Tipovi sekundarne strukture. Sekundarna struktura proteina i njegova prostorna organizacija

P ERVICHNAYA STRUKTURABELKOV

Primarna struktura proteina nosi informacije o njegovu prostornu strukturu.

1. Aminokiselinski ostaci u peptidnom lancu proteina ne smenjuju se nasumično, već su raspoređeni određenim redosledom. Linearni niz aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu naziva se primarna struktura proteina.

2. Primarna struktura svakog pojedinačnog proteina je kodirana u molekulu DNK (odjeljak koji se zove gen) i implementira se tokom transkripcije (prepisivanje informacija o mRNA) i translacije (sinteza peptidnog lanca).

3. Svaki od 50.000 pojedinačnih proteina ljudskog tijela ima jedinstven za dati pojedinačni protein, primarna struktura. Svi molekuli pojedinačnog proteina (na primjer, albumin) imaju istu izmjenu aminokiselinskih ostataka, što albumin razlikuje od bilo kojeg drugog pojedinačnog proteina.

4. Sekvenca aminokiselinskih ostataka u peptidnom lancu može se smatrati kao
obrazac zapisa

si neke informacije.

Ova informacija diktira prostorno savijanje dugog linearnog peptidnog lanca u kompaktniju trodimenzionalnu strukturu.

CONFORMATIONBELKOV

1. Linearni polipeptidni lanci pojedinačnih proteina, zbog interakcije funkcionalnih grupa aminokiselina, dobijaju određenu prostornu trodimenzionalnu strukturu, odnosno konformaciju. U globularnim proteinima postoje
dva glavna tipa konformacije peptidni lanci: sekundarne i tercijarne strukture.

SEKUNDARNOSTRUKTURABELKOV

2. Sekundarna struktura proteina je prostorna struktura koja je rezultat interakcije između funkcionalnih grupa peptidne kičme. U ovom slučaju, peptidni lanac može dobiti pravilne strukture dvije vrste:os-spirale I p-strukture.

Rice. 1.2. Sekundarna struktura proteina je a-heliks.

U os-spirali formiraju se vodikove veze između atoma kiseonika karboksilne grupe i vode po rodu amidnog dušika peptidne kičme kroz 4 aminokiseline; bočni lanci aminokiselinskih ostataka nalaze se duž periferije heliksa, ne učestvujući u formiranju vodoničnih veza koje formiraju sekundarnu strukturu (slika 1.2).

Ostaci velikog volumena ili ostaci sa istim odbojnim nabojima sprječavaju do formiranja a-heliksa.

Ostatak prolina prekida a-heliks zbog svoje prstenaste strukture i nemogućnosti formiranja vodonične veze zbog odsustva vodonika na atomu dušika u peptidnom lancu.

B-Struktura formira se između linearnih regiona jednog polipeptidnog lanca, formirajući nabore, ili između različitih polipeptidnih lanaca. Mogu se formirati polipeptidni lanci ili njihovi dijelovi paralelno(N- i C-terminali interagujućih peptidnih lanaca se poklapaju) ili antiparalelno(N- i C-terminali interakcijskih peptidnih lanaca leže u suprotnim smjerovima) p-strukture(Sl. 1.3).

IN proteini takođe imaju regije sa nepravilnom sekundarnom strukturom, koje se nazivaju neuredne lopte, iako se ove strukture ne mijenjaju toliko od jednog proteinskog molekula do drugog.

TERCIJARSTRUKTURABELKOV

3. Tercijarna struktura proteina- Ovo je trodimenzionalna prostorna struktura nastala zbog interakcije između radikala aminokiselina, koji se mogu nalaziti na znatnoj udaljenosti jedan od drugog u peptidnom lancu.

Rice. 1.3. Antiparalelno (beta struktura.)

Hidrofobni radikali aminokiselina teže se spajanju unutar globularne strukture proteina uz pomoć tzv. vodič-rofobične interakcije i intermolekularne van der Waalsove sile, formirajući gusto hidrofobno jezgro. Hidrofilni jonizovani i nejonizovani radikali aminokiselina uglavnom se nalaze na površini proteina i određuju njegovu rastvorljivost u vodi.

Hidrofilne aminokiseline koje se nalaze unutar hidrofobnog jezgra mogu međusobno komunicirati pomoću jonski I vodonične veze(pirinač. 1.4).

Rice. 1.4. Vrste veza koje nastaju između radikala aminokiselina tokom formiranja tercijarne strukture proteina. 1 - jonska veza; 2 - vodonična veza; 3 - hidrofobne interakcije; 4 - disulfidna veza.

Rice. 1.5. Disulfidne veze u strukturi humanog inzulina.

Jonske, vodikove i hidrofobne veze su među slabijim: njihova energija neznatno premašuje energiju toplinskog kretanja molekula na sobnoj temperaturi.

Konformacija proteina se održava pojavom mnogih takvih slabih veza.

Konformaciona labilnost proteina- to je sposobnost proteina da blage promjene u konformaciji zbog pucanja jednih i stvaranja drugih slabih veza.

Tercijarna struktura nekih proteina je stabilizirana disulfidne veze, nastaje interakcijom SH-grupa dvaju cisteinskih ostataka.

Većina intracelularnih proteina nema kovalentne disulfidne veze. Njihovo prisustvo je karakteristično za proteine ​​koje luči ćelija, na primjer, disulfidne veze su prisutne u molekulima inzulina, imunoglobulinima.

Insulin- proteinski hormon koji se sintetizira u β-ćelijama pankreasa. Izlučuju ga stanice kao odgovor na povećanje koncentracije glukoze u krvi. U strukturi insulina postoje 2 disulfidne veze koje povezuju 2 polipeptidna A- i B-lanca i 1 disulfidna veza unutar A-lanca (slika 1.5).

Osobine sekundarne strukture proteina utiču na prirodu međuradikalnih interakcija i tercijarne strukture.

4. Neki specifični redoslijed izmjenjivanja sekundarnih struktura uočen je u mnogim proteinima različite strukture i funkcija i naziva se supersekundarna struktura.

Takve uređene strukture se često nazivaju strukturnim motivima, koji imaju specifične nazive: “a-helix-turn-a-helix”, “leucinski zatvarač”, “cinkovi prsti”, “P-barrel struktura” itd.

Po prisutnosti a-heliksa i p-struktura, globularni proteini se mogu podijeliti u 4 kategorije:

1. Prva kategorija uključuje proteine ​​koji sadrže samo a-helike, kao što su mioglobin i hemoglobin (slika 1.6).

2. Druga kategorija uključuje proteine ​​u kojima postoje a-heliksa i (3-strukture. U ovom slučaju, a- i (3-strukture često formiraju kombinacije istog tipa koje se javljaju u različitim pojedinačnim proteinima.

Primjer. Supersekundarna P-cijevna struktura.

Enzim trioza fosfat izomeraza ima super-sekundarnu strukturu tipa P-cijev, gdje je svaka (3-struktura smještena unutar p-cijevca i povezana je s a-helikalnim područjem polipeptidalanci koji se nalaze na površini molekula (slika 1.7, ali).

Rice. 1.7. Supersekundarna p-cijevna struktura.

a — trioza fosfat izomeraza; b — domena piru runa naza.

Ista supersekundarna struktura pronađena je u jednom od domena molekula enzima piruvat kinaze (slika 1.7b). Domen je dio molekule koji po strukturi nalikuje nezavisnom globularnom proteinu.

Još jedan primjer formiranja supersekundarne strukture sa P-strukturama i os-heliksima. U jednom od domena laktat dehidrogenaze (LDH) i fosfoglicerat kinaze, P-strukture polipeptidnog lanca su locirane u centru u obliku upletene ploče, a svaka p-struktura je povezana sa a-helikalnim regionom koji se nalazi na površini molekula (slika 1.8).

Rice. 1.8. Sekundarna struktura karakteristična za mnoge fer- policajci.

ali- domena laktat dehidrogenaze; b— domena fosfoglicerat kinaze.

3. Treća kategorija uključuje proteine ​​koji imaju koji sadrži samo sekundarnu p-strukturu. Takve strukture nalaze se u imunoglobulinima, u enzimu superoksid dismutazi (slika 1.9).

Rice. 1.9. Sekundarna struktura konstantne domene imunoglobulina (ali)

i enzim superoksid dismutaza (b).

4. Četvrta kategorija uključuje proteine ​​koji sadrže samo mali broj pravilnih sekundarnih struktura. Ovi proteini uključuju male proteine ​​bogate cistinom ili metaloproteine.

U proteinima koji vežu DNK, postoje uobičajeni tipovi supersekundarnih struktura: "os-spiral-turn-os-spiral", "leucine patentni zatvarač", "cink-tvoji prsti." Proteini koji se vezuju za DNK sadrže vezujuće mjesto koje je komplementarno dijelu DNK sa specifičnom sekvencom nukleotida. Ovi proteini su uključeni u regulaciju djelovanja gena.

« ali- Spirala-okreni-spirala"

Rice. 1.10. Povezivanje supersekundarno

a-helix-turn-a-helix strukture

u glavnom žlijebu D

Ovaj strukturni motiv uključuje 2 os-heliksa: jedna je kraća, druga duža, povezane okretom polipeptidnog lanca (slika 1.10).

Kraća a-heliks je smještena preko žlijeba DNK, a duža a-heliks smještena je u glavnom žlijebu, formirajući nekovalentne specifične veze radikala aminokiselina s nukleotidima DNK.

Često proteini s takvom strukturom formiraju dimere, kao rezultat toga, oligomerni protein ima 2 supersekundarne strukture.

Dvije takve strukture mogu se vezati za DNK u susjednim regijama glavnih žljebova.

bezznačajne promjene u strukturi proteina.

"cink prst"

"Cinkov prst" je proteinski fragment koji sadrži oko 20 aminokiselinskih ostataka (slika 1.12).

Atom cinka je vezan za 4 radikala aminokiselina: 2 cisteinska i 2 histidinska ostatka.

U nekim slučajevima, umjesto ostataka histidina, postoje ostaci cisteina.

proteini u obliku "cinkovog prsta".

Ovaj region proteina formira α-heliks, koji se može specifično vezati za regulatorne regione glavnog žleba DNK.

Interagirajući proteini imaju a-heličnu regiju koja sadrži najmanje 4 leucinska ostatka.

Leucinski ostaci su locirani 6 aminokiselina jedan od drugog.

Budući da svaki zavoj a-heliksa sadrži ostatak od 3,6 aminokiselina, leucinski radikali se nalaze na površini svakog drugog zavoja.

Leucinski ostaci a-heliksa jednog proteina mogu stupiti u interakciju sa ostacima leucina drugog proteina (hidrofobne interakcije), povezujući ih zajedno (slika 1.13).

Mnogi proteini koji se vezuju za DNK stupaju u interakciju s DNK u obliku oligomernih struktura, gdje su podjedinice međusobno povezane "leucinskim patentnim zatvaračima". Histoni mogu poslužiti kao primjer takvih proteina.

Histoni- nuklearni proteini, koji uključuju veliki broj pozitivno nabijenih aminokiselina - arginin i lizin (do 80%).

Molekuli histona se kombinuju u oligomerne komplekse koji sadrže 8 monomera uz pomoć "leucinskih spojnica", uprkos jakom pozitivnom naelektrisanju ovih molekula.

Sažetak. Svi pojedinačni proteinski molekuli koji imaju identičnu primarnu strukturu dobijaju istu konformaciju u rastvoru.

Na ovaj način, priroda prostornog savijanja peptidnog lanca određena je aminokiselinomsastav i izmjena aminokiselinskih ostataka ulancima. Stoga je konformacija jednako specifična karakteristika pojedinog proteina kao i primarna struktura.

Uloga proteina u organizmu je izuzetno velika. Istovremeno, tvar može nositi takvo ime tek nakon što stekne unaprijed određenu strukturu. Do ove tačke, to je polipeptid, samo lanac aminokiselina koji ne može obavljati svoje predviđene funkcije. Uopšteno govoreći, prostorna struktura proteina (primarna, sekundarna, tercijarna i domenska) je njihova obimna struktura. Štaviše, za organizam su najvažnije sekundarne, tercijarne i domenske strukture.

Preduvjeti za proučavanje strukture proteina

Među metodama za proučavanje strukture hemijskih supstanci posebnu ulogu igra rendgenska difrakciona kristalografija. Preko njega se mogu dobiti informacije o redoslijedu atoma u molekularnim spojevima io njihovoj prostornoj organizaciji. Jednostavno rečeno, rendgenski snimak se može napraviti i za jedan molekul, što je postalo moguće 30-ih godina 20. veka.

Tada su istraživači otkrili da mnogi proteini ne samo da imaju linearnu strukturu, već se mogu nalaziti i u spiralama, zavojnicama i domenima. I kao rezultat mnoštva naučnih eksperimenata, pokazalo se da je sekundarna struktura proteina konačni oblik za strukturne proteine ​​i srednji oblik za enzime i imunoglobuline. To znači da tvari koje u konačnici imaju tercijarnu ili kvartarnu strukturu, u fazi svog "zrenja" moraju proći i fazu spiralnog formiranja, što je karakteristično za sekundarnu strukturu.

Formiranje sekundarne strukture proteina

Čim se završi sinteza polipeptida na ribosomima u gruboj mreži stanične endoplazme, počinje da se formira sekundarna struktura proteina. Sam polipeptid je duga molekula koja zauzima puno prostora i nezgodna je za transport i obavljanje svojih funkcija. Stoga, kako bi se smanjila njegova veličina i dala posebna svojstva, razvija se sekundarna struktura. To se dešava formiranjem alfa spirala i beta slojeva. Tako se dobija protein sekundarne strukture, koji će se u budućnosti ili pretvoriti u tercijarni i kvarterni, ili će se koristiti u ovom obliku.

Organizacija sekundarne strukture

Brojne studije su pokazale da je sekundarna struktura proteina ili alfa heliks, ili beta sloj, ili alternacija sekcija sa ovim elementima. Štaviše, sekundarna struktura je način uvijanja i spiralnog uvijanja proteinske molekule. Ovo je haotičan proces koji se javlja zbog vodikovih veza koje se javljaju između polarnih područja aminokiselinskih ostataka u polipeptidu.

Sekundarna struktura alfa heliksa

Budući da su samo L-aminokiseline uključene u biosintezu polipeptida, formiranje sekundarne strukture proteina počinje uvrtanjem spirale u smjeru kazaljke na satu (desno). Postoji striktno 3,6 aminokiselinskih ostataka za svaki spiralni zavoj, a udaljenost duž spiralne ose je 0,54 nm. Ovo su opća svojstva za sekundarnu strukturu proteina, koja ne ovise o vrsti aminokiselina uključenih u sintezu.

Utvrđeno je da nije cijeli polipeptidni lanac potpuno spiralan. Njegova struktura sadrži linearne dijelove. Konkretno, proteinski molekul pepsina je samo 30% spiralan, lizozim - 42%, a hemoglobin - 75%. To znači da sekundarna struktura proteina nije striktno spirala, već kombinacija njegovih dijelova s ​​linearnim ili slojevitim.

Sekundarna struktura beta sloja

Drugi tip strukturne organizacije supstance je beta sloj, koji je dva ili više polipeptidnih lanaca povezanih vodoničnom vezom. Ovo posljednje se događa između slobodnih CO NH2 grupa. Na ovaj način se povezuju uglavnom strukturni (mišićni) proteini.

Struktura proteina ovog tipa je sljedeća: jedan lanac polipeptida s oznakom terminalnih dijelova A-B paralelan je uz drugi. Jedino upozorenje je da se drugi molekul nalazi antiparalelno i da je označen kao B-A. Tako nastaje beta sloj koji se može sastojati od proizvoljno velikog broja polipeptidnih lanaca povezanih višestrukim vodoničnim vezama.

vodonična veza

Sekundarna struktura proteina je veza zasnovana na višestrukim polarnim interakcijama atoma s različitim vrijednostima elektronegativnosti. Najveću sposobnost stvaranja takve veze imaju četiri elementa: fluor, kiseonik, dušik i vodonik. Proteini sadrže sve osim fluora. Stoga se vodikova veza može formirati i stvara, što omogućava spajanje polipeptidnih lanaca u beta slojeve i u alfa spirale.

Nastanak vodonične veze najlakše je objasniti na primjeru vode, koja je dipol. Kiseonik nosi snažan negativni naboj, a zbog visoke polarizacije O-H veze, vodik se smatra pozitivnim. U ovom stanju, molekuli su prisutni u određenom mediju. I mnogi od njih se dodiruju i sudaraju. Tada kiseonik iz prve molekule vode privlači vodonik iz druge. I tako na lancu.

Slični procesi se dešavaju u proteinima: elektronegativni kisik peptidne veze privlači vodik iz bilo kojeg dijela drugog aminokiselinskog ostatka, formirajući vodikovu vezu. Ovo je slaba polarna konjugacija, za koju je potrebno oko 6,3 kJ energije za prekid.

Za poređenje, najslabija kovalentna veza u proteinima zahtijeva 84 kJ energije da bi je prekinula. Najjača kovalentna veza zahtijeva 8400 kJ. Međutim, broj vodoničnih veza u proteinskom molekulu je toliko ogroman da njihova ukupna energija omogućava molekulu da postoji u agresivnim uslovima i da zadrži svoju prostornu strukturu. Zbog toga postoje proteini. Struktura ove vrste proteina daje snagu koja je neophodna za funkcioniranje mišića, kostiju i ligamenata. Toliko je velika važnost sekundarne strukture proteina za tijelo.

Uloga proteina u organizmu je izuzetno velika. Istovremeno, tvar može nositi takvo ime tek nakon što stekne unaprijed određenu strukturu. Do ove tačke, to je polipeptid, samo lanac aminokiselina koji ne može obavljati svoje predviđene funkcije. Uopšteno govoreći, prostorna struktura proteina (primarna, sekundarna, tercijarna i domenska) je njihova obimna struktura. Štaviše, za organizam su najvažnije sekundarne, tercijarne i domenske strukture.

Preduvjeti za proučavanje strukture proteina

Među metodama za proučavanje strukture hemijskih supstanci posebnu ulogu igra rendgenska difrakciona kristalografija. Preko njega se mogu dobiti informacije o redoslijedu atoma u molekularnim spojevima io njihovoj prostornoj organizaciji. Jednostavno rečeno, rendgenski snimak se može napraviti i za jedan molekul, što je postalo moguće 30-ih godina 20. veka.

Tada su istraživači otkrili da mnogi proteini ne samo da imaju linearnu strukturu, već se mogu nalaziti i u spiralama, zavojnicama i domenima. I kao rezultat mnoštva naučnih eksperimenata, pokazalo se da je sekundarna struktura proteina konačni oblik za strukturne proteine ​​i srednji oblik za enzime i imunoglobuline. To znači da tvari koje u konačnici imaju tercijarnu ili kvartarnu strukturu, u fazi svog "zrenja" moraju proći i fazu spiralnog formiranja, što je karakteristično za sekundarnu strukturu.

Formiranje sekundarne strukture proteina

Čim se završi sinteza polipeptida na ribosomima u gruboj mreži stanične endoplazme, počinje da se formira sekundarna struktura proteina. Sam polipeptid je duga molekula koja zauzima puno prostora i nezgodna je za transport i obavljanje svojih funkcija. Stoga, kako bi se smanjila njegova veličina i dala posebna svojstva, razvija se sekundarna struktura. To se dešava formiranjem alfa spirala i beta slojeva. Tako se dobija protein sekundarne strukture, koji će se u budućnosti ili pretvoriti u tercijarni i kvarterni, ili će se koristiti u ovom obliku.

Organizacija sekundarne strukture

Brojne studije su pokazale da je sekundarna struktura proteina ili alfa heliks, ili beta sloj, ili alternacija sekcija sa ovim elementima. Štaviše, sekundarna struktura je način uvijanja i spiralnog uvijanja proteinske molekule. Ovo je haotičan proces koji se javlja zbog vodikovih veza koje se javljaju između polarnih područja aminokiselinskih ostataka u polipeptidu.

Sekundarna struktura alfa heliksa

Budući da su samo L-aminokiseline uključene u biosintezu polipeptida, formiranje sekundarne strukture proteina počinje uvrtanjem spirale u smjeru kazaljke na satu (desno). Postoji striktno 3,6 aminokiselinskih ostataka za svaki spiralni zavoj, a udaljenost duž spiralne ose je 0,54 nm. Ovo su opća svojstva za sekundarnu strukturu proteina, koja ne ovise o vrsti aminokiselina uključenih u sintezu.

Utvrđeno je da nije cijeli polipeptidni lanac potpuno spiralan. Njegova struktura sadrži linearne dijelove. Konkretno, proteinski molekul pepsina je samo 30% spiralan, lizozim - 42%, a hemoglobin - 75%. To znači da sekundarna struktura proteina nije striktno spirala, već kombinacija njegovih dijelova s ​​linearnim ili slojevitim.

Sekundarna struktura beta sloja

Drugi tip strukturne organizacije supstance je beta sloj, koji je dva ili više polipeptidnih lanaca povezanih vodoničnom vezom. Ovo posljednje se događa između slobodnih CO NH2 grupa. Na ovaj način se povezuju uglavnom strukturni (mišićni) proteini.

Struktura proteina ovog tipa je sljedeća: jedan lanac polipeptida s oznakom terminalnih dijelova A-B paralelan je uz drugi. Jedino upozorenje je da se drugi molekul nalazi antiparalelno i da je označen kao B-A. Tako nastaje beta sloj koji se može sastojati od proizvoljno velikog broja polipeptidnih lanaca povezanih višestrukim vodoničnim vezama.

vodonična veza

Sekundarna struktura proteina je veza zasnovana na višestrukim polarnim interakcijama atoma s različitim vrijednostima elektronegativnosti. Najveću sposobnost stvaranja takve veze imaju četiri elementa: fluor, kiseonik, dušik i vodonik. Proteini sadrže sve osim fluora. Stoga se vodikova veza može formirati i stvara, što omogućava spajanje polipeptidnih lanaca u beta slojeve i u alfa spirale.

Nastanak vodonične veze najlakše je objasniti na primjeru vode, koja je dipol. Kiseonik nosi snažan negativni naboj, a zbog visoke polarizacije O-H veze, vodik se smatra pozitivnim. U ovom stanju, molekuli su prisutni u određenom mediju. I mnogi od njih se dodiruju i sudaraju. Tada kiseonik iz prve molekule vode privlači vodonik iz druge. I tako na lancu.

Slični procesi se dešavaju u proteinima: elektronegativni kisik peptidne veze privlači vodik iz bilo kojeg dijela drugog aminokiselinskog ostatka, formirajući vodikovu vezu. Ovo je slaba polarna konjugacija, za koju je potrebno oko 6,3 kJ energije za prekid.

Za poređenje, najslabija kovalentna veza u proteinima zahtijeva 84 kJ energije da bi je prekinula. Najjača kovalentna veza zahtijeva 8400 kJ. Međutim, broj vodoničnih veza u proteinskom molekulu je toliko ogroman da njihova ukupna energija omogućava molekulu da postoji u agresivnim uslovima i da zadrži svoju prostornu strukturu. Zbog toga postoje proteini. Struktura ove vrste proteina daje snagu koja je neophodna za funkcioniranje mišića, kostiju i ligamenata. Toliko je velika važnost sekundarne strukture proteina za tijelo.

Primarna struktura proteina je linearni polipeptidni lanac aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Primarna struktura je najjednostavniji nivo strukturne organizacije proteinske molekule. Visoku stabilnost daju mu kovalentne peptidne veze između α-amino grupe jedne amino kiseline i α-karboksilne grupe druge amino kiseline.

Ako je imino grupa prolina ili hidroksiprolina uključena u formiranje peptidne veze, tada ima drugačiji oblik

Kada se u ćelijama formiraju peptidne veze, prvo se aktivira karboksilna grupa jedne aminokiseline, a zatim se kombinuje sa amino grupom druge. Približno isto se provodi laboratorijska sinteza polipeptida.

Peptidna veza je ponavljajući fragment polipeptidnog lanca. Ima niz karakteristika koje utiču ne samo na oblik primarne strukture, već i na najviše nivoe organizacije polipeptidnog lanca:

koplanarnost - svi atomi u peptidnoj grupi su u istoj ravni;

sposobnost postojanja u dva rezonantna oblika (keto ili enol oblik);

trans položaj supstituenata u odnosu na C-N vezu;

· sposobnost stvaranja vodoničnih veza, a svaka od peptidnih grupa može formirati dvije vodonične veze sa drugim grupama, uključujući i peptidne.

Izuzetak su peptidne grupe sa učešćem amino grupe prolina ili hidroksiprolina. Oni su u stanju da formiraju samo jednu vodikovu vezu (vidi gore). Ovo utiče na formiranje sekundarne strukture proteina. Polipeptidni lanac na mjestu gdje se nalazi prolin ili hidroksiprolin lako se savija, jer se ne drži, kao i obično, drugom vodikovom vezom.

shema formiranja tripeptida:

Nivoi prostorne organizacije proteina: sekundarna struktura proteina: koncept α-heliksa i β-presavijenog sloja. Tercijarna struktura proteina: koncept prirodnog proteina i denaturacije proteina. Kvartarna struktura proteina na primjeru strukture hemoglobina.

Sekundarna struktura proteina. Sekundarna struktura proteina se shvata kao način polaganja polipeptidnog lanca u uređenu strukturu. Po konfiguraciji razlikuju se sljedeći elementi sekundarne strukture: α -spiralni i β - presavijeni sloj.

Model zgrade α-heliksa, uzimajući u obzir sva svojstva peptidne veze, razvili su L. Pauling i R. Corey (1949 - 1951).

Slika 3, ali prikazan dijagram α -spiralni, dajući ideju o njegovim glavnim parametrima. Polipeptidni lanac se savija u α -heliksa na način da su zavoji spirale pravilni, pa spiralna konfiguracija ima spiralnu simetriju (sl. 3, b). Za svaki korak α -heliks čini 3,6 aminokiselinskih ostataka. Udaljenost između zavoja ili korak spirale je 0,54 nm, ugao spirale je 26°. Formiranje i održavanje α -helikalna konfiguracija nastaje zbog vodikovih veza formiranih između peptidnih grupa svake od njih n-th i ( P+ 3)-ti aminokiselinski ostaci. Iako je energija vodoničnih veza mala, veliki broj njih dovodi do značajnog energetskog efekta, što rezultira α -spiralna konfiguracija je prilično stabilna. Bočni radikali aminokiselinskih ostataka nisu uključeni u održavanje α - spiralna konfiguracija, tako da su svi ostaci aminokiselina unutra α - spirale su ekvivalentne.

U prirodnim proteinima postoje samo dešnjaci α - spirale.

β-naborani sloj- drugi element sekundarne strukture. Za razliku od α - spirale β -preklopljeni sloj ima linearni, a ne štapčasti oblik (slika 4). Linearna struktura se održava zbog pojave vodoničnih veza između peptidnih grupa koje se nalaze na različitim dijelovima polipeptidnog lanca. Ova mjesta su blizu udaljenosti vodonične veze između - C = O i HN - grupa (0,272 nm).

Rice. 4. Šematski prikaz β - presavijeni sloj (strelice pokazuju

o smjeru polipeptidnog lanca)

Rice. 3. Šema ( ali) i model ( b) α - spirale

Sekundarna struktura proteina određena je primarnom. Aminokiselinski ostaci su sposobni da formiraju vodikove veze u različitom stepenu, a to utiče na formiranje α -spirale ili β -sloj. Helikalne aminokiseline uključuju alanin, glutaminsku kiselinu, glutamin, leucin, lizin, metionin i histidin. Ako se proteinski fragment sastoji uglavnom od aminokiselinskih ostataka navedenih gore, tada a α -spiral. Valin, izoleucin, treonin, tirozin i fenilalanin doprinose stvaranju β slojeva polipeptidnog lanca. Neuređene strukture pojavljuju se u regijama polipeptidnog lanca gdje su koncentrisani ostaci aminokiselina kao što su glicin, serin, asparaginska kiselina, asparagin i prolin.

Mnogi proteini takođe sadrže α - spirale, i β -slojevi. Udio spiralne konfiguracije je različit za različite proteine. Dakle, mišićni protein paramiozin je skoro 100% spiraliziran; udio spiralne konfiguracije u mioglobinu i hemoglobinu je visok (75%). Naprotiv, u tripsinu i ribonukleazi, značajan dio polipeptidnog lanca uklapa se u slojevite β -strukture. Podržavaju proteine ​​tkiva - keratin (protein kose), kolagen (protein kože i tetiva) - imaju β -konfiguracija polipeptidnih lanaca.

Tercijarna struktura proteina. Tercijarna struktura proteina je način na koji je polipeptidni lanac položen u svemiru. Da bi protein stekao svoja inherentna funkcionalna svojstva, polipeptidni lanac mora se na određeni način saviti u prostoru, formirajući funkcionalno aktivnu strukturu. Takva struktura se zove native. Uprkos ogromnom broju prostornih struktura teoretski mogućih za jedan polipeptidni lanac, presavijanje proteina dovodi do formiranja jedne nativne konfiguracije.

Stabiliziraju tercijarne strukture proteinskih interakcija koje se javljaju između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka različitih dijelova polipeptidnog lanca. Ove interakcije se mogu podijeliti na jake i slabe.

Snažne interakcije uključuju kovalentne veze između atoma sumpora cisteinskih ostataka koji se nalaze u različitim dijelovima polipeptidnog lanca. Inače, takve veze se nazivaju disulfidni mostovi; formiranje disulfidnog mosta može se opisati na sljedeći način:

Pored kovalentnih veza, tercijarna struktura proteinske molekule je podržana slabim interakcijama, koje se, pak, dijele na polarne i nepolarne.

Polarne interakcije uključuju jonske i vodikove veze. Jonske interakcije nastaju kontaktom pozitivno nabijenih grupa bočnih radikala lizina, arginina, histidina i negativno nabijene COOH grupe asparaginske i glutaminske kiseline. Vodikove veze nastaju između funkcionalnih grupa bočnih radikala aminokiselinskih ostataka.

Nepolarne ili van der Waalsove interakcije između ugljikovodičnih radikala aminokiselinskih ostataka doprinose stvaranju hidrofobno jezgro (kap masti) unutar proteinske globule, jer ugljikovodični radikali izbjegavaju kontakt s vodom. Što je više nepolarnih aminokiselina u proteinu, veća je uloga van der Waalsovih veza u formiranju njegove tercijarne strukture.

Brojne veze između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka određuju prostornu konfiguraciju proteinskog molekula (slika 5).

Rice. 5. Vrste veza koje podržavaju tercijarnu strukturu proteina:
ali- disulfidni most; b - jonska veza; c, g - vodonične veze;
d - van der Waalsove veze

Tercijarna struktura jednog proteina je jedinstvena, kao i njegova primarna struktura. Samo ispravno prostorno savijanje proteina čini ga aktivnim. Različita kršenja tercijarne strukture dovode do promjene svojstava proteina i gubitka biološke aktivnosti.

Kvartarna struktura proteina. Proteini s molekulskom težinom većom od 100 kDa 1 obično se sastoje od nekoliko polipeptidnih lanaca s relativno malom molekulskom težinom. Struktura koja se sastoji od određenog broja polipeptidnih lanaca koji zauzimaju strogo fiksiran položaj jedan u odnosu na drugi, zbog čega protein ima jednu ili drugu aktivnost, naziva se kvaternarna struktura proteina. Protein kvartarne strukture naziva se epimolekula ili multimer , i njegovi sastavni polipeptidni lanci - respektivno podjedinice ili protomeri . Karakteristično svojstvo proteina sa kvaternarnom strukturom je da jedna podjedinica nema biološku aktivnost.

Do stabilizacije kvartarne strukture proteina dolazi zbog polarnih interakcija između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka lokaliziranih na površini podjedinica. Takve interakcije čvrsto drže podjedinice u obliku organiziranog kompleksa. Mesta podjedinica na kojima dolazi do interakcije nazivaju se kontaktne površine.

Klasičan primjer proteina koji ima kvarternu strukturu je hemoglobin. Molekul hemoglobina sa molekulskom težinom od 68.000 Da sastoji se od četiri podjedinice dva različita tipa - α I β / α -Podjedinica se sastoji od 141 aminokiselinskog ostatka, a β - od 146. Tercijarna struktura α - I β -podjedinice su slične, kao i njihova molekularna težina (17.000 Da). Svaka podjedinica sadrži protetičku grupu - dragulj . Budući da je hem prisutan iu drugim proteinima (citohromi, mioglobin), koji će se dalje proučavati, hajde da bar ukratko prodiskutujemo strukturu teme (slika 6). Grupa hema je složeni komplanarni ciklični sistem koji se sastoji od centralnog atoma koji formira koordinacione veze sa četiri pirolna ostatka povezana metanskim mostovima (=CH-). U hemoglobinu, željezo je obično u oksidiranom stanju (2+).

Četiri podjedinice - dvije α i dva β - su kombinovane u jednu strukturu na način da α - podjedinice su u kontaktu samo sa β -podjedinice i obrnuto (slika 7).

Rice. 6. Struktura hema hemoglobina

Rice. 7. Šematski prikaz kvartarne strukture hemoglobina:
Fe - hem hemoglobina

Kao što se može vidjeti na slici 7, jedan molekul hemoglobina može nositi 4 molekula kisika. I vezivanje i oslobađanje kisika praćeni su konformacijskim promjenama u strukturi α - I β -podjedinice hemoglobina i njihov međusobni raspored u epimolekulu. Ova činjenica ukazuje da kvartarna struktura proteina nije apsolutno kruta.

Slične informacije.

Proteini su jedan od važnih organskih elemenata svake žive ćelije u telu. Obavljaju mnoge funkcije: potpornu, signalnu, enzimsku, transportnu, strukturnu, receptorsku, itd. Primarne, sekundarne, tercijarne i kvartarne strukture proteina postale su važne evolucijske adaptacije. Od čega su napravljeni ovi molekuli? Zašto je pravilna konformacija proteina u ćelijama tela toliko važna?

Strukturne komponente proteina

Monomeri bilo kojeg polipeptidnog lanca su aminokiseline (AA). Ova organska jedinjenja male molekularne težine su prilično česta u prirodi i mogu postojati kao nezavisni molekuli koji obavljaju svoje funkcije. Među njima su transport supstanci, prijem, inhibicija ili aktivacija enzima.

Ukupno postoji oko 200 biogenih aminokiselina, ali ih može biti samo 20. Lako su rastvorljive u vodi, kristalne strukture, a mnoge od njih su slatkog ukusa.

Sa hemijske tačke gledišta, AA su molekuli koji nužno sadrže dve funkcionalne grupe: -COOH i -NH2. Uz pomoć ovih grupa, aminokiseline formiraju lance, povezujući se međusobno peptidnom vezom.

Svaka od 20 proteinogenih aminokiselina ima svoj radikal, u zavisnosti od čega se razlikuju hemijska svojstva. Prema sastavu takvih radikala, svi AA su klasifikovani u nekoliko grupa.

1. Nepolarni: izoleucin, glicin, leucin, valin, prolin, alanin.
2. Polarni i nenabijeni: treonin, metionin, cistein, serin, glutamin, asparagin.
3. Aromatični: tirozin, fenilalanin, triptofan.
4. Polarni i negativno nabijeni: glutamat, aspartat.
5. Polarni i pozitivno nabijeni: arginin, histidin, lizin.

Bilo koji nivo organizacije proteinske strukture (primarni, sekundarni, tercijarni, kvaternarni) zasniva se na polipeptidnom lancu koji se sastoji od AA. Jedina razlika je kako se ovaj niz formira u svemiru i uz pomoć kojih hemijskih veza se takva konformacija održava.

Primarna struktura proteina

Bilo koji protein se formira na ribosomima - nemembranskim ćelijskim organelama koje su uključene u sintezu polipeptidnog lanca. Ovdje su aminokiseline povezane jedna s drugom pomoću jake peptidne veze, formirajući primarnu strukturu. Međutim, takva primarna struktura proteina se izrazito razlikuje od kvartarne, pa je potrebno dalje sazrijevanje molekula.

Proteini poput elastina, histona, glutationa, već sa tako jednostavnom strukturom, u stanju su obavljati svoje funkcije u tijelu. Za veliku većinu proteina, sljedeći korak je formiranje složenije sekundarne konformacije.

Sekundarna struktura proteina

Formiranje peptidnih veza je prvi korak u sazrevanju većine proteina. Da bi mogli obavljati svoje funkcije, njihova lokalna konformacija mora proći kroz određene promjene. To se postiže uz pomoć vodikovih veza – krhkih, ali u isto vrijeme brojnih veza između bazičnih i kiselih centara molekula aminokiselina.

Tako nastaje sekundarna struktura proteina, koja se od kvartarne razlikuje po jednostavnosti konfiguracije i lokalnoj konformaciji. Ovo posljednje znači da nije cijeli lanac podvrgnut transformaciji. Vodikove veze se mogu formirati na više mjesta na različitim međusobno udaljenim mjestima, a njihov oblik ovisi i o vrsti aminokiselina i načinu sklapanja.

Lizozim i pepsin su predstavnici proteina koji imaju sekundarnu strukturu. Pepsin je uključen u procese probave, a lizozim obavlja zaštitnu funkciju u tijelu, uništavajući stanične zidove bakterija.

Osobine sekundarne strukture

Lokalne konformacije peptidnog lanca mogu se razlikovati jedna od druge. Nekoliko desetina je već proučeno, a tri od njih su najčešća. Među njima su alfa spirala, beta slojevi i beta okret.

• Alfa heliks je jedna od najčešćih konformacija sekundarne strukture većine proteina. To je čvrsti štapni okvir sa hodom od 0,54 nm. Radikali aminokiselina su usmjereni prema van.

Desnoruke spirale su najčešće, a ponekad se mogu naći i levoruke. Funkciju oblikovanja obavljaju vodikove veze, koje stabiliziraju kovrče. Lanac koji formira alfa spiralu sadrži vrlo malo prolina i polarno nabijenih aminokiselina.

• Beta zavoj je izoliran u zasebnoj konformaciji, iako se to može nazvati dijelom beta lista. Suština je savijanje peptidnog lanca, koji je podržan vodoničnim vezama. Obično se samo mjesto savijanja sastoji od 4-5 aminokiselina, među kojima je prisustvo prolina obavezno. Ovaj AK je jedini koji ima krut i kratak kostur, koji vam omogućava da sami formirate okret.
• Beta sloj je lanac aminokiselina koji formira nekoliko nabora i stabilizira ih vodoničnim vezama. Ova konformacija je vrlo slična listu papira presavijenog u harmoniku. Najčešće, agresivni proteini imaju ovaj oblik, ali ima mnogo izuzetaka.

Postoje paralelni i antiparalelni beta slojevi. U prvom slučaju, C- i N- krajevi na zavojima i na krajevima lanca se poklapaju, ali u drugom slučaju ne.

Tercijarna struktura

Dalje pakovanje proteina dovodi do formiranja tercijarne strukture. Ova konformacija se stabilizuje uz pomoć vodikovih, disulfidnih, hidrofobnih i jonskih veza. Njihov veliki broj omogućava da se sekundarna struktura uvije u složeniji oblik i stabilizuje.

Razdvojeni su globularnim i globularnim peptidima.Molekul globularnih peptida je sferne strukture. Primjeri: albumin, globulin, histoni u tercijarnoj strukturi.

Formiraju se jaki pramenovi čija dužina prelazi njihovu širinu. Takvi proteini najčešće obavljaju strukturne i oblikovne funkcije. Primjeri su fibroin, keratin, kolagen, elastin.

Struktura proteina u kvaternarnoj strukturi molekula

Ako se više globula spoji u jedan kompleks, formira se takozvana kvartarna struktura. Ova konformacija nije karakteristična za sve peptide, a nastaje kada je to potrebno za obavljanje važnih i specifičnih funkcija.

Svaka globula u sastavu je zaseban domen ili protomer. Zajedno, molekule se nazivaju oligomeri.

Tipično, takav protein ima nekoliko stabilnih konformacija koje se stalno zamjenjuju, bilo ovisno o utjecaju nekih vanjskih faktora, bilo kada je potrebno obavljati različite funkcije.

Važna razlika između tercijarne i kvartarne strukture proteina su međumolekularne veze, koje su odgovorne za povezivanje nekoliko globula. U središtu cijele molekule često se nalazi ion metala, koji direktno utiče na stvaranje međumolekulskih veza.

Dodatne strukture proteina

Nije uvijek lanac aminokiselina dovoljan za obavljanje funkcije proteina. U većini slučajeva, druge tvari organske i neorganske prirode su vezane za takve molekule. Budući da je ova karakteristika karakteristična za veliku većinu enzima, sastav kompleksnih proteina obično se dijeli na tri dijela:

• Apoenzim je proteinski dio molekule, koji je sekvenca aminokiselina.
• Koenzim nije protein, već organski dio. Može uključivati ​​različite vrste lipida, ugljikohidrata ili čak nukleinskih kiselina. To uključuje predstavnike biološki aktivnih spojeva, među kojima su i vitamini.
• Kofaktor - neorganski dio, predstavljen u velikoj većini slučajeva metalnim ionima.

Struktura proteina u kvaternarnoj strukturi molekula zahteva učešće više molekula različitog porekla, pa mnogi enzimi imaju tri komponente odjednom. Primjer je fosfokinaza, enzim koji osigurava prijenos fosfatne grupe iz ATP molekula.

Gdje nastaje kvarterna struktura proteinskog molekula?

Polipeptidni lanac počinje da se sintetiše na ribosomima ćelije, ali dalje sazrijevanje proteina se dešava u drugim organelama. Novoformirani molekul mora ući u transportni sistem koji se sastoji od nuklearne membrane, ER, Golgijevog aparata i lizosoma.

Komplikacija prostorne strukture proteina nastaje u endoplazmatskom retikulumu, gdje se ne formiraju samo različite vrste veza (vodikove, disulfidne, hidrofobne, intermolekularne, jonske), već se dodaju i koenzim i kofaktor. Tako se formira kvartarna struktura proteina.

Kada je molekul potpuno spreman za rad, ulazi ili u citoplazmu ćelije ili u Golgijev aparat. U potonjem slučaju, ovi peptidi se pakuju u lizozome i transportuju u druge odjeljke ćelije.

Primjeri oligomernih proteina

Kvaternarna struktura je struktura proteina koja je dizajnirana da doprinese obavljanju vitalnih funkcija u živom organizmu. Složena konformacija organskih molekula omogućava, prije svega, utjecaj na rad mnogih metaboličkih procesa (enzima).

Biološki važni proteini su hemoglobin, hlorofil i hemocijanin. Porfirinski prsten je osnova ovih molekula, u čijem je središtu metalni jon.

Hemoglobin

Kvaternarna struktura proteinske molekule hemoglobina sastoji se od 4 globule povezane intermolekularnim vezama. U sredini je porfin sa jonom željeza. Protein se transportuje u citoplazmi eritrocita, gdje zauzimaju oko 80% ukupnog volumena citoplazme.

Osnova molekule je hem, koji je više anorganske prirode i obojen je crvenom bojom. To je također razgradnja hemoglobina u jetri.

Svi znamo da hemoglobin obavlja važnu transportnu funkciju – prijenos kisika i ugljičnog dioksida kroz ljudsko tijelo. Kompleksna konformacija proteinske molekule formira posebne aktivne centre, koji su sposobni da vežu odgovarajuće gasove za hemoglobin.

Kada se formira protein-gasni kompleks, formiraju se takozvani oksihemoglobin i karbohemoglobin. Međutim, postoji još jedna vrsta takvih asocijacija koja je prilično stabilna: karboksihemoglobin. To je kompleks proteina i ugljičnog monoksida, čija stabilnost objašnjava napade gušenja s prekomjernom toksičnošću.

Hlorofil

Još jedan predstavnik proteina sa kvaternarnom strukturom, čije su domenske veze već podržane jonom magnezijuma. Glavna funkcija cijele molekule je sudjelovanje u procesima fotosinteze u biljkama.

Postoje različite vrste hlorofila koji se međusobno razlikuju po radikalima porfirinskog prstena. Svaka od ovih sorti je označena posebnim slovom latinice. Na primjer, kopnene biljke karakterizira prisustvo hlorofila a ili hlorofila b, dok alge imaju i druge vrste ovog proteina.

Hemocijanin

Ovaj molekul je analog hemoglobina kod mnogih nižih životinja (zglavkari, mekušci, itd.). Glavna razlika u strukturi proteina sa kvaternarnom molekularnom strukturom je prisustvo jona cinka umesto jona gvožđa. Hemocijanin ima plavkastu boju.

Ponekad se ljudi pitaju šta bi se dogodilo da ljudski hemoglobin zamijenimo hemocijaninom. U tom slučaju je poremećen uobičajeni sadržaj tvari u krvi, a posebno aminokiselina. Također, hemocijanin je nestabilan da formira kompleks sa ugljičnim dioksidom, pa bi "plava krv" imala tendenciju stvaranja krvnih ugrušaka.