Structura cilindrică a proteinei. Organizarea structurală a proteinelor

S-a dovedit existența a 4 niveluri de organizare structurală a unei molecule proteice.

Structura primară a proteinei– secvența de aranjare a resturilor de aminoacizi în lanțul polipeptidic. În proteine, aminoacizii individuali sunt legați unul de celălalt legături peptidice, care rezultă din interacțiunea grupărilor a-carboxil și a-amino ale aminoacizilor.

Până în prezent, structura primară a zeci de mii de proteine ​​diferite a fost descifrată. Pentru a determina structura primară a unei proteine, compoziția de aminoacizi este determinată folosind metode de hidroliză. Apoi se determină natura chimică a aminoacizilor terminali. Următorul pas este determinarea secvenței de aminoacizi din lanțul polipeptidic. În acest scop, se utilizează hidroliza parțială selectivă (chimică și enzimatică). Este posibil să se utilizeze analiza de difracție cu raze X, precum și date despre secvența de nucleotide complementară a ADN-ului.

Structura secundară veveriţă– configurația lanțului polipeptidic, adică o metodă de împachetare a unui lanț polipeptidic într-o conformație specifică. Acest proces nu decurge haotic, ci în conformitate cu programul încorporat în structura primară.

Stabilitatea structurii secundare este asigurată în principal de legăturile de hidrogen, dar o anumită contribuție o au legăturile covalente - peptidă și disulfură.

Este considerat cel mai probabil tip de structură a proteinelor globulare a-helix. Răsucirea lanțului polipeptidic are loc în sensul acelor de ceasornic. Fiecare proteină se caracterizează printr-un anumit grad de elicoidalizare. Dacă lanțurile de hemoglobină sunt spiralate cu 75%, atunci pepsina este de doar 30%.

Se numește tipul de configurație a lanțurilor polipeptidice găsite în proteinele părului, mătăsii și mușchilor b-structuri. Segmentele lanțului peptidic sunt aranjate într-un singur strat, formând o figură asemănătoare unei foi pliate într-un acordeon. Stratul poate fi format din două sau mai multe lanțuri peptidice.

În natură, există proteine ​​a căror structură nu corespunde nici structurii β sau a, de exemplu, colagenul este o proteină fibrilă care alcătuiește cea mai mare parte a țesutului conjunctiv din corpul uman și animal.

Structura terțiară a proteinelor– orientarea spațială a helixului polipeptidic sau modul în care lanțul polipeptidic este așezat într-un anumit volum. Prima proteină a cărei structură terțiară a fost elucidată prin analiza de difracție cu raze X a fost mioglobina de cașlot (Fig. 2).

În stabilizarea structurii spațiale a proteinelor, în plus față de legături covalente, rolul principal îl au legăturile necovalente (hidrogen, interacțiuni electrostatice ale grupărilor încărcate, forțe intermoleculare van der Waals, interacțiuni hidrofobe etc.).

De idei moderne, structura terțiară a unei proteine ​​se formează spontan după terminarea sintezei acesteia. De bază forță motrice este interacțiunea radicalilor de aminoacizi cu moleculele de apă. În acest caz, radicalii de aminoacizi hidrofobi nepolari sunt scufundați în interiorul moleculei de proteine, iar radicalii polari sunt orientați spre apă. Procesul de formare a structurii spațiale native a unui lanț polipeptidic este numit pliere. Proteine ​​numite însoţitori. Ei participă la pliere. Au fost descrise o serie de boli ereditare umane, a căror dezvoltare este asociată cu tulburări datorate mutațiilor în procesul de pliere (pigmentoză, fibroză etc.).

Prin metodele de analiză prin difracție de raze X s-a dovedit existența unor niveluri de organizare structurală a moleculei proteice, intermediare între structurile secundare și terțiare. Domeniu este o unitate structurală globulară compactă în cadrul unui lanț polipeptidic (Fig. 3). Au fost descoperite multe proteine ​​(de exemplu, imunoglobuline), constând din domenii de structură și funcții diferite, codificate de gene diferite.

Toate proprietăți biologice proteinele sunt asociate cu păstrarea structurii lor terțiare, care se numește nativ. Globulul proteic nu este o structură absolut rigidă: sunt posibile mișcări reversibile ale unor părți ale lanțului peptidic. Aceste modificări nu perturbă conformația generală a moleculei. Conformația unei molecule de proteine ​​este influențată de pH-ul mediului, puterea ionică a soluției și interacțiunea cu alte substanțe. Orice influență care duce la perturbarea conformației native a moleculei este însoțită de pierderea parțială sau completă a proprietăților biologice ale proteinei.

Structura proteinelor cuaternare- o metodă de așezare în spațiu a lanțurilor polipeptidice individuale care au aceeași structură primară, secundară sau terțiară aceeași sau diferită și formarea unei formațiuni macromoleculare unificate structural și funcțional.

Se numește o moleculă de proteină constând din mai multe lanțuri polipeptidice oligomerși fiecare lanț inclus în el - protomer. Proteinele oligomerice sunt adesea construite dintr-un număr par de protomeri, de exemplu, molecula de hemoglobină este formată din două lanțuri a- și două b-polipeptide (Fig. 4).

Aproximativ 5% dintre proteine ​​au o structură cuaternară, incluzând hemoglobina și imunoglobulinele. Structura subunității este caracteristică multor enzime.

Moleculele proteice care alcătuiesc o proteină cu structură cuaternară se formează separat pe ribozomi și numai după terminarea sintezei formează o structură supramoleculară comună. O proteină dobândește activitate biologică numai atunci când protomerii ei constituenți sunt combinați. La stabilizarea structurii cuaternare participă aceleași tipuri de interacțiuni ca și la stabilizarea structurii terțiare.

Unii cercetători recunosc existența unui al cincilea nivel de organizare structurală a proteinelor. Acest metabolii - complexe macromoleculare polifuncționale ale diferitelor enzime care catalizează întreaga cale de transformări a substratului (sintetaze superioare acizi grași, complex de piruvat dehidrogenază, lanț respirator).

Structura secundară este modul în care un lanț polipeptidic este aranjat într-o structură ordonată. Structura secundară este determinată de structura primară. Deoarece structura primară este determinată genetic, formarea unei structuri secundare poate avea loc atunci când lanțul polipeptidic părăsește ribozomul. Structura secundară este stabilizată legături de hidrogen, care se formează între grupările NH și CO ale legăturilor peptidice.

Distinge a-helix, b-structurăși conformația dezordonată (ghem).

Structura α-helices a fost propus PaulingŞi Corey(1951). Acesta este un tip de structură secundară a proteinei care arată ca o spirală obișnuită (Fig. 2.2). Un α-helix este o structură în formă de tijă în care legăturile peptidice sunt localizate în interiorul helixului, iar radicalii de aminoacizi ai lanțului lateral sunt localizați în exterior. A-helixul este stabilizat de legături de hidrogen, care sunt paralele cu axa helixului și apar între primul și al cincilea rest de aminoacizi. Astfel, în regiunile elicoidale extinse, fiecare reziduu de aminoacid ia parte la formarea a două legături de hidrogen.

Orez. 2.2. Structura α-helixului.

Există 3,6 resturi de aminoacizi pe tură a helixului, pasul helixului este de 0,54 nm și există 0,15 nm per reziduu de aminoacizi. Unghiul helixului este de 26°. Perioada de regularitate a unui a-helix este de 5 ture sau 18 reziduuri de aminoacizi. Cele mai obișnuite sunt a-helices dreptaci, adică. Spirala se răsucește în sensul acelor de ceasornic. Formarea unui a-helix este împiedicată de prolină, aminoacizi cu radicali încărcați și voluminosi (obstacole electrostatice și mecanice).

O altă formă de spirală este prezentă în colagen . În corpul mamiferelor, colagenul este proteina predominantă cantitativ: reprezintă 25% din proteina totală. Colagenul este prezent în diverse forme, în principal în țesutul conjunctiv. Este un helix stânga cu un pas de 0,96 nm și 3,3 reziduuri pe tură, mai plat decât α-helix. Spre deosebire de α-helix, formarea punților de hidrogen este imposibilă aici. Colagenul are o compoziție neobișnuită de aminoacizi: 1/3 este glicină, aproximativ 10% prolină, precum și hidroxiprolină și hidroxilizină. Ultimii doi aminoacizi se formează după biosinteza colagenului prin modificare post-translațională. În structura colagenului, tripletul gli-X-Y se repetă în mod constant, poziția X adesea ocupată de prolină, iar poziția Y de hidroxilizină. Există dovezi bune că colagenul este prezent omniprezent ca o triplă helix dreaptă răsucită din trei elice primare stânga. Într-o triplă helix, fiecare al treilea reziduu ajunge în centru, unde, din motive sterice, se potrivește doar glicina. Întreaga moleculă de colagen are aproximativ 300 nm lungime.

b-Structură(strat îndoit în b). Se găsește în proteinele globulare, precum și în unele proteine ​​fibrilare, de exemplu, fibroina de mătase (Fig. 2.3).

Orez. 2.3. b-Structură

Structura are formă plată. Lanțurile polipeptidice sunt aproape complet alungite, mai degrabă decât răsucite strâns, ca într-o helix a. Planurile legăturilor peptidice sunt situate în spațiu ca niște pliuri uniforme ale unei foi de hârtie. Este stabilizat de legăturile de hidrogen dintre grupările CO și NH ale legăturilor peptidice ale lanțurilor polipeptidice adiacente. Dacă lanțurile polipeptidice care formează structura b merg în aceeași direcție (adică terminalele C și N coincid) - b-structură paralelă; daca dimpotriva - structură b antiparalelă. Radicalii laterali ai unui strat sunt plasați între radicalii laterali ai altui strat. Dacă un lanț polipeptidic se îndoaie și rulează paralel cu el însuși, atunci asta structură b-cross antiparalelă. Legăturile de hidrogen din structura b-cross se formează între grupările peptidice ale buclelor lanțului polipeptidic.

Conținutul de elice a din proteinele studiate până în prezent este extrem de variabil. În unele proteine, de exemplu, mioglobina și hemoglobina, a-helix-ul stă la baza structurii și reprezintă 75%, în lizozimă - 42%, în pepsină doar 30%. Alte proteine, de exemplu, enzima digestivă chimotripsina, sunt practic lipsite de o structură a-helicoială și o parte semnificativă a lanțului polipeptidic se potrivește în structurile b stratificate. Proteinele tisulare care susțin colagenul (proteina tendonului și a pielii), fibroina (proteina naturală a mătasei) au o configurație B a lanțurilor polipeptidice.

S-a dovedit că formarea de elice α este facilitată de structurile glu, ala, leu și β de met, val, ile; în locurile în care lanțul polipeptidic se îndoaie - gly, pro, asn. Se crede că șase reziduuri grupate, dintre care patru contribuie la formarea helixului, pot fi considerate ca centru de helicalizare. Din acest centru are loc o creștere a elicelor în ambele direcții către o secțiune - o tetrapeptidă, constând din reziduuri care împiedică formarea acestor elice. În timpul formării structurii β, rolul primerilor este îndeplinit de trei din cinci resturi de aminoacizi care contribuie la formarea structurii β.

În majoritatea proteinelor structurale, predomină una dintre structurile secundare, care este determinată de compoziția lor de aminoacizi. O proteină structurală construită în principal sub formă de α-helix este α-keratina. Părul de animale (blană), penele, penele, ghearele și copitele sunt compuse în principal din cheratina. Ca componentă a filamentelor intermediare, keratina (citocheratina) este o componentă esențială a citoscheletului. În cheratine cele mai multe Lanțul peptidic este pliat într-un α-helix drept. Două lanțuri peptidice formează o singură stângă super spirală. Dimerii de keratina supraînrolați se combină în tetrameri, care se adună pentru a forma protofibrile cu diametrul de 3 nm. În cele din urmă, se formează opt protofibrile microfibrile cu diametrul de 10 nm.

Părul este construit din aceleași fibrile. Astfel, într-o singură fibră de lână cu diametrul de 20 de microni se împletesc milioane de fibrile. Lanțurile individuale de keratină sunt reticulate prin numeroase legături disulfurice, ceea ce le conferă rezistență suplimentară. În timpul permului au loc următoarele procese: în primul rând, punțile disulfurice sunt distruse prin reducerea cu tioli, iar apoi, pentru a da părului forma necesară, se usucă prin încălzire. În același timp, datorită oxidării de către oxigenul aerului, se formează noi punți disulfurice, care păstrează forma coafurii.

Mătasea este obținută din coconii omizilor de viermi de mătase ( Bombyx mori) și specii înrudite. Principala proteină a mătăsii, fibroină, are structura unui strat pliat antiparalel, iar straturile în sine sunt situate paralel între ele, formând numeroase straturi. Deoarece în structurile pliate lanțurile laterale ale reziduurilor de aminoacizi sunt orientate vertical în sus și în jos, în spațiile dintre straturile individuale pot încadra doar grupuri compacte. De fapt, fibroina constă din 80% glicină, alanină și serină, adică. trei aminoacizi caracterizați prin dimensiuni minime ale catenelor laterale. Molecula de fibroină conține un fragment tipic care se repetă (gli-ala-gli-ala-gli-ser)n.

Conformație dezordonată. Regiunile unei molecule de proteine ​​care nu aparțin structurilor elicoidale sau pliate se numesc dezordonate.

Structura suprasecundară. Regiunile structurale alfa elicoidale și beta din proteine ​​pot interacționa între ele și unele cu altele, formând ansambluri. Structurile supra-secundare găsite în proteinele native sunt cele mai preferate din punct de vedere energetic. Acestea includ un α-helix supraînrulat, în care două elice α sunt răsucite unul față de celălalt, formând o superhelix stânga (bacteriorhodopsin, hemerithrin); alternarea fragmentelor α-helical și β-structurale ale lanțului polipeptidic (de exemplu, legătura βαβαβ a lui Rossmann, găsită în regiunea de legare a NAD+ a moleculelor de enzimă dehidrogenază); structura β antiparalelă cu trei catene (βββ) se numește β-zigzag și se găsește într-un număr de enzime microbiene, protozoare și vertebrate.

Lanțurile peptidice ale proteinelor sunt organizate într-o structură secundară stabilizată de legături de hidrogen. Atomul de oxigen al fiecărei grupări peptidice formează o legătură de hidrogen cu gruparea NH corespunzătoare legăturii peptidice. În acest caz, se formează următoarele structuri: a-helix, structură și p-bend.

a-Spirala. Una dintre structurile cele mai favorabile termodinamic este α-helix-ul din dreapta. În fig. Figura 3.1 prezintă un a-helix, reprezentând o structură stabilă în care fiecare grupare carbonil formează o legătură de hidrogen cu a patra grupare NH de-a lungul lanțului. Într-un a-helix, există 3,6 reziduuri de aminoacizi pe tură, pasul helixului este de aproximativ 0,54 nm, iar distanța dintre reziduuri este de 0,15 nm. În secțiunile elicoidale a, unghiurile de torsiune φ și y sunt egale cu 60 și 45 e și unitățile polipeptidice situate succesiv sunt orientate reciproc.

L-aminoacizii pot forma doar elice α drepte, cu radicalii laterali localizați pe ambele părți ale axei și orientați spre exterior. În a-helix, posibilitatea de a forma legături de hidrogen este utilizată pe deplin, prin urmare, spre deosebire de structura p, nu este capabilă să formeze legături de hidrogen cu alte elemente ale structurii secundare. Când se formează o hélice α, lanțurile laterale de aminoacizi se pot apropia mai aproape unul de altul, formând locuri compacte hidrofobe sau hidrofile. Aceste situsuri joacă un rol semnificativ în formarea conformației tridimensionale a macromoleculei proteinei, deoarece sunt utilizate pentru împachetarea elicelor α în structura spațială a proteinei.

Orez. 3.1. a-helix al proteinei apolipoprotsin C-1 (dar pentru V. M. Stepanov): O- suprafata hidrofila: b- suprafața hidrofobă a proteinei a-helix

Minge în spirală. Conținutul de elice α din proteine ​​nu este același și este o caracteristică individuală a fiecărei macromolecule proteice. Unele proteine, cum ar fi mioglobina, au o α-helix ca bază a structurii lor, altele, cum ar fi chimotripsina, nu au regiuni α-helice; În medie, proteinele globulare au un grad de elicoidalizare de ordinul 60-70%. Secțiunile spiralate alternează cu bobine haotice și, ca urmare a denaturarii, tranzițiile helix-coil cresc. Helicalizarea unui lanț polipeptidic depinde de resturile de aminoacizi care o formează. Astfel, grupările de acid glutamic încărcate negativ situate în imediata apropiere unele de altele experimentează o repulsie reciprocă puternică, care împiedică formarea legăturilor de hidrogen corespunzătoare în α-helix. Din același motiv, helicoidalizarea lanțului este împiedicată din cauza respingerii grupurilor chimice de lizină sau arginină încărcate pozitiv aflate în apropiere. Dimensiunea mare a radicalilor de aminoacizi este si motivul pentru care helicoidalizarea lantului polipeptidic este dificila (serina, treonina, leucina). Cel mai frecvent factor de interferență în formarea unui α-helix este aminoacidul prolina. După cum se știe, în prolină atomul de azot face parte dintr-un inel rigid, care împiedică rotația în jur Conexiuni N-C O. În plus, prolina nu formează o legătură de hidrogen în interiorul lanțului din cauza absenței unui atom de hidrogen la atomul de azot. Astfel, în toate cazurile în care prolina se găsește într-un lanț polipeptidic, structura α-helidiană este perturbată și se formează o bobină sau o îndoire β.

R-Structură. Spre deosebire de a-helix, structura p se formează datorită legăturilor de hidrogen între lanțuri zonele învecinate lanț polipeptidic, deoarece nu există contacte intralanț. Dacă aceste secțiuni sunt direcționate într-o direcție, atunci o astfel de structură se numește paralelă (av = -119°, c/ = +113°) (Fig. 3.2), dar dacă în direcția opusă (y = +135°), apoi anti-paralel (Fig. .3.3).

Orez. 3.2. Structura p paralelă a flavokeinei (conform lui V. M. Stepanov): linia punctată arată legături de hidrogen

Orez. 3.3.

Lanțul polipeptidic din structura p este foarte alungit și nu are o formă elicoidală, ci mai degrabă o formă în zig-zag. Distanța dintre resturile de aminoacizi adiacente de-a lungul axei este de 0,35 nm, adică de trei ori mai mare decât într-o helix a, numărul de reziduuri pe tură este 2.

În cazul unui aranjament paralel al structurii p, legăturile de hidrogen sunt mai puțin puternice în comparație cu cele din cazul unui aranjament antiparalel al resturilor de aminoacizi. Spre deosebire de α-helix, care este saturat cu legături de hidrogen, fiecare secțiune a lanțului polipeptidic din structura p este deschisă la formarea de legături de hidrogen suplimentare. Cele de mai sus se aplică atât structurilor p paralele, cât și antiparalele, dar în structura antiparalelă legăturile sunt mai stabile. Segmentul lanțului polipeptidic care formează structura p conține de la trei până la șapte resturi de aminoacizi, iar structura p în sine este formată din 2-6 lanțuri, deși numărul acestora poate fi mai mare. Structura p are o formă pliată, în funcție de atomii de carbon a corespunzători. Suprafața sa poate fi plană și stângaci, astfel încât unghiul dintre secțiunile individuale ale lanțului să fie de 20-25° (Fig. 3.4).

Orez. 3.4.

Orez. 3.5.

r-Bend. Proteinele globulare au o formă sferică, în mare parte datorită faptului că lanțul polipeptidic este caracterizat prin prezența buclelor, zigzagurilor și agrafelor de păr, iar direcția lanțului se poate schimba chiar și cu 180°. În acest din urmă caz, apare o îndoire p (Fig. 3.5).

Această îndoire are forma unui ac de păr și este stabilizată de o singură legătură de hidrogen. Factorul care împiedică formarea acestuia poate fi radicalii laterali mari și, prin urmare, includerea celui mai mic reziduu de aminoacizi, glicina, este destul de des observată. Această configurație apare întotdeauna pe suprafața globului proteic și, prin urmare, p-bend participă la interacțiunea cu alte lanțuri polipeptidice.

Structuri suprasecundare. Structurile supersecundare ale proteinelor au fost mai întâi postulate și apoi descoperite de L. Pauling și R. Corey. Un exemplu este un a-helix supraînrulat, în care două elice a sunt răsucite într-o superhelix stânga (Fig. 3.6). Cu toate acestea, mai des, structurile superhelical includ atât elice α, cât și foi pliate β. Compoziția lor poate fi reprezentată astfel: (cm), (ar), (ra) și (РХР). Ultima opțiune constă din două foi pliate paralele, între care există o bobină statistică (pCp), o α-helix (paP) sau o structură p (PPP).

Relația dintre structurile secundare și supersecundare are un grad ridicat de variabilitate și depinde de caracteristicile individuale ale unei anumite macromolecule de proteine.

Domenii - niveluri mai complexe de organizare a structurii secundare. Sunt secțiuni globulare separate, conectate între ele prin așa-numitele secțiuni de balama scurte ale lanțului polipeptidic. D. Birktoft a fost unul dintre primii care au descris organizarea domeniului chimotripsinei, remarcând prezența a două domenii în această proteină. Fiecare dintre ele are o formă cilindrică formată dintr-o structură p și este formată din 6 lanțuri antiparalele. Unul dintre aceste domenii include 139 de aminoacizi de la capătul Y-terminal, celălalt, cel C-terminal, include 115 resturi de aminoacizi.

Orez. 3.6.

cilindrii indică elice a; zone întunecate - zone nespiralizate; săgeți - straturi p-pliate

Organizarea domeniului este caracteristică multor proteine. Aceste proteine ​​conțin de obicei mai multe domenii structurale, fiecare dintre ele conține până la 200 de resturi de aminoacizi. Un exemplu în acest sens este proteina gliceraldehidă fosfat dehidrogenază (GAPDH) (Fig. 3.7).

În unele proteine, de exemplu în imunoglobuline sau serin protsinaze, domeniile structurale sunt similare în structura lor primară, ceea ce indică un posibil mecanism de duplicare a genelor corespunzătoare în alte proteine, de exemplu în hemoglobină, există anumite diferențe;

Orez. 3.8. Domeniile hemoglobinei umane: cilindri - elice u; firele care le unesc sunt secțiuni amorfe (conform PDB-2001) (Yang, J., Kloek, A. R., Goldberg, D. E., Mathews, F. S.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92. p. 4224, 1995)

Orez. 3.7. Domeniile GAPDH din mușchii homarului (după A. A. Anisimov): A - domeniul de legare NAD”; 6 - domeniul catalitic

(Fig. 3.8). Pe baza structurii lor, domeniile din proteine ​​sunt împărțite în mai multe grupuri, în funcție de conținutul de elice α și foi cu pliuri β.

Astfel, se pot observa următoarele.

• Legăturile de hidrogen sunt destul de labile în sine, iar vulnerabilitatea lor crește odată cu formarea unei structuri secundare, deoarece grupările carboxil și amine pot interacționa nu numai între ele, ci și cu apa. S-a dovedit că structura secundară este suficient de stabilă numai atunci când se formează un globule proteic compact.
• Formarea structurii secundare este determinată de secvența reziduurilor de aminoacizi din lanțul polipeptidic. Radicalii laterali, interacționând între ei, induc formarea unei structuri spațiale, conformația sa cea mai stabilă. Mai mult, s-a dovedit a fi posibil să se prezică cel mai precis tip de structură secundară pentru α-helix în comparație cu foile β-pliate.

§ 8. ORGANIZAREA SPAȚIALĂ A UNEI MOLECULE DE PROTEINĂ

Structura primară

Structura primară a unei proteine ​​este înțeleasă ca numărul și ordinea de alternanță a resturilor de aminoacizi conectate între ele prin legături peptidice dintr-un lanț polipeptidic.

Lanțul polipeptidic la un capăt conține o grupare NH2 liberă care nu este implicată în formarea unei legături peptidice este desemnată această secțiune; N-terminal. Pe partea opusă există un grup NOOS liber, care nu este implicat în formarea unei legături peptidice, aceasta este - Capătul C. Capătul N este considerat începutul lanțului și de aici începe numerotarea resturilor de aminoacizi:

Secvența de aminoacizi a insulinei a fost determinată de F. Sanger (Universitatea Cambridge). Această proteină constă din două lanțuri polipeptidice. Un lanț este format din 21 de resturi de aminoacizi, celălalt lanț din 30. Lanțurile sunt legate prin două punți disulfurice (Fig. 6).

Orez. 6. Structura primară a insulinei umane

A fost nevoie de 10 ani pentru a descifra această structură (1944 – 1954). În prezent, structura primară a fost determinată pentru multe proteine, procesul de determinare a acesteia este automat și nu reprezintă o problemă serioasă pentru cercetători;

Informațiile despre structura primară a fiecărei proteine ​​sunt codificate într-o genă (o secțiune a unei molecule de ADN) și sunt realizate în timpul transcripției (copierea informațiilor pe ARNm) și translației (sinteza unui lanț polipeptidic). În acest sens, este posibil să se stabilească structura primară a unei proteine ​​și din structura cunoscută a genei corespunzătoare.

Pe baza structurii primare a proteinelor omoloage, se poate judeca relația taxonomică a speciilor. Proteinele omoloage sunt acele proteine ​​care diferite tipuriîndeplinesc aceleași funcții. Astfel de proteine ​​au secvențe de aminoacizi similare. De exemplu, proteina citocromului C la majoritatea speciilor are o greutate moleculară relativă de aproximativ 12.500 și conține aproximativ 100 de resturi de aminoacizi. Diferențele în structura primară a citocromului C dintre cele două specii sunt proporționale cu diferența filogenetică dintre speciile date. Astfel, citocromii C de cal și drojdie diferă în 48 de reziduuri de aminoacizi, pui și rață - în două, în timp ce citocromii pui și curcan sunt identice.

Structura secundară

Structura secundară a unei proteine ​​se formează datorită formării legăturilor de hidrogen între grupările peptidice. Există două tipuri de structuri secundare: α-helix și β-structură (sau strat pliat). Proteinele pot conține, de asemenea, regiuni ale lanțului polipeptidic care nu formează o structură secundară.

Helixul α are forma unui arc. Când se formează o hélice α, atomul de oxigen al fiecărei grupări peptidice formează o legătură de hidrogen cu atomul de hidrogen al celei de-a patra grupări NH de-a lungul lanțului:

Fiecare tură a helixului este conectată la următoarea tură a helixului prin mai multe legături de hidrogen, ceea ce conferă structurii o rezistență semnificativă. Helixul α are următoarele caracteristici: diametrul helixului este de 0,5 nm, pasul helixului este de 0,54 nm, există 3,6 reziduuri de aminoacizi pe tură a helixului (Fig. 7).

Orez. 7. Modelul a-helixului, reflectând caracteristicile sale cantitative

Radicalii laterali ai aminoacizilor sunt îndreptați spre exterior din α-helix (Fig. 8).

Orez. 8. Modelul unei -helix care reflectă aranjarea spațială a radicalilor laterali

Ambele elice pentru dreapta și stânga pot fi construite din L-aminoacizi naturali. Majoritatea proteinelor naturale sunt caracterizate de o spirală dreaptă. D-aminoacizii pot fi utilizați, de asemenea, pentru a construi o spirală pentru stânga sau pentru dreapta. Un lanț polipeptidic format din amestecuri D-şi Resturile de L-aminoacizi nu sunt capabile să formeze o spirală.

Unele reziduuri de aminoacizi previn formarea unui α-helix. De exemplu, dacă mai multe resturi de aminoacizi încărcate pozitiv sau negativ sunt situate într-un rând într-un lanț, o astfel de regiune nu va lua o structură α-helidiană din cauza respingerii reciproce a radicalilor cu încărcare similară. Formarea -helicelor este împiedicată de radicalii de reziduuri de aminoacizi având dimensiuni mari. Un obstacol în calea formării unui α-helix este, de asemenea, prezența reziduurilor de prolină în lanțul polipeptidic (Fig. 9). Reziduul de prolină de la atomul de azot care formează o legătură peptidică cu un alt aminoacid nu are un atom de hidrogen.

Orez. 9. Reziduul de prolină previne formarea unui -helix

Prin urmare, restul de prolină care face parte din lanțul polipeptidic nu este capabil să formeze o legătură de hidrogen în interiorul lanțului. În plus, atomul de azot din prolină face parte dintr-un inel rigid, ceea ce face imposibilă rotirea în jurul legăturii N-C și formarea unei spirale.

Pe lângă α-helix, au fost descrise și alte tipuri de elice. Cu toate acestea, sunt rare, în principal în zone scurte.

Formarea legăturilor de hidrogen între grupurile peptidice ale fragmentelor polipeptidice învecinate ale lanțurilor duce la formarea β-structură sau strat pliat:

Spre deosebire de α-helix, stratul pliat are o formă de zig-zag, asemănătoare unui acordeon (Fig. 10).

Orez. 10. Structura β-proteinei

Există straturi pliate paralele și antiparalele. Între secțiunile lanțului polipeptidic se formează structuri β paralele ale căror direcții coincid:

Structurile β antiparalele se formează între secțiunile direcționate opus ale lanțului polipeptidic:

Structurile β se pot forma între mai mult de două lanțuri polipeptidice:

În unele proteine, structura secundară poate fi reprezentată doar printr-un α-helix, în altele - doar prin β-structuri (paralele sau antiparalele, sau ambele), în altele, împreună cu regiunile α-helical, structurile β pot, de asemenea, fi prezent.

Structura terțiară

În multe proteine, structurile organizate secundare (α-helice, -structuri) sunt pliate într-un anumit fel într-un glob compact. Organizarea spațială a proteinelor globulare se numește structură terțiară. Astfel, structura terțiară caracterizează aranjarea tridimensională a secțiunilor lanțului polipeptidic în spațiu. Legăturile ionice și de hidrogen, interacțiunile hidrofobe și forțele van der Waals participă la formarea structurii terțiare. Punțile disulfură stabilizează structura terțiară.

Structura terțiară a proteinelor este determinată de secvența lor de aminoacizi. În timpul formării sale, pot apărea legături între aminoacizii aflați la o distanță considerabilă în lanțul polipeptidic. În proteinele solubile, radicalii polari de aminoacizi, de regulă, apar pe suprafața moleculelor de proteine ​​și, mai rar, în interiorul moleculei, radicalii hidrofobi apar compact în interiorul globului, formând regiuni hidrofobe;

În prezent, structura terțiară a multor proteine ​​a fost stabilită. Să ne uităm la două exemple.

Mioglobina

Mioglobina este o proteină care leagă oxigenul cu o masă relativă de 16700. Funcția sa este de a stoca oxigenul în mușchi. Molecula sa conține un lanț polipeptidic, format din 153 de resturi de aminoacizi și un hemogrup, care joacă un rol important în legarea oxigenului.

Organizarea spațială a mioglobinei a fost stabilită datorită muncii lui John Kendrew și a colegilor săi (Fig. 11). Molecula acestei proteine ​​conține 8 regiuni elicoidale α, reprezentând 80% din toate reziduurile de aminoacizi. Molecula de mioglobină este foarte compactă, doar patru molecule de apă pot încăpea în ea, aproape toți radicalii polari de aminoacizi sunt localizați pe suprafața exterioară a moleculei, majoritatea radicalilor hidrofobi sunt localizați în interiorul moleculei, iar în apropierea suprafeței există hem , o grupare non-proteică responsabilă pentru legarea oxigenului.

Fig. 11. Structura terțiară a mioglobinei

Ribonucleaza

Ribonucleaza este o proteină globulară. Este secretată de celulele pancreatice; este o enzimă care catalizează descompunerea ARN-ului. Spre deosebire de mioglobină, molecula de ribonuclează are foarte puține regiuni elicoidale α și destul de număr mare segmente în conformaţia β. Rezistența structurii terțiare a proteinei este dată de 4 legături disulfurice.

Structura cuaternară

Multe proteine ​​constau din mai multe, două sau mai multe subunități sau molecule proteice, cu structuri secundare și terțiare specifice, ținute împreună prin hidrogen și legături ionice, interacțiuni hidrofobe și forțe van der Waals. Această organizare a moleculelor proteice se numește structura cuaternară, iar proteinele în sine sunt numite oligomerică. O subunitate separată sau molecula proteica, ca parte a unei proteine ​​oligomere se numește protomer.

Numărul de protomeri din proteinele oligomerice poate varia foarte mult. De exemplu, creatinkinaza este formată din 2 protomeri, hemoglobina - din 4 protomeri, E. coli ARN polimeraza - enzima responsabilă de sinteza ARN - din 5 protomeri, complexul piruvat dehidrogenază - din 72 protomeri. Dacă o proteină constă din doi protomeri, se numește dimer, patru - un tetramer, șase - un hexamer (Fig. 12). Mai des, o moleculă de proteină oligomerică conține 2 sau 4 protomeri. O proteină oligomerică poate conține protomeri identici sau diferiți. Dacă o proteină conține doi protomeri identici, atunci este - homodimer, dacă este diferit - heterodimer.

Orez. 12. Proteine ​​oligomerice

Să luăm în considerare organizarea moleculei de hemoglobină. Funcția principală a hemoglobinei este de a transporta oxigenul de la plămâni la țesuturi și dioxid de carbonîn sens invers. Molecula sa (Fig. 13) constă din patru lanțuri polipeptidice din două diverse tipuri– două lanțuri α și două lanțuri β și hem. Hemoglobina este o proteină legată de mioglobina. Structurile secundare și terțiare ale mioglobinei și protomerilor hemoglobinei sunt foarte asemănătoare. Fiecare protomer de hemoglobină conține, ca și mioglobina, 8 secțiuni elicoidale α ale lanțului polipeptidic. Trebuie remarcat faptul că în structurile primare ale mioglobinei și protomerului hemoglobinei, doar 24 de resturi de aminoacizi sunt identice. În consecință, proteinele care diferă semnificativ în structura primară pot avea o organizare spațială similară și pot îndeplini funcții similare.

Orez. 13. Structura hemoglobinei

Într-o structură mai compactă în comparație cu cea primară, în care interacțiunea grupărilor peptidice are loc cu formarea de legături de hidrogen între ele.

Așezarea veveriței sub formă de frânghie și acordeon

Există două tipuri de astfel de structuri - aşezând veveriţa sub formă de frânghieŞi în formă de acordeon.

Formarea unei structuri secundare este cauzată de dorința peptidei de a adopta o conformație cu cel mai mare număr legături între grupările peptidice. Tipul structurii secundare depinde de stabilitatea legăturii peptidice, de mobilitatea legăturii dintre atomul de carbon central și carbonul grupării peptidice și de dimensiunea radicalului de aminoacid.

Toate acestea, cuplate cu secvența de aminoacizi, vor duce ulterior la o configurație strict definită a proteinei.

Se pot distinge două variante posibile ale structurii secundare: un α-helix (α-structură) și un strat β-pliat (β-structură). De regulă, ambele structuri sunt prezente într-o singură proteină, dar în proporții diferite. La proteinele globulare predomină α-helixul, la proteinele fibrilare predomină structura β.

Participarea legăturilor de hidrogen la formarea structurii secundare.

Structura secundară se formează numai cu participarea legăturilor de hidrogen între grupurile peptidice: atomul de oxigen al unui grup reacționează cu atomul de hidrogen al celui de-al doilea, în același timp, oxigenul celui de-al doilea grup peptidic se leagă cu hidrogenul celui de-al treilea, etc.

α-helix

Plierea proteinelor sub formă de α-helix.

Această structură este o spirală dreaptă, formată din legături de hidrogen între grupările peptidice ale 1 și 4, 4 și 7, 7 și 10 și așa mai departe reziduuri de aminoacizi.

Formarea unui helix este împiedicată de prolină și hidroxiprolină, care, datorită structurii lor, provoacă o „fractură” a lanțului, îndoirea sa ascuțită.

Înălțimea spirei helix este de 0,54 nm și corespunde la 3,6 resturi de aminoacizi, 5 spire complete corespund la 18 aminoacizi și ocupă 2,7 nm.

strat β-fold

Proteine ​​care se pliază într-o foaie pliată β.

În această metodă de pliere, molecula de proteină se află ca un „șarpe” secțiuni îndepărtate ale lanțului sunt aproape una de alta. Ca rezultat, grupurile de peptide ale aminoacizilor îndepărtați anterior din lanțul proteic sunt capabile să interacționeze folosind legături de hidrogen.