosyrekjede som ikke kan utføre sine tiltenkte funksjoner. Generelt er den romlige strukturen til proteiner (primær, sekundær, tertiær og domene) deres tredimensjonale struktur. Dessuten er det viktigste for kroppen sekundære, tertiære og domenestrukturer.

Forutsetninger for å studere proteinstruktur

Blant metodene for å studere strukturen til kjemiske stoffer, spiller røntgenkrystallografi en spesiell rolle. Gjennom den kan du få informasjon om rekkefølgen av atomer i molekylære forbindelser og deres romlige organisering. Enkelt sagt kan en røntgenstråle tas for et enkelt molekyl, noe som ble mulig på 30-tallet av det 20. århundre.

Det var da forskere oppdaget at mange proteiner ikke bare har en lineær struktur, men også kan lokaliseres i spiraler, spoler og domener. Og som et resultat av mange vitenskapelige eksperimenter, viste det seg at den sekundære strukturen til et protein er den endelige formen for strukturelle proteiner og en mellomform for enzymer og immunglobuliner. Dette betyr at stoffer som til slutt har en tertiær eller kvartær struktur, på stadiet av deres "modning", også må gå gjennom stadiet av spiraldannelse som er karakteristisk for sekundærstrukturen.

Dannelse av sekundær proteinstruktur

Så snart syntesen av polypeptidet på ribosomer i det grove nettverket til celleendoplasmaet er fullført, begynner den sekundære strukturen til proteinet å dannes. Polypeptidet i seg selv er et langt molekyl som tar opp mye plass og er upraktisk for transport og å utføre sine tiltenkte funksjoner. Derfor, for å redusere størrelsen og gi den spesielle egenskaper, utvikles en sekundær struktur. Dette skjer gjennom dannelsen av alfa-helikser og beta-ark. På denne måten oppnås et protein med sekundær struktur, som i fremtiden enten vil bli til tertiært og kvaternært, eller vil bli brukt i denne formen.

Sekundær struktur organisasjon

Som mange studier har vist, er den sekundære strukturen til et protein enten en alfa-helix eller et beta-ark, eller en veksling av regioner med disse elementene. Videre er den sekundære strukturen en metode for vridning og spiraldannelse av et proteinmolekyl. Dette er en kaotisk prosess som oppstår på grunn av hydrogenbindinger som oppstår mellom de polare områdene av aminosyrerester i polypeptidet.

Alpha helix sekundær struktur

Siden bare L-aminosyrer deltar i biosyntesen av polypeptider, begynner dannelsen av den sekundære strukturen til proteinet med å vri helixen med klokken (til høyre). Det er strengt tatt 3,6 aminosyrerester per skruelinje, og avstanden langs spiralaksen er 0,54 nm. Dette er generelle egenskaper for den sekundære strukturen til et protein som ikke er avhengig av typen aminosyrer som er involvert i syntesen.

Det har blitt bestemt at ikke hele polypeptidkjeden er fullstendig spiralformet. Dens struktur inneholder lineære seksjoner. Spesielt er pepsinproteinmolekylet bare 30% spiralformet, lysozym - 42% og hemoglobin - 75%. Dette betyr at den sekundære strukturen til proteinet strengt tatt ikke er en helix, men en kombinasjon av dets seksjoner med lineære eller lagdelte.

Betalags sekundær struktur

Den andre typen strukturell organisering av et stoff er et betalag, som er to eller flere tråder av et polypeptid forbundet med en hydrogenbinding. Sistnevnte forekommer mellom frie CO NH2-grupper. På denne måten henger hovedsakelig strukturelle (muskel)proteiner sammen.

Strukturen til proteiner av denne typen er som følger: en tråd av polypeptidet med betegnelsen på de terminale seksjonene A-B er parallell med den andre. Det eneste forbeholdet er at det andre molekylet er plassert antiparallelt og er betegnet som BA. Dette danner et betalag, som kan bestå av et hvilket som helst antall polypeptidkjeder forbundet med flere hydrogenbindinger.

Hydrogenbinding

Den sekundære strukturen til et protein er en binding basert på flere polare interaksjoner av atomer med forskjellige elektronegativitetsindekser. Fire grunnstoffer har størst evne til å danne en slik binding: fluor, oksygen, nitrogen og hydrogen. Proteiner inneholder alt unntatt fluor. Derfor kan og dannes en hydrogenbinding, noe som gjør det mulig å koble polypeptidkjeder til beta-lag og alfa-helikser.

Det er lettest å forklare forekomsten av en hydrogenbinding ved å bruke eksempelet vann, som er en dipol. Oksygen har en sterk negativ ladning, og på grunn av den høye polarisasjonen av O-H-bindingen, anses hydrogen som positivt. I denne tilstanden er molekyler til stede i et bestemt miljø. Dessuten berører og kolliderer mange av dem. Da tiltrekker oksygen fra det første vannmolekylet hydrogen fra det andre. Og så videre nedover i kjeden.

Lignende prosesser forekommer i proteiner: det elektronegative oksygenet til en peptidbinding tiltrekker seg hydrogen fra en hvilken som helst del av en annen aminosyrerest, og danner en hydrogenbinding. Dette er en svak polar konjugasjon, som krever omtrent 6,3 kJ energi for å bryte.

Til sammenligning krever den svakeste kovalente bindingen i proteiner 84 kJ energi for å brytes. Den sterkeste kovalente bindingen vil kreve 8400 kJ. Imidlertid er antallet hydrogenbindinger i et proteinmolekyl så stort at deres totale energi gjør at molekylet kan eksistere under aggressive forhold og opprettholde sin romlige struktur. Dette er grunnen til at proteiner eksisterer. Strukturen til denne typen protein gir styrken som trengs for at muskler, bein og leddbånd skal fungere. Betydningen av den sekundære strukturen til proteiner for kroppen er så enorm.

Proteiners rolle i kroppen er ekstremt stor. Dessuten kan et stoff bare bære et slikt navn etter at det får en forhåndsbestemt struktur. Inntil dette øyeblikk er det et polypeptid, bare en aminosyrekjede som ikke kan utføre sine tiltenkte funksjoner. Generelt er den romlige strukturen til proteiner (primær, sekundær, tertiær og domene) deres tredimensjonale struktur. Dessuten er det viktigste for kroppen sekundære, tertiære og domenestrukturer.

Forutsetninger for å studere proteinstruktur

Blant metodene for å studere strukturen til kjemiske stoffer, spiller røntgenkrystallografi en spesiell rolle. Gjennom den kan du få informasjon om rekkefølgen av atomer i molekylære forbindelser og deres romlige organisering. Enkelt sagt kan en røntgenstråle tas for et enkelt molekyl, noe som ble mulig på 30-tallet av det 20. århundre.

Det var da forskere oppdaget at mange proteiner ikke bare har en lineær struktur, men også kan lokaliseres i spiraler, spoler og domener. Og som et resultat av mange vitenskapelige eksperimenter, viste det seg at den sekundære strukturen til et protein er den endelige formen for strukturelle proteiner og en mellomform for enzymer og immunglobuliner. Dette betyr at stoffer som til slutt har en tertiær eller kvartær struktur, på stadiet av deres "modning", også må gå gjennom stadiet av spiraldannelse som er karakteristisk for sekundærstrukturen.

Dannelse av sekundær proteinstruktur

Så snart syntesen av polypeptidet på ribosomer i det grove nettverket til celleendoplasmaet er fullført, begynner den sekundære strukturen til proteinet å dannes. Polypeptidet i seg selv er et langt molekyl som tar opp mye plass og er upraktisk for transport og å utføre sine tiltenkte funksjoner. Derfor, for å redusere størrelsen og gi den spesielle egenskaper, utvikles en sekundær struktur. Dette skjer gjennom dannelsen av alfa-helikser og beta-ark. På denne måten oppnås et protein med sekundær struktur, som i fremtiden enten vil bli til tertiært og kvaternært, eller vil bli brukt i denne formen.

Sekundær struktur organisasjon

Som mange studier har vist, er den sekundære strukturen til et protein enten en alfa-helix eller et beta-ark, eller en veksling av regioner med disse elementene. Videre er den sekundære strukturen en metode for vridning og spiraldannelse av et proteinmolekyl. Dette er en kaotisk prosess som oppstår på grunn av hydrogenbindinger som oppstår mellom de polare områdene av aminosyrerester i polypeptidet.

Alpha helix sekundær struktur

Siden bare L-aminosyrer deltar i biosyntesen av polypeptider, begynner dannelsen av den sekundære strukturen til proteinet med å vri helixen med klokken (til høyre). Det er strengt tatt 3,6 aminosyrerester per skruelinje, og avstanden langs spiralaksen er 0,54 nm. Dette er generelle egenskaper for den sekundære strukturen til et protein som ikke er avhengig av typen aminosyrer som er involvert i syntesen.

Det har blitt bestemt at ikke hele polypeptidkjeden er fullstendig spiralformet. Dens struktur inneholder lineære seksjoner. Spesielt er pepsinproteinmolekylet bare 30% spiralformet, lysozym - 42% og hemoglobin - 75%. Dette betyr at den sekundære strukturen til proteinet strengt tatt ikke er en helix, men en kombinasjon av dets seksjoner med lineære eller lagdelte.

Betalags sekundær struktur

Den andre typen strukturell organisering av et stoff er et betalag, som er to eller flere tråder av et polypeptid forbundet med en hydrogenbinding. Sistnevnte forekommer mellom frie CO NH2-grupper. På denne måten henger hovedsakelig strukturelle (muskel)proteiner sammen.

Strukturen til proteiner av denne typen er som følger: en tråd av polypeptidet med betegnelsen på de terminale seksjonene A-B er parallell med den andre. Det eneste forbeholdet er at det andre molekylet er plassert antiparallelt og er betegnet som BA. Dette danner et betalag, som kan bestå av et hvilket som helst antall polypeptidkjeder forbundet med flere hydrogenbindinger.

Hydrogenbinding

Den sekundære strukturen til et protein er en binding basert på flere polare interaksjoner av atomer med forskjellige elektronegativitetsindekser. Fire grunnstoffer har størst evne til å danne en slik binding: fluor, oksygen, nitrogen og hydrogen. Proteiner inneholder alt unntatt fluor. Derfor kan og dannes en hydrogenbinding, noe som gjør det mulig å koble polypeptidkjeder til beta-lag og alfa-helikser.

Det er lettest å forklare forekomsten av en hydrogenbinding ved å bruke eksempelet vann, som er en dipol. Oksygen har en sterk negativ ladning, og på grunn av den høye polarisasjonen av O-H-bindingen, anses hydrogen som positivt. I denne tilstanden er molekyler til stede i et bestemt miljø. Dessuten berører og kolliderer mange av dem. Da tiltrekker oksygen fra det første vannmolekylet hydrogen fra det andre. Og så videre nedover i kjeden.

Lignende prosesser forekommer i proteiner: det elektronegative oksygenet til en peptidbinding tiltrekker seg hydrogen fra en hvilken som helst del av en annen aminosyrerest, og danner en hydrogenbinding. Dette er en svak polar konjugasjon, som krever omtrent 6,3 kJ energi for å bryte.

Til sammenligning krever den svakeste kovalente bindingen i proteiner 84 kJ energi for å brytes. Den sterkeste kovalente bindingen vil kreve 8400 kJ. Imidlertid er antallet hydrogenbindinger i et proteinmolekyl så stort at deres totale energi gjør at molekylet kan eksistere under aggressive forhold og opprettholde sin romlige struktur. Dette er grunnen til at proteiner eksisterer. Strukturen til denne typen protein gir styrken som trengs for at muskler, bein og leddbånd skal fungere. Betydningen av den sekundære strukturen til proteiner for kroppen er så enorm.

Det er fire nivåer av strukturell organisering av proteiner: primær, sekundær, tertiær og kvartær. Hvert nivå har sine egne egenskaper.

Den primære strukturen til proteiner er en lineær polypeptidkjede av aminosyrer forbundet med peptidbindinger. Primærstruktur er det enkleste nivået av strukturell organisering av et proteinmolekyl. Høy stabilitet er gitt til den av kovalente peptidbindinger mellom α-aminogruppen til en aminosyre og α-karboksylgruppen til en annen aminosyre. [forestilling] .

Hvis iminogruppen til prolin eller hydroksyprolin er involvert i dannelsen av en peptidbinding, har den en annen form [forestilling] .

Når peptidbindinger dannes i celler, aktiveres først karboksylgruppen til en aminosyre, og deretter kombineres den med aminogruppen til en annen. Laboratoriesyntese av polypeptider utføres på omtrent samme måte.

En peptidbinding er et repeterende fragment av en polypeptidkjede. Den har en rekke funksjoner som påvirker ikke bare formen på primærstrukturen, men også de høyere organiseringsnivåene til polypeptidkjeden:

• koplanaritet - alle atomer inkludert i peptidgruppen er i samme plan;
• evnen til å eksistere i to resonansformer (keto- eller enolform);
• trans-posisjon av substituentene i forhold til C-N-bindingen;
• evnen til å danne hydrogenbindinger, og hver av peptidgruppene kan danne to hydrogenbindinger med andre grupper, inkludert peptidgrupper.

Unntaket er peptidgrupper som involverer aminogruppen til prolin eller hydroksyprolin. De er bare i stand til å danne en hydrogenbinding (se ovenfor). Dette påvirker dannelsen av den sekundære strukturen til proteinet. Polypeptidkjeden i området hvor prolin eller hydroksyprolin er lokalisert, bøyer seg lett, siden den ikke holdes, som vanlig, av en andre hydrogenbinding.

Nomenklatur av peptider og polypeptider . Navnet på peptider består av navnene på deres inngående aminosyrer. To aminosyrer lager et dipeptid, tre lager et tripeptid, fire lager et tetrapeptid osv. Hvert peptid eller polypeptidkjede av hvilken som helst lengde har en N-terminal aminosyre som inneholder en fri aminogruppe og en C-terminal aminosyre som inneholder en fri karboksyl gruppe. Når man navngir polypeptider, er alle aminosyrer oppført sekvensielt, starter med den N-terminale, og erstatter i navnene deres, bortsett fra den C-terminale, suffikset -in med -yl (siden aminosyrene i peptider ikke lenger har en karboksylgruppe, men en karbonylgruppe). For eksempel, navnet vist i fig. 1 tripeptid - leuc silt fenylalan silt threon i.

Funksjoner av proteinets primære struktur . I ryggraden i polypeptidkjeden veksler stive strukturer (flate peptidgrupper) med relativt mobile regioner (-CHR), som er i stand til å rotere rundt bindinger. Slike strukturelle trekk ved polypeptidkjeden påvirker dens romlige arrangement.

Sekundær struktur er en måte å brette en polypeptidkjede til en ordnet struktur på grunn av dannelsen av hydrogenbindinger mellom peptidgrupper i samme kjede eller tilstøtende polypeptidkjeder. I henhold til deres konfigurasjon er sekundære strukturer delt inn i spiralformet (α-helix) og lagdelt (β-struktur og kryss-β-form).

a-helix. Dette er en type sekundær proteinstruktur som ser ut som en vanlig helix, dannet på grunn av interpeptidhydrogenbindinger innenfor én polypeptidkjede. Modellen for strukturen til α-helixen (fig. 2), som tar hensyn til alle egenskapene til peptidbindingen, ble foreslått av Pauling og Corey. Hovedtrekk ved α-helixen:

• spiralformet konfigurasjon av polypeptidkjeden som har spiralformet symmetri;
• dannelsen av hydrogenbindinger mellom peptidgruppene til hver første og fjerde aminosyrerest;
• regelmessighet av spiral svinger;
• ekvivalensen av alle aminosyrerester i a-helixen, uavhengig av strukturen til deres sideradikaler;
• sideradikaler av aminosyrer deltar ikke i dannelsen av α-helixen.

Utvendig ser α-helixen ut som en litt strukket spiral av en elektrisk komfyr. Regelmessigheten av hydrogenbindinger mellom den første og fjerde peptidgruppen bestemmer regelmessigheten til svingene i polypeptidkjeden. Høyden på en omdreining, eller stigningen til α-helixen, er 0,54 nm; den inkluderer 3,6 aminosyrerester, det vil si at hver aminosyrerest beveger seg langs aksen (høyden til en aminosyrerest) med 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), som lar oss snakke om ekvivalens av alle aminosyrerester i α-helixen. Regelmessighetsperioden for en α-helix er 5 omdreininger eller 18 aminosyrerester; lengden på en periode er 2,7 nm. Ris. 3. Pauling-Corey a-helix-modell

β-struktur. Dette er en type sekundær struktur som har en svakt buet konfigurasjon av polypeptidkjeden og er dannet av interpeptidhydrogenbindinger innenfor individuelle seksjoner av en polypeptidkjede eller tilstøtende polypeptidkjeder. Det kalles også en lagdelt foldstruktur. Det finnes varianter av β-strukturer. De begrensede lagdelte områdene dannet av én polypeptidkjede av et protein kalles kryss-β-form (kort β-struktur). Hydrogenbindinger i kryss-β-formen dannes mellom peptidgruppene i løkkene i polypeptidkjeden. En annen type - den komplette β-strukturen - er karakteristisk for hele polypeptidkjeden, som har en forlenget form og holdes av interpeptidhydrogenbindinger mellom tilstøtende parallelle polypeptidkjeder (fig. 3). Denne strukturen ligner belgen til et trekkspill. Dessuten er varianter av β-strukturer mulige: de kan dannes av parallelle kjeder (de N-terminale endene av polypeptidkjedene er rettet i samme retning) og antiparallelle (de N-terminale endene er rettet i forskjellige retninger). Sideradikalene til ett lag er plassert mellom sideradikalene til et annet lag.

I proteiner er overganger fra α-strukturer til β-strukturer og tilbake mulige på grunn av omorganisering av hydrogenbindinger. I stedet for vanlige interpeptid-hydrogenbindinger langs kjeden (takket være at polypeptidkjeden er vridd inn i en spiral), vikler de spiralformede seksjonene seg ut og hydrogenbindinger lukkes mellom de langstrakte fragmentene av polypeptidkjedene. Denne overgangen finnes i keratin, hårets protein. Når man vasker hår med alkaliske vaskemidler, blir den spiralformede strukturen til β-keratin lett ødelagt og det blir til α-keratin (krøllete hår retter seg).

Ødeleggelsen av vanlige sekundære strukturer av proteiner (α-helikser og β-strukturer), analogt med smelting av en krystall, kalles "smelting" av polypeptider. I dette tilfellet brytes hydrogenbindinger, og polypeptidkjedene har form av en tilfeldig floke. Følgelig bestemmes stabiliteten til sekundære strukturer av interpeptidhydrogenbindinger. Andre typer bindinger tar nesten ingen del i dette, med unntak av disulfidbindinger langs polypeptidkjeden på lokalitetene til cysteinrester. Korte peptider lukkes inn i sykluser på grunn av disulfidbindinger. Mange proteiner inneholder både α-heliske regioner og β-strukturer. Det er nesten ingen naturlige proteiner som består av 100 % α-helix (unntaket er paramyosin, et muskelprotein som er 96-100 % α-helix), mens syntetiske polypeptider har 100 % helix.

Andre proteiner har ulik grad av vikling. En høy frekvens av α-heliske strukturer er observert i paramyosin, myoglobin og hemoglobin. I kontrast, i trypsin, en ribonuklease, er en betydelig del av polypeptidkjeden foldet til lagdelte β-strukturer. Proteiner fra støttevev: keratin (protein av hår, ull), kollagen (protein av sener, hud), fibroin (protein av naturlig silke) har en β-konfigurasjon av polypeptidkjeder. De forskjellige gradene av helicitet til polypeptidkjedene av proteiner indikerer at det åpenbart er krefter som delvis forstyrrer heliciteten eller "bryter" den vanlige foldingen av polypeptidkjeden. Årsaken til dette er en mer kompakt folding av proteinpolypeptidkjeden i et visst volum, dvs. til en tertiær struktur.

Protein tertiær struktur

Den tertiære strukturen til et protein er måten polypeptidkjeden er ordnet i rommet. Basert på formen på deres tertiære struktur, er proteiner hovedsakelig delt inn i globulære og fibrillære. Kuleproteiner har oftest en ellipsoid form, og fibrillære (trådlignende) proteiner har en langstrakt form (stav- eller spindelform).

Konfigurasjonen av den tertiære strukturen til proteiner gir imidlertid ennå ikke grunn til å tro at fibrillære proteiner kun har en β-struktur, og globulære proteiner har en α-helixstruktur. Det er fibrillære proteiner som har en spiralformet, snarere enn lagdelt, foldet sekundær struktur. For eksempel tilhører α-keratin og paramyosin (protein fra obturatormuskelen til bløtdyr), tropomyosiner (proteiner i skjelettmuskler) til fibrillære proteiner (har en stavform), og deres sekundære struktur er α-helix; i kontrast kan globulære proteiner inneholde et stort antall β-strukturer.

Spiralisering av en lineær polypeptidkjede reduserer størrelsen med omtrent 4 ganger; og pakking inn i tertiærstrukturen gjør den titalls ganger mer kompakt enn den originale kjeden.

Bindinger som stabiliserer den tertiære strukturen til et protein . Bindinger mellom sideradikaler av aminosyrer spiller en rolle i å stabilisere den tertiære strukturen. Disse forbindelsene kan deles inn i:

• sterk (kovalent) [forestilling] .

  Kovalente bindinger inkluderer disulfidbindinger (-S-S-) mellom sideradikalene til cysteiner lokalisert i forskjellige deler av polypeptidkjeden; isopeptid, eller pseudopeptid, - mellom aminogruppene til sideradikalene til lysin, arginin, og ikke α-aminogrupper, og COOH-grupper av sideradikaler av asparaginsyre, glutaminsyre og aminositronsyre, og ikke α-karboksylgrupper av aminosyrer. Derav navnet på denne typen binding - peptidlignende. En sjelden esterbinding dannes av COOH-gruppen av dikarboksylaminosyrer (asparaginsyre, glutaminsyre) og OH-gruppen av hydroksyaminosyrer (serin, treonin).

• svak (polar og van der Waals) [forestilling] .

  TIL polare bindinger inkluderer hydrogen og ionisk. Hydrogenbindinger, som vanlig, forekommer mellom -NH 2 , -OH eller -SH-gruppen i sideradikalet til en aminosyre og karboksylgruppen til en annen. Ioniske, eller elektrostatiske, bindinger dannes når de ladede gruppene av sideradikaler -NH + 3 (lysin, arginin, histidin) og -COO - (asparaginsyre og glutaminsyre) kommer i kontakt.

  Ikke-polare, eller van der Waals, bindinger dannet mellom hydrokarbonradikaler av aminosyrer. Hydrofobe radikaler av aminosyrene alanin, valin, isoleucin, metionin og fenylalanin samhandler med hverandre i et vandig miljø. Svake van der Waals-bindinger fremmer dannelsen av en hydrofob kjerne av ikke-polare radikaler inne i proteinkulen. Jo flere upolare aminosyrer det er, desto større rolle spiller van der Waals-bindinger i foldingen av polypeptidkjeden.

Tallrike bindinger mellom sideradikalene til aminosyrer bestemmer den romlige konfigurasjonen av proteinmolekylet.

Funksjoner ved organiseringen av protein tertiær struktur . Konformasjonen av den tertiære strukturen til polypeptidkjeden bestemmes av egenskapene til sideradikalene til aminosyrene inkludert i den (som ikke har en merkbar effekt på dannelsen av primære og sekundære strukturer) og mikromiljøet, dvs. miljø. Når den er brettet, har polypeptidkjeden til et protein en tendens til å anta en energetisk gunstig form, preget av et minimum av fri energi. Derfor danner ikke-polare R-grupper, som "unngår" vann, så å si den indre delen av den tertiære strukturen til proteinet, der hoveddelen av de hydrofobe restene av polypeptidkjeden er lokalisert. Det er nesten ingen vannmolekyler i midten av proteinkulen. De polare (hydrofile) R-gruppene til aminosyren befinner seg utenfor denne hydrofobe kjernen og er omgitt av vannmolekyler. Polypeptidkjeden er intrikat bøyd i tredimensjonalt rom. Når den bøyer seg, blir den sekundære spiralformede konformasjonen forstyrret. Kjeden "bryter" på svake punkter der prolin eller hydroksyprolin er lokalisert, siden disse aminosyrene er mer mobile i kjeden, og danner bare én hydrogenbinding med andre peptidgrupper. Et annet bøyested er glycin, som har en liten R-gruppe (hydrogen). Derfor har R-gruppene til andre aminosyrer, når de er stablet, en tendens til å okkupere det ledige rommet på stedet for glycin. En rekke aminosyrer - alanin, leucin, glutamat, histidin - bidrar til bevaring av stabile spiralformede strukturer i protein, og som metionin, valin, isoleucin, asparaginsyre favoriserer dannelsen av β-strukturer. I et proteinmolekyl med tertiær konfigurasjon er det regioner i form av α-helikser (helix), β-strukturer (lagdelt) og en tilfeldig spole. Bare det riktige romlige arrangementet av proteinet gjør det aktivt; dets brudd fører til endringer i proteinegenskaper og tap av biologisk aktivitet.

Kvartær proteinstruktur

Proteiner som består av én polypeptidkjede har bare tertiær struktur. Disse inkluderer myoglobin - et muskelvevsprotein involvert i bindingen av oksygen, en rekke enzymer (lysozym, pepsin, trypsin, etc.). Imidlertid er noen proteiner bygget opp fra flere polypeptidkjeder, som hver har en tertiær struktur. For slike proteiner er konseptet kvartær struktur blitt introdusert, som er organiseringen av flere polypeptidkjeder med en tertiær struktur til et enkelt funksjonelt proteinmolekyl. Et slikt protein med kvaternær struktur kalles en oligomer, og dets polypeptidkjeder med tertiær struktur kalles protomerer eller subenheter (fig. 4).

På det kvartære organisasjonsnivået beholder proteiner den grunnleggende konfigurasjonen av den tertiære strukturen (globulær eller fibrillær). For eksempel er hemoglobin et protein med en kvartær struktur og består av fire underenheter. Hver av underenhetene er et globulært protein, og generelt har hemoglobin også en globulær konfigurasjon. Hår- og ullproteiner - keratiner, relatert i tertiær struktur til fibrillære proteiner, har en fibrillær konformasjon og en kvartær struktur.

Stabilisering av protein kvaternær struktur . Alle proteiner som har en kvartær struktur er isolert i form av individuelle makromolekyler som ikke brytes ned til underenheter. Kontakter mellom overflatene til underenheter er bare mulig på grunn av de polare gruppene av aminosyrerester, siden under dannelsen av den tertiære strukturen til hver av polypeptidkjedene, vil sideradikalene til ikke-polare aminosyrer (som utgjør flertallet av alle proteinogene aminosyrer) er skjult inne i underenheten. Tallrike ioniske (salt-), hydrogen- og i noen tilfeller disulfidbindinger dannes mellom deres polare grupper, som holder underenhetene fast i form av et organisert kompleks. Bruk av stoffer som bryter hydrogenbindinger eller stoffer som reduserer disulfidbroer forårsaker disaggregering av protomerer og ødeleggelse av proteinets kvaternære struktur. I tabellen 1 oppsummerer dataene om bindingene som stabiliserer ulike nivåer av organisering av proteinmolekylet [forestilling] .

Funksjoner ved den strukturelle organiseringen av noen fibrillære proteiner

Den strukturelle organiseringen av fibrillære proteiner har en rekke funksjoner sammenlignet med kuleproteiner. Disse funksjonene kan sees i eksemplet med keratin, fibroin og kollagen. Keratiner finnes i α- og β-konformasjoner. α-Keratiner og fibroin har en lagdelt foldet sekundær struktur, men i keratin er kjedene parallelle, og i fibroin er de antiparallelle (se fig. 3); I tillegg inneholder keratin disulfidbindinger mellom kjeder, mens fibroin ikke har dem. Brudd av disulfidbindinger fører til separasjon av polypeptidkjeder i keratiner. Tvert imot skaper dannelsen av maksimalt antall disulfidbindinger i keratiner gjennom eksponering for oksidasjonsmidler en sterk romlig struktur. Generelt, i fibrillære proteiner, i motsetning til globulære proteiner, er det noen ganger vanskelig å skille strengt mellom ulike organisasjonsnivåer. Hvis vi aksepterer (som for et kuleprotein) at den tertiære strukturen skal dannes ved å legge en polypeptidkjede i rommet, og den kvartære strukturen av flere kjeder, så er flere polypeptidkjeder involvert i fibrillære proteiner allerede under dannelsen av sekundærstrukturen . Et typisk eksempel på et fibrillært protein er kollagen, som er et av de mest tallrike proteinene i menneskekroppen (omtrent 1/3 av massen av alle proteiner). Det finnes i vev som har høy styrke og lav strekkbarhet (bein, sener, hud, tenner, etc.). I kollagen er en tredjedel av aminosyrerestene glycin, og omtrent en fjerdedel eller litt mer er prolin eller hydroksyprolin.

Den isolerte polypeptidkjeden av kollagen (primærstruktur) ser ut som en brutt linje. Den inneholder ca. 1000 aminosyrer og har en molekylvekt på ca. 10 5 (fig. 5, a, b). Polypeptidkjeden er bygget opp av en repeterende trio av aminosyrer (triplett) med følgende sammensetning: gly-A-B, hvor A og B er andre aminosyrer enn glycin (oftest prolin og hydroksyprolin). Kollagen polypeptidkjeder (eller α-kjeder) under dannelsen av sekundære og tertiære strukturer (fig. 5, c og d) kan ikke produsere typiske α-helikser med spiralformet symmetri. Prolin, hydroksyprolin og glycin (antiheliske aminosyrer) forstyrrer dette. Derfor danner tre α-kjeder som det var snodde spiraler, som tre tråder som vikler seg rundt en sylinder. Tre spiralformede α-kjeder danner en repeterende kollagenstruktur kalt tropokollagen (fig. 5d). Tropocollagen i sin organisasjon er den tertiære strukturen til kollagen. De flate ringene av prolin og hydroksyprolin som regelmessig veksler langs kjeden gir den stivhet, og det samme gjør interkjedebindingene mellom α-kjedene til tropokollagen (det er grunnen til at kollagen er motstandsdyktig mot strekk). Tropocollagen er i hovedsak en underenhet av kollagenfibriller. Innleggingen av tropokollagen-underenheter i den kvartære strukturen til kollagen skjer på en trinnvis måte (fig. 5e).

Stabilisering av kollagenstrukturer skjer på grunn av hydrogen-, ion- og van der Waals-bindinger mellom kjeder og et lite antall kovalente bindinger.

α-kjedene til kollagen har forskjellige kjemiske strukturer. Det finnes forskjellige typer α 1-kjeder (I, II, III, IV) og α 2-kjeder. Avhengig av hvilke α 1 - og α 2 -kjeder som er involvert i dannelsen av den tre-trådet helix av tropocollagen, skilles fire typer kollagen:

• den første typen - to α 1 (I) og en α 2-kjede;
• den andre typen - tre α 1 (II) kjeder;
• tredje type - tre α 1 (III) kjeder;
• fjerde type - tre α 1 (IV) kjeder.

Det vanligste kollagenet er den første typen: det finnes i beinvev, hud, sener; type 2 kollagen finnes i bruskvev osv. En type vev kan inneholde ulike typer kollagen.

Den ordnede aggregeringen av kollagenstrukturer, deres stivhet og treghet sikrer høy styrke til kollagenfibre. Kollagenproteiner inneholder også karbohydratkomponenter, det vil si at de er protein-karbohydratkomplekser.

Kollagen er et ekstracellulært protein som dannes av bindevevsceller som finnes i alle organer. Derfor, med skade på kollagen (eller forstyrrelse av dannelsen), forekommer flere brudd på støttefunksjonene til bindevevet til organer.

Strukturen til proteiner. Proteinstrukturer

Proteinstrukturer: primær, sekundær, tertiær og kvartær

Navnet "ekorn" kommer fra evnen til mange av dem til å bli hvite når de varmes opp. Navnet "proteiner" kommer fra det greske ordet for "første", som indikerer deres betydning i kroppen. Jo høyere organiseringsnivå av levende vesener er, jo mer mangfoldig er sammensetningen av proteiner.

Proteiner dannes av aminosyrer, som er koblet sammen med kovalente bindinger. peptid binding: mellom karboksylgruppen til en aminosyre og aminogruppen til en annen. Når to aminosyrer interagerer, dannes et dipeptid (fra restene av to aminosyrer, fra gresk. peptos– kokt). Erstatning, ekskludering eller omorganisering av aminosyrer i en polypeptidkjede forårsaker fremveksten av nye proteiner. For eksempel, når du erstatter bare en aminosyre (glutamin med valin), oppstår en alvorlig sykdom - sigdcelleanemi, når røde blodlegemer har en annen form og ikke kan utføre sine hovedfunksjoner (oksygentransport). Når en peptidbinding dannes, spaltes et vannmolekyl. Avhengig av antall aminosyrerester, skilles de ut:

– oligopeptider (di-, tri-, tetrapeptider, etc.) – inneholder opptil 20 aminosyrerester;

– polypeptider – fra 20 til 50 aminosyrerester;

– ekorn – over 50, noen ganger tusenvis av aminosyrerester

Basert på deres fysisk-kjemiske egenskaper skilles proteiner mellom hydrofile og hydrofobe.

Det er fire nivåer av organisering av proteinmolekylet - ekvivalente romlige strukturer (konfigurasjoner, konfirmasjon) proteiner: primære, sekundære, tertiære og kvaternære.

Primær struktur

Hoved strukturen til proteiner er den enkleste. Den har form av en polypeptidkjede, hvor aminosyrer er knyttet til hverandre ved en sterk peptidbinding. Bestemt av den kvalitative og kvantitative sammensetningen av aminosyrer og deres sekvens.

Sekundær struktur

Sekundær strukturen dannes hovedsakelig av hydrogenbindinger som ble dannet mellom hydrogenatomene i NH-gruppen til en helix curl og oksygenatomene i CO-gruppen til den andre og er rettet langs spiralen eller mellom parallelle folder av proteinmolekylet. Proteinmolekylet er delvis eller helt vridd til en α-helix eller danner en β-sheetstruktur. For eksempel danner keratinproteiner en α-helix. De er en del av hover, horn, hår, fjær, negler og klør. Proteinene som utgjør silke har et β-ark. Aminosyreradikaler (R-grupper) forblir utenfor helixen. Hydrogenbindinger er mye svakere enn kovalente bindinger, men med et betydelig antall av dem danner de en ganske sterk struktur.

Funksjon i form av en vridd spiral er karakteristisk for noen fibrillære proteiner - myosin, aktin, fibrinogen, kollagen, etc.

Tertiær struktur

Tertiær protein struktur. Denne strukturen er konstant og unik for hvert protein. Det bestemmes av størrelsen, polariteten til R-gruppene, formen og sekvensen til aminosyrerester. Polypeptidhelixen er vridd og foldet på en bestemt måte. Dannelsen av den tertiære strukturen til et protein fører til dannelsen av en spesiell konfigurasjon av proteinet - kuler (fra latin globulus - ball). Dens dannelse bestemmes av forskjellige typer ikke-kovalente interaksjoner: hydrofob, hydrogen, ionisk. Disulfidbroer vises mellom cystein-aminosyrerester.

Hydrofobe bindinger er svake bindinger mellom ikke-polare sidekjeder som er et resultat av gjensidig frastøting av løsemiddelmolekyler. I dette tilfellet vrir proteinet seg slik at de hydrofobe sidekjedene senkes dypt inne i molekylet og beskytter det mot interaksjon med vann, mens de hydrofile sidekjedene er plassert utenfor.

De fleste proteiner har en tertiær struktur - globuliner, albuminer, etc.

Kvartær struktur

Kvartær protein struktur. Dannet som et resultat av kombinasjonen av individuelle polypeptidkjeder. Sammen danner de en funksjonell enhet. Det finnes forskjellige typer bindinger: hydrofobe, hydrogen, elektrostatiske, ioniske.

Elektrostatiske bindinger oppstår mellom elektronegative og elektropositive radikaler av aminosyrerester.

Noen proteiner er preget av et kulearrangement av underenheter - dette er kuleformet proteiner. Kuleformede proteiner løses lett opp i vann eller saltløsninger. Over 1000 kjente enzymer tilhører kuleproteiner. Kuleproteiner inkluderer noen hormoner, antistoffer og transportproteiner. For eksempel er det komplekse molekylet hemoglobin (rødt blodcelleprotein) et globulært protein og består av fire globinmakromolekyler: to α-kjeder og to β-kjeder, som hver er koblet til hem, som inneholder jern.

Andre proteiner er preget av assosiasjon til spiralformede strukturer - dette er fibrillære (fra latin fibrilla - fiber) proteiner. Flere (3 til 7) α-helikser er tvunnet sammen, som fibre i en kabel. Fibrillære proteiner er uløselige i vann.

Proteiner er delt inn i enkle og komplekse.

Enkel (proteiner)

De består kun av aminosyrerester. Enkle proteiner inkluderer globuliner, albuminer, gluteliner, prolaminer, protaminer, stempler. Albuminer (for eksempel serumalbumin) er løselige i vann, globuliner (for eksempel antistoffer) er uløselige i vann, men løselige i vandige løsninger av visse salter (natriumklorid, etc.).

Kompleks (proteiner)

De inkluderer, i tillegg til aminosyrerester, forbindelser av en annen natur, som kalles protese gruppe. For eksempel er metalloproteiner proteiner som inneholder ikke-hemjern eller koblet sammen av metallatomer (de fleste enzymer), nukleoproteiner er proteiner koblet til nukleinsyrer (kromosomer, etc.), fosfoproteiner er proteiner som inneholder fosforsyrerester (eggproteiner eggeplomme, etc.). ), glykoproteiner - proteiner kombinert med karbohydrater (noen hormoner, antistoffer, etc.), kromoproteiner - proteiner som inneholder pigmenter (myoglobin, etc.), lipoproteiner - proteiner som inneholder lipider (inkludert i sammensetningen av membraner).

Under sekundær struktur protein refererer til konfigurasjonen av polypeptidkjeden, dvs. en metode for å brette, vri (folde, pakke) en polypeptidkjede til en spiralformet eller annen konformasjon. Denne prosessen foregår ikke kaotisk, men iht program innebygd i proteinets primære struktur. To hovedkonfigurasjoner av polypeptidkjeder som oppfyller strukturelle krav og eksperimentelle data er studert i detalj:

• a-helikser,
• β-strukturer.

Den mest sannsynlige typen struktur av kuleproteiner anses å være en-spiral. Vridningen av polypeptidkjeden skjer med klokken (høyrehåndsspiral), noe som skyldes L-aminosyresammensetningen til naturlige proteiner.

Drivkraft i dannelsen av a-helikser (så vel som β-strukturer) er aminosyrenes evne til å danne hydrogenbindinger.

Åpen i strukturen til a-helikser en rekke mønstre:

• For hver sving (trinn) av helixen er det 3,6 aminosyrerester.
• Helix-pitch (avstand langs aksen) er 0,54 nm per sving, og det er 0,15 nm per aminosyrerest.
• Helixvinkelen er 26°; etter 5 omdreininger av helixen (18 aminosyrerester), gjentas den strukturelle konfigurasjonen av polypeptidkjeden. Dette betyr at repetisjonsperioden (eller identiteten) til den a-helikale strukturen er 2,7 nm.

En annen type polypeptidkjedekonfigurasjon som finnes i hår, silke, muskel og andre fibrillære proteiner kalles β-strukturer. I dette tilfellet er to eller flere lineære polypeptidkjeder lokalisert parallelt eller, oftere, antiparallelle, tett forbundet med interkjede-hydrogenbindinger mellom -NH- og -CO-gruppene til tilstøtende kjeder, og danner en foldet lag-type struktur.

Skjematisk representasjon av β-strukturen til polypeptidkjeder.

I naturen finnes det proteiner hvis struktur imidlertid ikke tilsvarer verken β- eller a-strukturen. Et typisk eksempel på slike proteiner er kollagen– fibrillært protein som utgjør hoveddelen av bindevevet i menneske- og dyrekroppen.

Ved hjelp av røntgendiffraksjonsanalysemetoder er eksistensen av ytterligere to nivåer av strukturell organisering av et proteinmolekyl nå bevist, som viste seg å være mellomliggende mellom sekundær og tertiær struktur. Disse er de såkalte suprasekundære strukturer og strukturelle domener.

Suprasekundære strukturer er aggregater av polypeptidkjeder som har sin egen sekundære struktur og dannes i noen proteiner som et resultat av deres termodynamiske eller kinetiske stabilitet. I globulære proteiner er det således åpne (βxβ) elementer (representert av to parallelle β-kjeder forbundet med segment x), βaβaβ-elementer (representert av to segmenter av en α-helix satt inn mellom tre parallelle β-kjeder), etc.

Domenestruktur av globulært protein (flavodoxin) (ifølge A. A. Boldyrev)

Domene er en kompakt kuleformet strukturell enhet i en polypeptidkjede. Domener kan utføre forskjellige funksjoner og gjennomgå folding (coiling) til uavhengige kompakte kuleformede strukturelle enheter, sammenkoblet av fleksible seksjoner inne i proteinmolekylet.