Η ικανότητα των μορίων πρωτεΐνης να διατηρούν τη δομή τους. Μάθημα «Μοριακά θεμέλια διεργασιών ζωής. Εργασίες για εξωσχολικές εργασίες

Κάθε πρωτεΐνη βασίζεται σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. Δεν είναι απλώς επιμήκης στο χώρο, αλλά οργανώνεται σε μια τρισδιάστατη δομή. Ως εκ τούτου, υπάρχει μια έννοια 4 επιπέδων χωρικής οργάνωσης της πρωτεΐνης, δηλαδή, πρωτογενείς, δευτερογενείς, τριτοταγείς και τεταρτοταγείς δομές πρωτεϊνικών μορίων.

ΠΡΩΤΟΓΕΝΙΚΗ ΔΟΜΗ

Δομή πρωτογενούς πρωτεΐνης- μια αλληλουχία θραυσμάτων αμινοξέων σταθερά (και καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου ύπαρξης της πρωτεΐνης) συνδεδεμένα με πεπτιδικούς δεσμούς. Υπάρχει χρόνος ημιζωής των μορίων πρωτεΐνης - για τις περισσότερες πρωτεΐνες, περίπου 2 εβδομάδες. Εάν σπάσει τουλάχιστον ένας πεπτιδικός δεσμός, τότε σχηματίζεται μια άλλη πρωτεΐνη.

ΔΕΥΤΕΡΕΥΟΥΣΑ ΔΟΜΗ

Δευτερεύουσα δομήείναι η χωρική οργάνωση του πυρήνα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Υπάρχουν 3 κύριοι τύποι δευτερογενούς δομής:

1) Άλφα έλικα - έχει ορισμένα χαρακτηριστικά: πλάτος, απόσταση μεταξύ δύο στροφών της σπείρας. Οι πρωτεΐνες χαρακτηρίζονται από μια δεξιόστροφη έλικα. Υπάρχουν 36 υπολείμματα αμινοξέων ανά 10 στροφές σε αυτήν την έλικα. Για όλα τα πεπτίδια που είναι διατεταγμένα σε μια τέτοια έλικα, αυτή η έλικα είναι απολύτως η ίδια. Η άλφα έλικα στερεώνεται χρησιμοποιώντας δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ομάδων NH μιας στροφής της έλικας και των ομάδων C=O της γειτονικής στροφής. Αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου βρίσκονται παράλληλα με τον άξονα της έλικας και επαναλαμβάνονται πολλές φορές, επομένως συγκρατούν σταθερά τη δομή της έλικας. Επιπλέον, διατηρούνται σε μια κάπως τεταμένη κατάσταση (σαν συμπιεσμένο ελατήριο).

Δομή πτυχής βήτα - ή τη δομή ενός διπλωμένου φύλλου. Καθορίζεται επίσης με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των ομάδων C=O και NH. Διορθώνει δύο τμήματα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Αυτά τα κυκλώματα μπορούν να είναι παράλληλα ή αντιπαράλληλα. Αν τέτοιοι δεσμοί σχηματίζονται μέσα στο ίδιο πεπτίδιο, τότε είναι πάντα αντιπαράλληλοι, και αν μεταξύ διαφορετικών πολυπεπτιδίων, τότε είναι παράλληλοι.

3) Ακανόνιστη δομή - ένας τύπος δευτερογενούς δομής στον οποίο η διάταξη διαφορετικών τμημάτων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας μεταξύ τους δεν είναι κανονική (σταθερή), επομένως οι ακανόνιστες δομές μπορεί να έχουν διαφορετικές διαμορφώσεις.

ΤΡΙΤΟΓΕΝΙΚΗ ΔΟΜΗ

Αυτή είναι η τρισδιάστατη αρχιτεκτονική μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας - μια ειδική σχετική διάταξη στο χώρο των σπειροειδών, διπλωμένων και ακανόνιστων τμημάτων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Διαφορετικές πρωτεΐνες έχουν διαφορετικές τριτοταγείς δομές. Οι δισουλφιδικοί δεσμοί και όλοι οι ασθενείς τύποι δεσμών συμμετέχουν στο σχηματισμό της τριτογενούς δομής.

Υπάρχουν δύο γενικοί τύποι τριτογενούς δομής:

1) Στις ινώδεις πρωτεΐνες (για παράδειγμα, κολλαγόνο, ελαστίνη), τα μόρια των οποίων έχουν επίμηκες σχήμα και συνήθως σχηματίζουν δομές ινώδους ιστού, η τριτοταγής δομή αντιπροσωπεύεται είτε από μια τριπλή άλφα έλικα (για παράδειγμα, στο κολλαγόνο) είτε από βήτα- πτυχωμένες δομές.

2) Στις σφαιρικές πρωτεΐνες, τα μόρια των οποίων έχουν σχήμα μπάλας ή έλλειψης (λατινική ονομασία: GLOBULA - μπάλα), βρίσκεται ένας συνδυασμός και των τριών τύπων δομών: υπάρχουν πάντα ακανόνιστες περιοχές, υπάρχουν δομές φύλλων βήτα και άλφα έλικες.

Τυπικά, στις σφαιρικές πρωτεΐνες, οι υδρόφοβες περιοχές του μορίου βρίσκονται βαθιά μέσα στο μόριο. Συνδυάζοντας μεταξύ τους, οι υδρόφοβες ρίζες σχηματίζουν υδρόφοβες συστάδες (κέντρα). Ο σχηματισμός μιας υδρόφοβης συστάδας αναγκάζει το μόριο να κάμπτεται ανάλογα στο διάστημα. Τυπικά, ένα σφαιρικό μόριο πρωτεΐνης περιέχει αρκετές υδρόφοβες συστάδες βαθιά μέσα στο μόριο. Αυτή είναι μια εκδήλωση της δυαδικότητας των ιδιοτήτων του μορίου πρωτεΐνης: στην επιφάνεια του μορίου υπάρχουν υδρόφιλες ομάδες, επομένως το μόριο ως σύνολο είναι υδρόφιλο και στα βάθη του μορίου κρύβονται υδρόφοβες ρίζες.

Τετραγωνική δομή

Δεν βρίσκεται σε όλες τις πρωτεΐνες, αλλά μόνο σε αυτές που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Κάθε τέτοια αλυσίδα ονομάζεται υπομονάδα ενός δεδομένου μορίου (ή πρωτομερούς). Επομένως, οι πρωτεΐνες με τεταρτοταγή δομή ονομάζονται ολιγομερείς πρωτεΐνες. Ένα μόριο πρωτεΐνης μπορεί να περιέχει πανομοιότυπες ή διαφορετικές υπομονάδες. Για παράδειγμα, το μόριο αιμοσφαιρίνης «Α» αποτελείται από δύο υπομονάδες ενός τύπου και δύο υπομονάδες άλλου τύπου, δηλαδή είναι ένα τετραμερές. Οι τεταρτοταγείς δομές των πρωτεϊνών σταθεροποιούνται από όλους τους τύπους ασθενών δεσμών, και μερικές φορές επίσης με δισουλφιδικούς δεσμούς.

ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΜΟΡΙΟΥ ΠΡΩΤΕΪΝΗΣ

Από όλα όσα ειπώθηκαν, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η χωρική οργάνωση των πρωτεϊνών είναι πολύ περίπλοκη. Στη χημεία, υπάρχει μια έννοια - χωρική διαμόρφωση - μια χωρική σχετική διάταξη τμημάτων ενός μορίου που στερεώνονται άκαμπτα με ομοιοπολικούς δεσμούς (για παράδειγμα: ανήκουν στη σειρά L στερεοϊσομερών ή στη σειρά D).

Για τις πρωτεΐνες χρησιμοποιείται επίσης η έννοια της διαμόρφωσης του μορίου πρωτεϊνών - μια σαφής, αλλά όχι κατεψυγμένη, όχι αμετάβλητη σχετική διάταξη των τμημάτων του μορίου. Δεδομένου ότι η διαμόρφωση ενός πρωτεϊνικού μορίου σχηματίζεται με τη συμμετοχή ασθενών τύπων ομολόγων, είναι κινητό (ικανό για αλλαγή) και η πρωτεΐνη μπορεί να αλλάξει τη δομή της. Ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες, ένα μόριο μπορεί να υπάρχει σε διαφορετικές καταστάσεις διαμόρφωσης, οι οποίες μετατρέπονται εύκολα μεταξύ τους. Ενεργειακές ευνοϊκές για τις πραγματικές συνθήκες είναι μόνο μία ή περισσότερες διαμορφωτικές καταστάσεις μεταξύ των οποίων υπάρχει ισορροπία. Οι μεταβάσεις από μία κατάσταση διαμόρφωσης σε άλλη εξασφαλίζουν τη λειτουργία του μορίου πρωτεϊνών. Αυτές είναι αναστρέψιμες αλλαγές διαμόρφωσης (που βρέθηκαν στο σώμα, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της αγωγιμότητας μιας νευρικής ώθησης, κατά τη μεταφορά οξυγόνου με αιμοσφαιρίνη). Όταν η διαμόρφωση αλλάζει, ορισμένοι από τους αδύναμους δεσμούς καταστρέφονται και σχηματίζονται νέοι αδύναμοι δεσμοί.

LIGANDS

Η αλληλεπίδραση μιας πρωτεΐνης με μια ουσία μερικές φορές οδηγεί στη δέσμευση ενός μορίου αυτής της ουσίας από ένα μόριο πρωτεΐνης. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως "προσρόφηση" (δέσμευση). Η αντίστροφη διαδικασία - η απελευθέρωση ενός άλλου μορίου από μια πρωτεΐνη - ονομάζεται "εκρόφηση".

Εάν για οποιοδήποτε ζεύγος μορίων η διαδικασία απορρόφησης επικρατεί πάνω από την εκρόφηση, τότε αυτό είναι ήδη ειδική προσρόφηση και η ουσία που απορροφάται ονομάζεται "προσδέτης".

Τύποι υποκαταστατών:

1) Ο συνδέτης της πρωτεΐνης ενζύμου είναι το υπόστρωμα.

2) Μεταφορά πρωτεΐνης προσδέματος - μεταφερόμενη ουσία.

3) Σύνδεσμος αντισώματος (ανοσοσφαιρίνη) – αντιγόνο.

4) ορμόνη ή υποδοχέας νευροδιαβιβαστή - ορμόνη ή νευροδιαβιβαστής.

Μια πρωτεΐνη μπορεί να αλλάξει τη διαμόρφωσή της όχι μόνο όταν αλληλεπιδρά με έναν συνδέτη, αλλά και ως αποτέλεσμα οποιασδήποτε χημικής αλληλεπίδρασης. Ένα παράδειγμα τέτοιας αλληλεπίδρασης είναι η προσθήκη ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος.

Υπό φυσικές συνθήκες, οι πρωτεΐνες έχουν αρκετές θερμοδυναμικά ευνοϊκές διαμορφωτικές καταστάσεις. Πρόκειται για γηγενείς πολιτείες (φυσικές). Natura (λατ.) – φύση.

ΓΕΝΝΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΡΙΟΥ ΠΡΩΤΕΪΝΗΣ

Το Nativeness είναι ένα μοναδικό σύμπλεγμα φυσικών, φυσικοχημικών, χημικών και βιολογικών ιδιοτήτων ενός μορίου πρωτεΐνης, το οποίο ανήκει σε αυτό όταν το μόριο πρωτεΐνης βρίσκεται στη φυσική του, φυσική (φυσική) κατάσταση.

Για παράδειγμα: η πρωτεΐνη του οφθαλμικού φακού - η κρυσταλλίνη - είναι εξαιρετικά διαφανής μόνο στη φυσική της κατάσταση).

ΜΕΤΟΥΣΩΣΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ

Ο όρος μετουσίωση χρησιμοποιείται για να αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία χάνονται οι φυσικές ιδιότητες μιας πρωτεΐνης.

Η μετουσίωση είναι η στέρηση μιας πρωτεΐνης των φυσικών, φυσικών της ιδιοτήτων, που συνοδεύεται από την καταστροφή της τεταρτοταγούς (αν υπήρχε), τριτοταγούς και μερικές φορές δευτερογενούς δομής του μορίου της πρωτεΐνης, η οποία συμβαίνει όταν εμπλέκονται τα δισουλφίδια και οι ασθενείς τύποι δεσμών στο σχηματισμό αυτών των δομών καταστρέφονται. Η πρωταρχική δομή διατηρείται επειδή σχηματίζεται από ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Η καταστροφή της πρωτογενούς δομής μπορεί να συμβεί μόνο ως αποτέλεσμα της υδρόλυσης του μορίου της πρωτεΐνης με παρατεταμένο βρασμό σε διάλυμα οξέος ή αλκαλίου.

Παράγοντες που προκαλούν μετουσίωση πρωτεΐνης

Οι παράγοντες που προκαλούν τη μετουσίωση της πρωτεΐνης μπορούν να χωριστούν σε φυσικούς και χημικούς.

Φυσικοί παράγοντες

1. Υψηλές θερμοκρασίες. Διαφορετικές πρωτεΐνες έχουν διαφορετική ευαισθησία στη θερμότητα. Ορισμένες πρωτεΐνες υφίστανται μετουσίωση ήδη στους 40-50°C. Τέτοιες πρωτεΐνες ονομάζονται θερμοευαίσθητο. Άλλες πρωτεΐνες μετουσιώνονται σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες θερμοσταθερή.

2. Υπερδελές ακτινοβολία

3. Ακτινογραφία και ραδιενεργή έκθεση

4. Υπερηχογράφημα

5. Μηχανική επίδραση (για παράδειγμα, δόνηση).

Χημικοί παράγοντες

1. Συμπυκνωμένα οξέα και αλκάλια. Για παράδειγμα, τριχλωροξικό οξύ (οργανικό), νιτρικό οξύ (ανόργανο).

2. Άλατα βαρέων μετάλλων (για παράδειγμα, CUSO 4).

3. Οργανικοί διαλύτες (αιθυλική αλκοόλη, ακετόνη)

4. Φυτικά αλκαλοειδή.

5. ουρία σε υψηλές συγκεντρώσεις

5. Άλλες ουσίες που μπορούν να σπάσουν ασθενείς τύπους δεσμών σε μόρια πρωτεΐνης.

Η έκθεση σε παράγοντες μετουσίωσης χρησιμοποιείται για την αποστείρωση εξοπλισμού και οργάνων, καθώς και για αντισηπτικά.

Αναστρεψιμότητα της μετουσίωσης

Σε δοκιμαστικό σωλήνα (in vitro) αυτό είναι τις περισσότερες φορές μια μη αναστρέψιμη διαδικασία. Εάν μια μετουσιωμένη πρωτεΐνη τοποθετηθεί σε συνθήκες κοντά στις φυσικές, τότε μπορεί να μετουσιωθεί, αλλά πολύ αργά, και αυτό το φαινόμενο δεν είναι χαρακτηριστικό για όλες τις πρωτεΐνες.

In vivo, στο σώμα, είναι δυνατή η ταχεία αναδιάταξη. Αυτό οφείλεται στην παραγωγή συγκεκριμένων πρωτεϊνών σε έναν ζωντανό οργανισμό που «αναγνωρίζουν» τη δομή της μετουσιωμένης πρωτεΐνης, προσκολλώνται σε αυτήν χρησιμοποιώντας αδύναμους τύπους δεσμών και δημιουργούν τις βέλτιστες συνθήκες για επαναδιάταξη. Αυτές οι συγκεκριμένες πρωτεΐνες είναι γνωστές ως «πρωτεΐνες θερμικού σοκ» ή «πρωτεΐνες στρες».

Πρωτεΐνες στρες

Υπάρχουν πολλές οικογένειες αυτών των πρωτεϊνών, διαφέρουν ως προς το μοριακό βάρος.

Για παράδειγμα, είναι γνωστή η πρωτεΐνη hsp 70, μια πρωτεΐνη θερμοπληξίας με μάζα 70 kDa.

Τέτοιες πρωτεΐνες βρίσκονται σε όλα τα κύτταρα του σώματος. Επιτελούν επίσης τη λειτουργία της μεταφοράς πολυπεπτιδικών αλυσίδων μέσω βιολογικών μεμβρανών και συμμετέχουν στο σχηματισμό των τριτοταγών και τεταρτοταγών δομών των πρωτεϊνικών μορίων. Οι απαριθμούμενες λειτουργίες των πρωτεϊνών του στρες ονομάζονται συναρτήσεις συνοδού. Κάτω από διάφορους τύπους στρες, προκαλείται η σύνθεση τέτοιων πρωτεϊνών: όταν το σώμα υπερθερμαίνεται (40-44°C), σε ιογενείς ασθένειες, δηλητηρίαση με άλατα βαρέων μετάλλων, αιθανόλη κ.λπ.

Αυξημένη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες του στρες βρέθηκε στο σώμα των νότιων λαών σε σύγκριση με τη βόρεια φυλή.

Το μόριο της πρωτεΐνης θερμικού σοκ αποτελείται από δύο συμπαγή σφαιρίδια που συνδέονται με μια χαλαρή αλυσίδα:

Διαφορετικές πρωτεΐνες θερμικού σοκ έχουν ένα κοινό σχέδιο κατασκευής. Όλα περιέχουν τομείς επαφών.

Διαφορετικές πρωτεΐνες με διαφορετικές λειτουργίες μπορεί να περιέχουν τους ίδιους τομείς. Για παράδειγμα, διάφορες πρωτεΐνες που δεσμεύουν ασβέστιο έχουν την ίδια περιοχή για όλες, η οποία είναι υπεύθυνη για τη σύνδεση του Ca +2.

Ο ρόλος της δομής του τομέα είναι ότι παρέχει στην πρωτεΐνη μεγαλύτερες ευκαιρίες να εκτελέσει τη λειτουργία της λόγω των κινήσεων ενός τομέα σε σχέση με έναν άλλο. Οι περιοχές όπου ενώνονται δύο τομείς είναι οι δομικά πιο αδύναμες θέσεις στο μόριο τέτοιων πρωτεϊνών. Εδώ συμβαίνει πιο συχνά η υδρόλυση του δεσμού και η πρωτεΐνη καταστρέφεται.

Μενού

Χώρος
Γεωγραφία
Ο άνθρωπος
Ιστορία
Βιολογία
Ψυχολογία

Διαφήμιση

Σπίτι

Τα ΑΑ είναι μονομερή δομικές μονάδεςμόρια πρωτεΐνης που συνθέτουν μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. Τα AA μπορούν να βρεθούν σε δύο στερικές μορφές: ΜΕΓΑΛΟ-Και ΡΕ-.Αυτά τα σχήματα είναι κατοπτρικά συμμετρικά. Σε αυτά, η μαζική πλευρά της ρίζας R και το άτομο Η στον α-άνθρακα αλλάζουν θέσεις. Μόνο η γλυκίνη, της οποίας η πλευρική αλυσίδα αποτελείται από ένα άτομο Η, δεν έχει αυτές τις μορφές. Οι πλευρικές αλυσίδες αποτελούνται από υπολείμματα ΜΕΓΑΛΟ-αμινοξέα, μόνο που κωδικοποιούνται από γονίδια. Τα υπολείμματα D δεν κωδικοποιούνται κατά τη σύνθεση πρωτεϊνών μήτρας, αλλά συντίθενται από ειδικά ένζυμα. Επανεμφάνιση(μετάβαση του L- σε D-) πρακτικά δεν συμβαίνει κατά τη βιοσύνθεση, καθώς και αυθόρμητα στις πρωτεΐνες, αλλά συχνά συμβαίνει κατά τη χημική σύνθεση των πεπτιδίων.

Το μόριο πρωτεΐνης χαρακτηρίζεται από την παρουσία ισχυρών ομοιοπολικήκαι σχετικά αδύναμο μη ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτός ο συνδυασμός ομοιοπολικών και μη ομοιοπολικών δεσμών παρέχει στο μόριο πρωτεΐνης μια ορισμένη δύναμη και δυναμισμό κατά τη λειτουργία του (Εικ. 1).

α – ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση. β – δεσμούς υδρογόνου. γ – αλληλεπίδραση μη πολικών πλευρικών αλυσίδων που προκαλείται από την ώθηση υδρόφοβων ριζών στην «ξηρά» ζώνη από μόρια διαλύτη. d – δισουλφιδικοί δεσμοί (η διπλή καμπύλη γραμμή δείχνει τη ραχοκοκαλιά του πολυπεπτιδικού δεσμού).

Εικόνα 1 – Τύποι δεσμών σε ένα μόριο πρωτεΐνης (σύμφωνα με τον Filippovich).

ΟμοιοπολικήΟι δεσμοί σε ένα μόριο πρωτεΐνης μπορεί να είναι δύο τύπων - πεπτίδιο και δισουλφίδιο.Τα AA σε μια πρωτεϊνική αλυσίδα είναι αλληλένδετα πεπτίδιοσυνδέσεις ΜΕΚαι Νάτομα. Πεπτιδικός ή όξινος αμιδικός δεσμός ( -CO-NH-), είναι τυπικός ομοιοπολικός δεσμός.Ένας πεπτιδικός δεσμός εμφανίζεται όταν η καρβοξυλική ομάδα ενός αμινοξέος αλληλεπιδρά με την αμινομάδα ενός άλλου. Οι ελεύθερες ομάδες αμινο και καρβοξυλίου του σχηματισμένου διπεπτιδίου είναι σε θέση να εισέλθουν και πάλι σε αντίδραση πολυσυμπύνδεσης με νέα μόρια ΑΑ, σχηματίζοντας υψηλής μοριακής ένωσης. Έτσι, με τη βοήθεια ενός πεπτιδικού δεσμού, τα υπολείμματα αμινοξέων συνδέονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας μια τακτική ραχοκοκαλιά του μορίου πρωτεϊνών, από το οποίο εκτείνονται διάφορες πλευρικές ομάδες (R 1 ... R M). Ο αριθμός των μονάδων πλευρικής αλυσίδας (Μ) κωδικοποιείται από το γονίδιο και κυμαίνεται από αρκετές δεκάδες έως πολλές χιλιάδες. Στη διαδικασία της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών, μεμονωμένα υπολείμματα αμινοξέων συνδέονται μεταξύ τους σε μια γραμμική ακολουθία:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Οι ενώσεις που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της συμπύκνωσης πολλών ΑΑ ονομάζονται πεπτίδια(δι-, τρι-, τετραπεπτίδια, κ.λπ.). Τα πεπτίδια μπορούν να περιέχουν όχι μόνο πρωτεϊνογόνα, αλλά και μη πρωτεϊνογόνα ΑΑ. Τα πεπτίδια παίζουν σημαντικό ρόλο ως ενδιάμεσα στο μεταβολισμό και πολλά από αυτά είναι φυσιολογικά πολύ δραστικές ενώσεις. Τα πεπτίδια περιλαμβάνουν ορισμένα αντιβιοτικά (γραμικιδίνη, λιχενιφορμίνη), ορμόνες (ινσουλίνη, ωκυτακίνη, βαζοπρεσσίνη) και τοξίνες (αμανιτίνες). Τα πεπτίδια μπορεί να είναι μια κλειστή πολυπεπτιδική αλυσίδα, δηλ. μπορεί να είναι κυκλοπεπτίδια και μερικά έχουν ακόμη και δικυκλική δομή. Μεταξύ των κυκλοπεπτιδίων υπάρχουν άκρως τοξικές ουσίες (δηλητηριώδες μανιτάρι φρύνος ( Amanita phalloides).

Τα ονόματα των πεπτιδίων καθορίζονται από τα ονόματα των ΑΑ που περιλαμβάνονται στη σύνθεσή του, που αναφέρονται διαδοχικά, ξεκινώντας από το Ν-τελικό άκρο και το επίθημα-στα ονόματα όλων των ΑΑ, με εξαίρεση το C-τελικό , που έχει ελεύθερη ομάδα COOH (καρβοξυλίου), αντικαθίσταται από το επίθημα -υλ. Για παράδειγμα, εάν δύο μόρια αλανίνης και ένα μόριο γλυκίνης συμμετέχουν στο σχηματισμό τριών πεπτιδίων, το τριπεπτίδιο ονομάζεται αλανυλαλανυλογλυκίνη ή alaalagli. Τα αμινοξέα συντομεύονται με σύμβολα τριών γραμμάτων (Πίνακας 1).

Πίνακας 1 - Συντμήσεις για αμινοξέα

Διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση της χωρικής δομής του πρωτεϊνικού μορίου. ομοιοπολικοί δισουλφιδικοί δεσμοί (-S-S-), τα οποία σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της οξείδωσης των ομάδων σουλφυδρυλίων των υπολειμμάτων κυστεΐνης. Οι δεσμοί δισουλφιδίου μπορούν να σχηματίσουν μεταξύ υπολειμμάτων κυστεΐνης δύο πολυπεπτιδικών αλυσίδων ή δύο υπολείμματα κυστεΐνης μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας, σταθεροποιώντας μια ορισμένη διαμόρφωση του πρωτεϊνικού μορίου. Κατά τη σταθεροποίηση της διαμόρφωσης ενός μορίου πρωτεΐνης, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο μη ομοιοπολικούς δεσμούςΚαι αλληλεπιδράσεις.Αυτές περιλαμβάνουν υδρόφοβες, ηλεκτροστατικές, ιοντικές αλληλεπιδράσεις, καθώς και δεσμούς υδρογόνου. Υποστηρίζουν τη χωρική δομή της πρωτεΐνης πολύ πιο αδύναμη από τους χημικούς δεσμούς που καθορίζουν την αλληλουχία των μονομερών (ΑΑ) στην αλυσίδα πρωτεϊνών.

Υδροφοβική αλληλεπίδρασηΕμφανίζεται όταν οι υδρόφοβοι υδρογονάνθρακες και οι αρωματικές ρίζες ορισμένων αμινοξέων (αλανίνη, βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, φαινυλαλανίνη και τρυπτοφάνη) έρχονται μαζί. Η διαδικασία της υδρόφοβης αλληλεπίδρασης μπορεί να αναπαρασταθεί ως η κίνηση των μη πολικών ομάδων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας (μεθυλ -CH 3, αιθυλ -C2 H5, φαινυλ -C 6 Η 6) από το νερό στις υδρόφοβες περιοχές που σχηματίζονται λόγω του ένωση αυτών των ομάδων. Ως αποτέλεσμα αυτής της κίνησης, μη πολικές ομάδες εμφανίζονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους στο εσωτερικό του μορίου και υδρόφιλες ομάδες βρίσκονται στην επιφάνεια και βρίσκονται σε επαφή με το νερό.

Δεσμοί υδρογόνουσχηματίζεται μεταξύ ατόμων υδρογόνου που συνδέονται ομοιοπολικά με ένα άτομο που περιέχει ένα μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων ή άλλο ηλεκτραρνητικό άτομο. Στις βιολογικές δομές, ένας δεσμός υδρογόνου σχηματίζεται συχνότερα από ένα άτομο υδρογόνου συνδεδεμένο με οξυγόνο ή άζωτο. Οι δεσμοί υδρογόνου μπορεί να είναι ενδοαλυσιδωτοί. Οι ενδοαλυσικοί δεσμοί υδρογόνου σταθεροποιούν τις α-ελικοειδείς δομές και οι ενδοαλυσικοί δεσμοί υδρογόνου σταθεροποιούν τις δομές β-φύλλων.

Ιωνικοί (αλάτι) δεσμοί.Πιθανώς σχηματίζονται μεταξύ των διαχωρισμένων ελεύθερων καρβοξυλικών ομάδων (COO -) των μονοαμινοδικαρβοξυλικών αμινοξέων (γλουταμινικό και ασπαρτικό) και των πρωτονιωμένων ελεύθερων αμινομάδων (NH 3 +) των διαμινο-μονοκαρβοξυλικών αμινοξέων. Οι ιοντικοί δεσμοί μπορεί να είναι ενδο- και αλληλοαλυσίδες.

Επίπεδα δομικής οργάνωσης ενός μορίουσκίουρος. Οι λειτουργικές ιδιότητες των πρωτεϊνών καθορίζονται από την αλληλουχία των ΑΑ και τη χωρική τους δομή. Από αυτή την άποψη υπάρχουν τέσσερα επίπεδα: πρωτογενείς, δευτερογενείς, τριτογενείς και τεταρτοταγείς δομές.

Κάτω από πρωτογενής δομήκατανοούν την ποιοτική και ποσοτική σύνθεση των ΑΑ, καθώς και την αλληλουχία διάταξής τους στις πολυπεπτιδικές αλυσίδες ενός μορίου πρωτεΐνης. Ένα μόριο πρωτεΐνης μπορεί να έχει μία ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Για παράδειγμα, ένα μόριο ενζύμου ριβονουκλεάσεςαντιπροσωπεύει μια πολυπεπτιδική αλυσίδα με οκτώ υπολείμματα κυστεΐνης που σχηματίζουν τέσσερις ενδομοριακούς δισουλφιδικούς δεσμούς. Η ορμόνη ινσουλίνη αποτελείται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες που συνδέονται με δισουλφιδικές γέφυρες μεταξύ των υπολειμμάτων κυστεΐνης.

Η δευτερογενής δομή δείχνει τη χωρική διαμόρφωση ενός μορίου πρωτεΐνης. Υπάρχουν τρεις τύποι δευτερογενούς δομής: α-ελικοειδές, β-πτυχωτός και έλικας κολλαγόνου.

Παίζουν σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση της δευτερεύουσας δομής. δεσμούς υδρογόνου, που προκύπτουν μεταξύ του ατόμου υδρογόνου που συνδέεται με το ηλεκτραρνητικό άτομο αζώτου ενός πεπτιδικού δεσμού και του καρβονυλικού ατόμου οξυγόνου του τέταρτου αμινοξέος από αυτό, και κατευθύνονται κατά μήκος του άξονα της έλικας. Οι υπολογισμοί ενέργειας δείχνουν ότι η δεξιόστροφη α-έλικα είναι πιο αποτελεσματική (Εικ. 2). Οι ινιδώδεις α-κερατίνες (μαλλί, δέρμα, φτερά) αποτελούνται από πολλές πολυπεπτιδικές αλυσίδες με δεξιόστροφη α-ελικοειδή διαμόρφωση και σχηματίζουν ισχυρές υπερσπείρες που εκτελούν μηχανικές λειτουργίες.

Σχήμα 2 – α-ελικοειδής διαμόρφωση της δομής της πρωτεΐνης

Ένας άλλος τύπος δευτερογενούς δομής πρωτεΐνης ονομάζεται Δομή β-φύλλουή β-πτυχωτό στρώμα. Στο Σχ. Το σχήμα 3 δείχνει ένα μοντέλο μιας τέτοιας δομής (α – πλάγια όψη, β – κάτοψη). Οι κουκκίδες στο σχήμα δείχνουν αλληλουχία υδρογόνου-

Εικόνα 3 – Διαμόρφωση β-φύλλου της δομής πρωτεΐνης

νέες συνδέσεις. Με αυτή τη χωρική διάταξη, σχηματίζεται ένα σύστημα παράλληλων και αντιπαράλληλων θραυσμάτων μιας ή περισσότερων πολυπεπτιδικών αλυσίδων. Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες στις διατάξεις είναι εντελώς επιμήκεις. Οι πτυχώσεις εμφανίζονται λόγω του γεγονότος ότι τα επίπεδα δύο γειτονικών πεπτιδικών δεσμών σχηματίζουν μια ορισμένη γωνία. Το σύστημα σταθεροποιείται με εγκάρσιους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ αλυσίδων που βρίσκονται κάθετα προς τον προσανατολισμό των πολυπεπτιδικών δεσμών. Η απόσταση μεταξύ των αλυσίδων είναι 0,95 nm και η περίοδος ταυτότητας κατά μήκος της αλυσίδας είναι 0,70 nm για παράλληλες αλυσίδες και 0,65 nm για αντιπαράλληλα. Αυτή η δομή είναι χαρακτηριστική των ινιδιακών πρωτεϊνών (β-κερατίνη, ινώδες κ.λπ.). Συγκεκριμένα, η β-κερατίνη χαρακτηρίζεται από μια παράλληλη διάταξη πολυπεπτιδίων αλυσίδων, οι οποίες σταθεροποιούνται περαιτέρω με δεσμούς μεταξύ των αλυσίδων S-S. Στο ινώδες μεταξιού, οι γειτονικές πολυπεπτιδικές αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες.

Ο τρίτος τύπος δευτερεύουσας δομής είναι σπείρα κολλαγόνου. Αποτελείται από τρεις ελικοειδείς αλυσίδες σε σχήμα ράβδου με διάμετρο 1,5 nm και μήκος περίπου 300 nm. Οι ελικοειδείς αλυσίδες συστρέφονται η μία γύρω από την άλλη και σχηματίζουν μια υπερέλικα. Η απόσταση μεταξύ δύο υπολειμμάτων ΑΚ κατά μήκος του άξονα της έλικας είναι 0,29 nm και υπάρχουν 3,3 υπολείμματα ανά στροφή της έλικας. Η έλικα κολλαγόνου σταθεροποιείται από δεσμούς υδρογόνου που προκύπτουν μεταξύ του υδρογόνου των πεπτιδίων ΝΗ ομάδων των υπολειμμάτων ΑΑ μιας αλυσίδας και του οξυγόνου των ομάδων CO των υπολειμμάτων ΑΑ της άλλης αλυσίδας. Αυτή η δομή δίνει στην πρωτεΐνη υψηλή ελαστικότητα και αντοχή.

Τριτογενής δομή.Οι περισσότερες πρωτεΐνες στην φυσική κατάσταση έχουν μια πολύ συμπαγή δομή, η οποία καθορίζεται από το μέγεθος, το σχήμα, την πολικότητα των ριζών ΑΚ, καθώς και την ακολουθία ΑΚ (Εικόνα 4). Ο σχηματισμός μιας φυσικής σφαιρικής δομής είναι μια διαδικασία πολλαπλών συστατικών που βασίζεται σε διάφορους τύπους μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. Ο μετασχηματισμός μιας ξεδιπλωμένης πολυπεπτιδικής αλυσίδας σε ένα συμπαγές μόριο συνοδεύεται από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις ριζών υδρογονανθράκων τέτοιων αμινοξέων όπως η λευκίνη, η ισολευκίνη, η φαινυλαλανίνη, η τρυπτοφάνη, οι οποίες είναι επαρκώς απομακρυσμένες μεταξύ τους στην αλυσίδα πολυπεπτιδίου. Σχεδόν όλα είναι μη πολικά ή υδρόφοβες ρίζεςΑυτά τα ΑΚ βρίσκονται μέσα στο σφαιρίδιο και εξασφαλίζουν τη σταθερότητα της δομής του. Οι πολικές ή ιοντικές ρίζες (ιδιαίτερα τα ασπαρτικά και γλουταμινικά οξέα, αργινίνη και λυσίνη) βρίσκονται στην εξωτερική επιφάνεια του μορίου και βρίσκονται σε ενυδατωμένη κατάσταση. Σε μέρη όπου η πολυπεπτιδική αλυσίδα είναι διπλωμένη, εντοπίζονται υπολείμματα τέτοιων αμινοξέων όπως η προλίνη, η ισολευκίνη και η σερίνη, τα οποία δεν είναι ικανά να σχηματίσουν α-έλικες δομές. Έτσι, υπάρχει στενή σχέση μεταξύ της αλληλουχίας ΑΚ σε μια πρωτεΐνη και της διαμόρφωσής της. Οι διαφορές στη σύνθεση αμινοξέων και στην αλληλουχία των μεμονωμένων υπολειμμάτων ΑΚ προκαλούν την εμφάνιση τοπικών ασταθών σημείων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα, στα οποία διαταράσσεται η σταθερότητα της α-έλικας και μπορεί να δημιουργηθούν κάμψεις υπό την επίδραση διαφόρων μοριακών δυνάμεις.

Εικόνα 4 – Τριτογενής δομή πρωτεΐνης

Οι υδρόφοβες και ιοντικές αλληλεπιδράσεις, οι δεσμοί υδρογόνου κ.λπ. έχουν σημαντική επίδραση στη διαδικασία σχηματισμού της φυσικής διαμόρφωσης μιας πρωτεΐνης ή της τριτοταγούς δομής της. Υπό την επίδραση αυτών των δυνάμεων, μια θερμοδυναμικά κατάλληλη διαμόρφωση του μορίου πρωτεΐνης και η σταθεροποίησή της επιτεύχθηκε. Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας αναδίπλωσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, οι ομοιοπολικοί δισουλφιδικοί δεσμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση της διαμόρφωσής της.

Επί του παρόντος, η τριτοταγής δομή της μυοσφαιρίνης, της αιμοσφαιρίνης, της RNase, της λυσοζύμης, της χυμοθρυψίνης, της καρβοξυπεπτιδάσης και άλλων πρωτεϊνών έχει αποκρυπτογραφηθεί.

Κάτω από τετραγωνική δομήυπονοεί έναν χαρακτηριστικό τρόπο συνδυασμού και χωρικής διάταξης μεμονωμένων πολυπεπτιδικών αλυσίδων που συνθέτουν ένα λειτουργικά ξεχωριστό μόριο. Η σύνθεση και η πολυπλοκότητα της πρωτογενούς, δευτερογενούς και τριτογενούς δομής των υπομονάδων μπορεί να ποικίλλει πολύ. Για παράδειγμα, το μόριο της αιμοσφαιρίνης αποτελείται από τέσσερις υπομονάδες, οι οποίες συνδυάζονται σε ένα πολυμερές με μοριακό βάρος 60000-70000, RNA πολυμεράση από Ε. coliέχει πέντε υπομονάδες και η πρωτεΐνη του ιού μωσαϊκού καπνού περιέχει αρκετές χιλιάδες πανομοιότυπες υπομονάδες με μοριακό βάρος περίπου 17.500 το καθένα. Στο σχηματισμό της τεταρτοταγούς δομής συμμετέχουν δεσμοί υδρογόνου, ηλεκτροστατικές, van der Waals και υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις.

Η τετραγωνική δομή ορισμένων πρωτεϊνών χαρακτηρίζεται από μια σφαιρική διάταξη υπομονάδων (αιμοσφαιρίνη), ενώ άλλες πρωτεΐνες συνδυάζονται σε σπειροειδείς τεταρτοταγμένες δομές ανάλογα με τον τύπο της συμμετρίας βιδών (ιός μωσαϊκού καπνού). Η τετραγωνική δομή έχει δημιουργηθεί για την αιμοσφαιρίνη, τον ιό του μωσαϊκού καπνού, την πολυμεράση RNA, τη γαλακτική αφυδρογονάση, την καταλάση, την ασπαρτική καρβαμαμοϋλάση κ.λπ.

Οι πρωτεΐνες είναι οργανικές ουσίες. Αυτές οι υψηλού μοριακού χαρακτήρα ενώσεις χαρακτηρίζονται από μια ορισμένη σύνθεση και, κατά την υδρόλυση, διασπώνται σε αμινοξέα. Τα μόρια πρωτεΐνης μπορούν να εμφανιστούν σε πολλές διαφορετικές μορφές, πολλές από τις οποίες αποτελούνται από πολλές πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Οι πληροφορίες σχετικά με τη δομή μιας πρωτεΐνης κωδικοποιούνται στο DNA και η διαδικασία σύνθεσης των μορίων πρωτεΐνης ονομάζεται μετάφραση.

Χημική σύνθεση πρωτεϊνών

Η μέση πρωτεΐνη περιέχει:

52% άνθρακας;
7% υδρογόνο;
12% άζωτο;
21% οξυγόνο;
3% θείο.

Τα μόρια της πρωτεΐνης είναι πολυμερή. Για να κατανοήσουμε τη δομή τους, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ποια είναι τα μονομερή τους - αμινοξέα.

Αμινοξέα

Συνήθως χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: συμβαίνουν συνεχώς και περιστασιακά. Τα πρώτα περιλαμβάνουν 18 και 2 ακόμη αμίδια: ασπαρτικό και γλουταμινικό οξύ. Μερικές φορές υπάρχουν μόνο τρία οξέα.

Αυτά τα οξέα μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορους τρόπους: από τη φύση των πλευρικών αλυσίδων ή την επιβάρυνση των ριζοσπαστών τους, μπορούν επίσης να χωριστούν με τον αριθμό των ομάδων CN και COOH.

Δομή πρωτογενούς πρωτεΐνης

Η σειρά εναλλαγής των αμινοξέων σε μια πρωτεϊνική αλυσίδα καθορίζει τα επόμενα επίπεδα οργάνωσης, ιδιοτήτων και λειτουργιών της. Το κύριο μεταξύ των μονομερών είναι το πεπτίδιο. Σχηματίζεται από την αφαίρεση του υδρογόνου από ένα αμινοξύ και της ομάδας ΟΗ από ένα άλλο.

Το πρώτο επίπεδο οργάνωσης ενός μορίου πρωτεΐνης είναι η αλληλουχία των αμινοξέων σε αυτό, απλά μια αλυσίδα που καθορίζει τη δομή των μορίων πρωτεΐνης. Αποτελείται από έναν «σκελετό» που έχει κανονική δομή. Αυτή είναι η επαναλαμβανόμενη αλληλουχία -NH-CH-CO-. Οι μεμονωμένες πλευρικές αλυσίδες αντιπροσωπεύονται από ρίζες αμινοξέων (R), οι ιδιότητές τους καθορίζουν τη σύνθεση της δομής της πρωτεΐνης.

Ακόμα κι αν η δομή των πρωτεϊνικών μορίων είναι η ίδια, μπορεί να διαφέρουν στις ιδιότητες μόνο επειδή τα μονομερή τους έχουν διαφορετική αλληλουχία στην αλυσίδα. Η σειρά των αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη καθορίζεται από τα γονίδια και υπαγορεύει ορισμένες βιολογικές λειτουργίες στην πρωτεΐνη. Η αλληλουχία των μονομερών σε μόρια που είναι υπεύθυνα για την ίδια λειτουργία είναι συχνά παρόμοια σε διαφορετικά είδη. Τέτοια μόρια είναι πανομοιότυπα ή παρόμοια στην οργάνωση και εκτελούν τις ίδιες λειτουργίες σε διαφορετικούς τύπους οργανισμών - ομόλογες πρωτεΐνες. Η δομή, οι ιδιότητες και οι λειτουργίες των μελλοντικών μορίων έχουν καθιερωθεί ήδη στο στάδιο της σύνθεσης μιας αλυσίδας αμινοξέων.

Μερικά κοινά χαρακτηριστικά

Η δομή των πρωτεϊνών έχει μελετηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα και η ανάλυση της πρωτογενούς δομής τους έδωσε τη δυνατότητα να γίνουν ορισμένες γενικεύσεις. Ένας μεγαλύτερος αριθμός πρωτεϊνών χαρακτηρίζεται από την παρουσία και των είκοσι αμινοξέων, από τα οποία υπάρχει ιδιαίτερα πολλή γλυκίνη, αλανίνη, γλουταμίνη και λίγη τρυπτοφάνη, αργινίνη, μεθειονίνη και ιστιδίνη. Οι μόνες εξαιρέσεις είναι ορισμένες ομάδες πρωτεϊνών, για παράδειγμα, οι ιστόνες. Χρειάζονται για τη συσκευασία του DNA και περιέχουν πολλή ιστιδίνη.

Οποιοσδήποτε τύπος κίνησης των οργανισμών (μυϊκή εργασία, κίνηση πρωτοπλάσματος σε ένα κύτταρο, τρεμόπαιγμα των βλεφαρίδων στα πρωτόζωα κ.λπ.) πραγματοποιείται από πρωτεΐνες. Η δομή των πρωτεϊνών τους επιτρέπει να κινούνται και να σχηματίζουν ίνες και δακτυλίους.

Η λειτουργία μεταφοράς είναι ότι πολλές ουσίες μεταφέρονται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης μέσω ειδικών πρωτεϊνών φορέα.

Ο ορμονικός ρόλος αυτών των πολυμερών είναι αμέσως σαφής: ένας αριθμός ορμονών είναι πρωτεΐνες στη δομή, για παράδειγμα ινσουλίνη, ωκυτοκίνη.

Η λειτουργία αποθεματικού καθορίζεται από το γεγονός ότι οι πρωτεΐνες είναι σε θέση να σχηματίσουν καταθέσεις. Για παράδειγμα, η βαλγίνη του αυγού, η καζεΐνη γάλακτος, οι πρωτεΐνες των σπόρων φυτών - αποθηκεύουν μια μεγάλη ποσότητα θρεπτικών ουσιών.

Όλοι οι τένοντες, οι αρθρικοί αρθρώσεις, τα σκελετικά οστά και οι οπλές σχηματίζονται από πρωτεΐνες, γεγονός που μας φέρνει στην επόμενη λειτουργία τους - υποστήριξη.

Τα μόρια πρωτεΐνης είναι υποδοχείς, πραγματοποιώντας επιλεκτική αναγνώριση ορισμένων ουσιών. Οι γλυκοπρωτεΐνες και οι λεκτίνες είναι ιδιαίτερα γνωστές για αυτό το ρόλο.

Οι σημαντικότεροι παράγοντες της ανοσίας είναι τα αντισώματα και είναι πρωτεΐνες στην προέλευση. Για παράδειγμα, η διαδικασία της πήξης του αίματος βασίζεται σε αλλαγές στην πρωτεΐνη ινωδογόνου. Τα εσωτερικά τοιχώματα του οισοφάγου και του στομάχου είναι επενδεδυμένα με προστατευτικό στρώμα βλεννογόνων πρωτεϊνών - λυκίνες. Οι τοξίνες είναι επίσης πρωτεΐνες προέλευσης. Η βάση του δέρματος που προστατεύει το σώμα των ζώων είναι το κολλαγόνο. Όλες αυτές οι πρωτεϊνικές λειτουργίες είναι προστατευτικές.

Λοιπόν, η τελευταία λειτουργία είναι ρυθμιστική. Υπάρχουν πρωτεΐνες που ελέγχουν τη λειτουργία του γονιδιώματος. Δηλαδή, ρυθμίζουν τη μεταγραφή και τη μετάφραση.

Ανεξάρτητα από το πόσο σημαντικό παίζουν οι πρωτεΐνες ρόλου, η δομή των πρωτεϊνών ξεδιπλώθηκε από τους επιστήμονες πριν από πολύ καιρό. Και τώρα ανακαλύπτουν νέους τρόπους για να χρησιμοποιήσουν αυτή τη γνώση.

Όλες οι διεργασίες στο κύτταρο πραγματοποιούνται με τη συμμετοχή πρωτεϊνών. Οι λειτουργίες τους είναι εξαιρετικά διαφορετικές. Κάθε δεδομένη πρωτεΐνη, ως ουσία με συγκεκριμένη χημική δομή, επιτελεί μια εξαιρετικά εξειδικευμένη λειτουργία και, μόνο σε λίγες μεμονωμένες περιπτώσεις, πολλές αλληλένδετες.

Κατεβαίνοντας από το κυτταρικό στο μοριακό επίπεδο εμείς Συναντάμε τις ακόλουθες κύριες λειτουργίες των πρωτεϊνών:

1. Καταλυτική (ενζυματική) λειτουργία:Πολυάριθμες βιοχημικές αντιδράσεις σε ζωντανούς οργανισμούς συμβαίνουν κάτω από ήπιες συνθήκες σε θερμοκρασίες κοντά στους 40°C και τιμές pH κοντά στο ουδέτερο. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι ρυθμοί των περισσότερων αντιδράσεων είναι αμελητέοι, επομένως απαιτούνται ειδικοί βιολογικοί καταλύτες για την αποδεκτή εφαρμογή τους - ένζυμα.Ακόμη και μια τόσο απλή αντίδραση όπως η αφυδάτωση του ανθρακικού οξέος:

CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H +

καταλύεται από ένζυμο ανθρακική ανυδράση.Γενικά, όλες οι αντιδράσεις, με εξαίρεση την αντίδραση φωτόλυσης του νερού 2H 2 O®4H + + 4e - + O 2, καταλύονται από ένζυμα σε ζωντανούς οργανισμούς. Κατά κανόνα, τα ένζυμα είναι είτε πρωτεΐνες είτε σύμπλοκα πρωτεϊνών με μερικές συμπαράγοντας– ένα μεταλλικό ιόν ή ένα ειδικό οργανικό μόριο. Τα ένζυμα έχουν υψηλή, μερικές φορές μοναδική, επιλεκτικότητα δράσης. Για παράδειγμα, ένζυμα που καταλύουν την προσθήκη α-αμινοξέων στα αντίστοιχα t-RNA κατά τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών καταλύουν την προσθήκη μόνο L-αμινοξέων και δεν καταλύουν την προσθήκη D-αμινοξέων.

2. Λειτουργία μεταφοράς πρωτεϊνών.Οι πρωτεΐνες χρησιμεύουν για την αποθήκευση και τη μεταφορά οξυγόνου (αιμοσφαιρίνη, αιμοκυανίνη). Αυτή η λειτουργία μοιάζει με την ενζυματική, αλλά είναι διαφορετική από αυτήν γιατί Το O 2 δεν υφίσταται αλλαγές.

Πολυάριθμες ουσίες πρέπει να εισέλθουν στο κύτταρο, παρέχοντάς του δομικό υλικό και ενέργεια. Ταυτόχρονα, όλες οι βιολογικές μεμβράνες κατασκευάζονται σύμφωνα με μια ενιαία αρχή - ένα διπλό στρώμα λιπιδίων στο οποίο βυθίζονται διάφορες πρωτεΐνες, με τις υδρόφιλες περιοχές των μακρομορίων συγκεντρωμένες στην επιφάνεια των μεμβρανών και τις υδρόφοβες «ουρές» στην πάχος της μεμβράνης. Αυτή η δομή είναι αδιαπέραστη σε σημαντικά συστατικά όπως τα σάκχαρα, τα αμινοξέα και τα ιόντα αλκαλικών μετάλλων. Η διείσδυσή τους στο κύτταρο πραγματοποιείται με τη βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών μεταφοράς που ενσωματώνονται στην κυτταρική μεμβράνη.

3. Ρυθμιστικές λειτουργίες- Τα πολυπεπτίδια χαμηλού μοριακού βάρους (ινσουλίνη, οξυτοκίνη), οι ορμόνες διεγείρουν τη λειτουργική δραστικότητα στα κύτταρα άλλων ιστών και οργάνων.

4. Προστατευτική ανοσολογική λειτουργία.Το ανοσοποιητικό σύστημα έχει την ικανότητα να ανταποκρίνεται στην εμφάνιση ξένων σωματιδίων παράγοντας έναν τεράστιο αριθμό λεμφοκυττάρων που μπορούν να βλάψουν συγκεκριμένα αυτά τα σωματίδια, τα οποία μπορεί να είναι ξένα κύτταρα, όπως παθογόνα βακτήρια, καρκινικά κύτταρα, υπερμοριακά σωματίδια όπως ιοί, μακρομόρια, συμπεριλαμβανομένων των ξένων πρωτεϊνών. Μία από τις ομάδες λεμφοκυττάρων - Β λεμφοκύτταρα, παράγει ειδικές πρωτεΐνες που απελευθερώνονται στο κυκλοφορικό σύστημα που αναγνωρίζουν ξένα σωματίδια, σχηματίζοντας ένα εξαιρετικά ειδικό σύμπλεγμα σε αυτό το στάδιο καταστροφής. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι ανοσοσφαιρίνεςΑνώτεροι οργανισμοί, προστατεύουν τους από ξένα βιοπολυμερή λόγω της συγκεκριμένης δομής τους (λειτουργική ομάδα).

5.Λειτουργία αποθήκευσης, μετάδοση χημικών και ηλεκτρικών σημάτων.

6. Δομική λειτουργία.Μαζί με πρωτεΐνες που εκτελούν λεπτές, εξαιρετικά εξειδικευμένες λειτουργίες, υπάρχουν πρωτεΐνες που έχουν κυρίως δομική σημασία. Παρέχουν μηχανική αντοχή και άλλες μηχανικές ιδιότητες των μεμονωμένων ιστών των ζωντανών οργανισμών. Πρώτα από όλα αυτά κολλαγόνο- το κύριο συστατικό πρωτεΐνης της εξωκυτταρικής μήτρας του συνδετικού ιστού. Στα θηλαστικά, το κολλαγόνο αποτελεί έως και το 25% της συνολικής μάζας των πρωτεϊνών. Σε ελαστικούς ιστούς - δέρμα, τοιχώματα αιμοφόρων αγγείων, πνεύμονες - εκτός από το κολλαγόνο, η εξωκυτταρική μήτρα περιέχει πρωτεΐνη ελαστίνη, ικανό να τεντωθεί αρκετά και να επανέλθει στην αρχική του κατάσταση.

Ένα άλλο παράδειγμα δομικής πρωτεΐνης είναι ινώδεςμετάξι, που εκκρίνεται από τις κάμπιες του μεταξοσκώληκα κατά το σχηματισμό της νύμφης και είναι το κύριο συστατικό των μεταξωτών νημάτων.

7. Πρωτεΐνες κινητήρα.Η μυϊκή σύσπαση είναι μια διαδικασία κατά την οποία η χημική ενέργεια που αποθηκεύεται με τη μορφή πυροφωσφορικών δεσμών υψηλής ενέργειας σε μόρια ATP μετατρέπεται σε μηχανικό έργο. Άμεσοι συμμετέχοντες στη διαδικασία συστολής είναι δύο πρωτεΐνες - η ακτίνη και η μυοσίνη.

8. Λειτουργία υποδοχέα.Μεγάλη σημασία, ειδικά για τη λειτουργία των πολυκύτταρων οργανισμών, είναι πρωτεΐνες υποδοχέα, ενσωματωμένο στην πλασματική μεμβράνη των κυττάρων και χρησιμεύει για την αντίληψη και τη μετατροπή διαφόρων σημάτων που εισέρχονται στο κύτταρο, τόσο από το περιβάλλον όσο και από άλλα κύτταρα. Τα πιο μελετημένα είναι υποδοχείς ακετυλοχολίνης, βρίσκεται στην κυτταρική μεμβράνη σε έναν αριθμό επαφών μεταξύ των νευρώνων, συμπεριλαμβανομένου του εγκεφαλικού φλοιού, και σε νευρομυϊκές συνδέσεις. Αυτές οι πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν ειδικά με την ακετυλοχολίνη και ανταποκρίνονται μεταδίδοντας ένα σήμα στο κύτταρο. Μετά τη λήψη και τη μετάφραση ενός σήματος, ο νευροδιαβιβαστής πρέπει να αφαιρεθεί για να προετοιμαστεί το κύτταρο να λάβει το επόμενο σήμα.

9. Τοξίνες:Ένας αριθμός ζωντανών οργανισμών παράγει εξαιρετικά τοξικές ουσίες - τοξίνες - ως προστασία από πιθανούς εχθρούς. Πολλά από αυτά είναι πρωτεΐνες, ωστόσο, μεταξύ αυτών υπάρχουν και πολύπλοκα οργανικά μόρια χαμηλού μοριακού βάρους. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας ουσίας είναι η δηλητηριώδης αρχή του φρύνου - α-αμανιτίνη:Αυτή η ένωση εμποδίζει ειδικά τη σύνθεση του ευκαρυωτικού mRNA. Για τους ανθρώπους, μια θανατηφόρα δόση είναι λίγα mg αυτής της τοξίνης.

Πρωτογενής και δευτερογενής δομή πρωτεϊνών.Οι πρωτεΐνες δεν είναι στατικές οντότητες. Αυτές είναι δομές που μπορούν να υποβληθούν σε ορισμένες αλλαγές διαμόρφωσης στη διαδικασία της βιολογικής λειτουργίας. Η ανάλυση διαμόρφωσης πραγματοποιείται με βάση διαφορετικά επίπεδα οργάνωσης μορίων πρωτεϊνών. Πίσω στο 1959, ο K. Linderström-Lang προσδιόρισε τέσσερα επίπεδα δομικής οργάνωσης των πρωτεϊνών - πρωτογενή, δευτερογενή, τριτοταγή και τεταρτοταγή δομή. Αργότερα, με βάση μια σύγκριση δεδομένων από την ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ, τη θερμιδομετρία και άλλες μεθόδους, εντοπίστηκαν δύο ακόμη επίπεδα οργάνωσης - υπερδευτερογενείς δομές και πρωτεϊνικοί τομείς.

Η αλληλουχία αμινοξέων ονομάζεται πρωταρχική δομή μιας πρωτεΐνης. Η μελέτη της διάταξης των αμινοξέων στις πρωτεΐνες αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό στάδιο στη μελέτη της δομής των πρωτεϊνών. Επί του παρόντος, αυτή η ανάλυση πραγματοποιείται αυτόματα με τη χρήση συσκευών sequinator. Τα τελευταία χρόνια, έχει χρησιμοποιηθεί μια νέα μέθοδος για τον προσδιορισμό των αλληλουχιών αμινοξέων. Ένα θραύσμα DNA που περιέχει το δομικό γονίδιο μιας δεδομένης πρωτεΐνης απομονώνεται, η αλληλουχία νουκλεοτιδίων αποκρυπτογραφείται και μεταφράζεται σύμφωνα με τον γενετικό κώδικα σε μια αλληλουχία αμινοξέων. Η πρωτογενής δομή είναι μια μονοδιάστατη αναπαράσταση ενός μορίου πρωτεΐνης. Η γνώση της πρωτογενούς δομής χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη της δευτερογενούς και τριτογενούς δομής μιας πρωτεΐνης. Η ταυτόχρονη χρήση της αλληλουχίας αμινοξέων και των κρυσταλλογραφικών χαρτών της πυκνότητας ηλεκτρονίων καθιστά δυνατή την ανακατασκευή της χωρικής διάταξης όλων των ατομικών ομάδων στην πρωτεΐνη.

Σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα, η πεπτιδική ομάδα είναι επίπεδη και άκαμπτη. Μια πολυπεπτιδική αλυσίδα μπορεί να αναπαρασταθεί ως μια αλληλουχία παρόμοιων επιπέδων (ομάδων πεπτιδίων) που συνδέονται μεταξύ τους με απλούς δεσμούς. Η περιστροφή γύρω από αυτούς τους δεσμούς δεν είναι εντελώς δωρεάν λόγω στερεοχημικών περιορισμών. Η γωνία περιστροφής γύρω από τους δεσμούς C – C a συμβολίζεται με ψ και η γωνία περιστροφής γύρω από τους δεσμούς N – C a δηλώνουν φ. Ο G. Ramachandran υπολόγισε τις διαμορφωτικές καταστάσεις της πολυπεπτιδικής αλυσίδας χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή και προσδιόρισε το εύρος των πιθανών τιμών των ψ και (γραφήματα Ramachandran ή χάρτες διαμόρφωσης). Στους χάρτες διαμόρφωσης, οι τιμές των γωνιών ψ και φ στις πρωτεΐνες δεν είναι αυθαίρετες· περιορίζονται σαφώς σε συγκεκριμένες περιοχές, γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη περιορισμένου αριθμού διαμορφώσεων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.

Η δευτερογενής δομή μιας πρωτεΐνης νοείται ως η διατεταγμένη διάταξη μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας, που σταθεροποιείται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ πεπτιδικές ομάδες. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό το δομικό επίπεδο, μιλάμε για την τοπική διαμόρφωση τμημάτων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η πιο κοινή και πιο ενεργειακά και στερικά ευνοϊκή δευτερεύουσα δομή είναι η σωστή α– σπείρα, η οποία διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τους L. Pauling και R. Corey (1951). Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά α– έλικας: 1) ο αριθμός των υπολειμμάτων αμινοξέων ανά βήμα έλικας είναι 3,6. 2) βήμα έλικας d = 0,54 nm; 3) μετάφραση ανά υπόλειμμα κατά μήκος της έλικας Δd = 0,15 nm. 4) ακτίνα α– σπείρες r= 0,23 nm; 5) δεσμοί υδρογόνου (παράλληλοι προς τον άξονα της έλικας) σχηματίζονται μεταξύ κάθε πρώτης και τέταρτης ομάδας πεπτιδίων. 6) για α– σπείρες φ = -57° και ψ = -47°. Όπως φαίνεται από τη διατομή α– Η σπείρα μετατοπίζεται προς τα δεξιά κατά 60° σε κάθε στροφή. Ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας μετατόπισης, μόνο μετά από 10 περιστροφές η 1η πεπτιδική ομάδα θα συμπίπτει ακριβώς με την 36η πεπτιδική ομάδα.

Οι δευτερεύουσες δομές των μορίων πρωτεΐνης είναι παράλληλα και αντιπαράλληλα β-πτυχωμένα φύλλα (ή β-δομή). Στον διαμορφωτικό χάρτη Ramachandran για ένα β-φύλλο με αντιπαράλληλες αλυσίδες φ = -139° και ψ = +135°, για ένα στρώμα β με παράλληλη αλυσίδες φ = - 119° και ψ = +113°. Τα περισσότερα από δεν έχουν περισσότερες από έξι πολυπεπτιδικές αλυσίδες σταθεροποιημένες με δεσμούς υδρογόνου και έξι υπολείμματα αμινοξέων σε όλο το μήκος κάθε αλυσίδας. Οι διαστάσεις ενός τέτοιου φύλλου είναι: πλάτος t = 2,5 nm, μήκος l = 2,0 nm. Τα περισσότερα διπλωμένα φύλλα έχουν σχήμα ρολό. Η συστροφή είναι κάθετη στις επιμήκεις αλυσίδες.

Το επόμενο επίπεδο οργάνωσης των μορίων πρωτεΐνης είναι οι υπερδευτερογενείς δομές. Ένα παράδειγμα τέτοιων δομών είναι οι υπερέλικες δομές. Υπάρχουν δύο α– έλικες (σε τροπομυοσίνη, ελαφριά μερομυοσίνη, παραμυοσίνη) ή τρεις α -οι έλικες (στο ινωδογόνο) είναι στριμμένες μεταξύ τους. Το βήμα υπερπηνίου στην ελαφριά μερομυοσίνη είναι α= 18,6 nm. Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της τροπομυοσίνης με μια γνωστή αλληλουχία αμινοξέων, συνήχθη το συμπέρασμα ότι η υπερέλικα σταθεροποιείται από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων α - σπείρες.

Δομή πρωτογενούς αλυσίδας και σχηματισμός πρωτεϊνικών σφαιριδίων

Ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα στη φυσική των πρωτεϊνών είναι το πρόβλημα της σχέσης μεταξύ της πρωτογενούς δομής της πολυπεπτιδικής αλυσίδας και της χωρικής δομής του σφαιριδίου. Η εγγενής χωρική δομή των μακρομορίων είναι βιολογικά λειτουργική και η πρωτογενής δομή είναι γενετικά κωδικοποιημένη. Και γιατί ένα μόριο πρωτεΐνης σχηματίζει ένα σφαιρίδιο, με άλλα λόγια, γιατί μια πρωτεΐνη είναι ικανή να αυτοσυναρμολογηθεί και η πρωτεΐνη σε αυτή την κατάσταση μπορεί ήδη να εκτελέσει τις λειτουργίες της; Όπως διαπίστωσε ο Guzzo, η ειδική διάταξη των αμινοξέων έχει σημασία για τη χωρική δομή μιας πρωτεΐνης. Υπάρχουν «μη ελικοειδή» αμινοξέα που δεν μπορούν να σχηματίσουν έλικες και «ελικοειδή» αμινοξέα που μπορούν να λυγίσουν (asp, cis, tyr, ser). Η συστροφή και η διάταξη του μορίου εξαρτάται από αυτό. Και το αμινοξύ γλυκίνη είναι επίσης ιδιαίτερα σημαντικό για το σχηματισμό της χωρικής δομής της πρωτεΐνης - είναι σαν μια καθολική άρθρωση που μπορεί να καταλάβει διάφορες θέσεις.

Προς το παρόν θεωρείται ότι η αυτοοργάνωση ενός πρωτεϊνικού σφαιριδίου δεν είναι το αποτέλεσμα κάποιας κατευθυνόμενης διαδικασίας. Πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι το πρόγραμμα για αυτοοργάνωση χωρίς σφάλματα είναι κωδικοποιημένο στην ίδια την πρωτογενή δομή. Αυτοοργάνωση εμφανίζεται σε στάδια, έτσι ώστε σε κάθε επόμενο στάδιο να σχηματίζεται μια όλο και πιο περίπλοκη και σταθεροποιημένη δομή.

Τακτικές διαμορφώσεις πολυπεπτιδικών αλυσίδων που σταθεροποιούνται από δεσμούς υδρογόνου ( α και οι μορφές β) είναι σταθερές μόνο υπό ορισμένες συνθήκες.Οι αλλαγές στη θερμοκρασία, το pH και τον διαλύτη του μέσου οδηγούν σε διαμορφωτικές μεταβάσεις. Η αμερικανική Doty διαπίστωσε ότι οι μεταβάσεις Helix-Coil εμφανίζονται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Η μετάβαση χαρακτηρίζεται από αλλαγή στο ιξώδες, σκέδαση φωτός κ.λπ. Η ευκρίνεια της μετάβασης υποδεικνύει μια συνεταιριστική φύση, δηλ. Κάθε σύνδεσμος του μακρομόρου βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση με τη βοήθεια δεσμών υδρογόνου. Υπό την επίδραση των εξωτερικών παραγόντων, η συσκευασία των αλλαγών των μορίων, δηλ. διαμόρφωση.

Σύμφωνα με τον επιστήμονα Ptitsin, στο πρώτο στάδιο, σχηματίζονται κυμαινόμενοι (μεταβληθέντες, ασταθείς) πυρήνες ελικοειδών τμημάτων με επιμήκη δομή (θέσεις εικόνας) στην ξεδιπλωμένη πρωτεϊνική αλυσίδα. Στο δεύτερο στάδιο, ένα ή περισσότερα ζεύγη εμβρύων ενώνουν, σχηματίζοντας κέντρα οργάνωσης της τριτοβάθμιας δομής. Στο τρίτο στάδιο, τα κέντρα αναπτύσσονται λόγω της προσκόλλησης των γειτονικών τμημάτων της αλυσίδας.

Και στο τελευταίο, τέταρτο στάδιο, μια ενιαία συμπαγής δομή του σφαιριδίου σχηματίζεται από την ανάπτυξη ή τον συνδυασμό αρκετών κέντρων.

Τομείς πρωτεΐνης και τριτοταγής δομή

Η τριτογενή δομή μιας πρωτεΐνης είναι η θερμοδυναμικά πιο σταθερή μορφή αναδίπλωσης και αναδίπλωσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Τίθεται το ερώτημα, πώς συμβαίνει η αναδίπλωση των πρωτεϊνών, πώς οι μονοδιάστατες πληροφορίες που ενσωματώνονται στην αλληλουχία αμινοξέων πραγματοποιούνται σε χωρικές πληροφορίες; Πειράματα μετουσίωσης και μετουσίωσης πρωτεϊνών έδειξαν ότι οι διαδικασίες καταστροφής και σχηματισμού μιας συμπαγούς τριτοταγούς δομής συμβαίνουν αρκετά γρήγορα: η σταφυλοκοκκική νουκλεάση αναδιπλώνεται σε 1 δευτερόλεπτο.

Το μοντέλο πυρήνωσης χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τη διαδικασία πήξης. Αυτό το μοντέλο υποθέτει ότι μικρά τμήματα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας αναδιπλώνονται πολύ γρήγορα ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, και σε ένα δεύτερο στάδιο έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους, σχηματίζοντας μια συμπαγή τρισδιάστατη δομή. Σχηματίζονται τμήματα πρωτεΐνης α -έλικες και β-φύλλα σε μεγάλη ταχύτητα. Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι Οι μεταβάσεις σπειροειδούς πηνίου πραγματοποιούνται σε χρόνο από 10 -6 έως 10 -8 s.

Πρόσφατα, ένα άλλο σημαντικό επίπεδο δομικής οργάνωσης έχει εντοπιστεί στις πρωτεΐνες. Η ανάλυση των χαρτών πυκνότητας ηλεκτρονίων των πρωτεϊνών με μοριακό βάρος άνω των 20.000 έδειξε ότι οι πρωτεΐνες αποτελούνται από αρκετές σφαιρικές περιοχές που συνδέονται ασθενώς μεταξύ τους. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται τομείς. Οι επιμέρους τομείς μπορούν συχνά να απομονωθούν από πρωτεΐνες χρησιμοποιώντας πρωτεολυτικά ένζυμα χωρίς να χάσουν τις λειτουργικές τους ιδιότητες. Μια περιοχή ορίζεται ως μια περιοχή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας που περιέχεται σε έναν συμπαγή όγκο. Αυτά είναι τα τμήματα της αλυσίδας που κουλουριάζονται και ξεδιπλώνονται στην πρωτεΐνη ανεξάρτητα το ένα από το άλλο.

Ένας τομέας μπορεί να θεωρηθεί ως μια σχετικά αυτόνομη δομική μονάδα. Χρησιμοποιώντας μικροσκοπική σάρωση, ο Privalov έδειξε την παρουσία σε σύνθετες πρωτεΐνες μεμονωμένων συνεταιριστικών μπλοκ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από απότομες δομικές μεταβάσεις κατά τη διάρκεια της θερμικής μετουσίωσης. Αποδείχθηκε ότι Σε πολλές περιπτώσεις, τέτοιες συνεργαζόμενες πρωτεΐνες αντιστοιχούν καλά στα απομονωμένα πρωτεολυτικά θραύσματα των πρωτεϊνών. Αυτό κατέστησε δυνατό τον εντοπισμό συνεργατικών μπλοκ με πρωτεϊνικούς τομείς. Συχνά τα απομονωμένα πρωτεολυτικά θραύσματα έχουν δομικές ιδιότητες παρόμοιες με τα συνεργατικά μπλοκ, δηλ. Οι θερμοκρασίες τήξης και οι ενθαλπίες μετάπτωσης συμπίπτουν και διατηρούν επίσης τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των φυσικών πρωτεϊνών. Οι περιοχές διασυνδέονται με έναν πολύ περιορισμένο αριθμό πεπτιδικών δεσμών, οι οποίοι διασπώνται σχετικά εύκολα από πρωτεολυτικά ένζυμα.

Επί του παρόντος, χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία μικροσκοπικής σάρωσης και πρωτεολυτική διάσπαση, η δομή του τομέα σε τέτοιες πρωτεΐνες υψηλού μοριακού όπως ανοσοσφαιρίνη, μυοσίνη, ινωδογόνο κ.λπ.

Οι τομείς μπορεί να αντιπροσωπεύουν σημαντικούς ενδιάμεσους σχηματισμούς στη διαδικασία αναδίπλωσης της δομής της φυσικής πρωτεΐνης. Οι πρωτεΐνες που αποτελούνται από τομείς θα πρέπει να έχουν μια πιο εύκαμπτη δομή από τις πρωτεΐνες στις οποίες διαφορετικές περιοχές συγκρατούνται μεταξύ τους. Προφανώς , Οι αναστρέψιμες μεταβολές διαμόρφωσης που επηρεάζουν τη λειτουργία των ενζύμων συνδέονται με τις αναδιατάξεις μεταξύ των ενδιάμεσων περιοχών χωρίς να αλλάζουν τη δομική σταθερότητα των ίδιων των τομέων.

Υπόθεση λιωμένου σφαιριδίου.Ένας από τους τρόπους για να μελετηθεί η αναδίπλωση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας σε μια τρισδιάστατη δομή είναι η μετουσίωση και η επακόλουθη μετατόπιση του μορίου πρωτεϊνών.

Τα πειράματα του K. Anfinsen με ριβονουκλεάση δείχνουν σαφώς τη δυνατότητα συναρμολόγησης ακριβώς της χωρικής δομής που διαταράχθηκε ως αποτέλεσμα της μετουσίωσης.

Σε αυτή την περίπτωση, η αποκατάσταση της φυσικής διαμόρφωσης δεν απαιτεί την παρουσία πρόσθετων δομών. Ποια μοντέλα αναδίπλωσης μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας στην κατάλληλη διαμόρφωση είναι τα πιο πιθανά; Μία από τις κοινές υποθέσεις για την αυτοοργάνωση των πρωτεϊνών είναι η υπόθεση του λιωμένου σφαιριδίου. Μέσα σε αυτήν την έννοια, διακρίνονται διάφορα στάδια αυτοσυναρμολόγησης πρωτεΐνης.

1. Σε μια ξεδιπλωμένη πολυπεπτιδική αλυσίδα, με τη βοήθεια δεσμών υδρογόνου και υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, σχηματίζονται μεμονωμένα τμήματα της δευτερογενούς δομής, οι οποίες χρησιμεύουν ως σπόροι για τον σχηματισμό πλήρους δευτερογενούς και υπερηχητικών δομών.

2. Όταν ο αριθμός αυτών των τμημάτων φτάσει σε μια συγκεκριμένη τιμή κατωφλίου, εμφανίζεται ένας αναπροσανατολισμός των πλευρικών ριζών και η πολυπεπτιδική αλυσίδα μεταβαίνει σε μια νέα, πιο συμπαγή μορφή και ο αριθμός των μη ομοιοπολικών δεσμών αυξάνεται σημαντικά. Ένα χαρακτηριστικό χαρακτηριστικό αυτού του σταδίου είναι ο σχηματισμός συγκεκριμένων επαφών μεταξύ των ατόμων που βρίσκονται σε μακρινά τμήματα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, αλλά έφεραν πιο κοντά ως αποτέλεσμα του σχηματισμού της τριτοβάθμιας δομής.

3. Στο τελευταίο στάδιο σχηματίζεται η ιθαγενή διαμόρφωση του πρωτεϊνικού μορίου, που σχετίζεται με το κλείσιμο των δισουλφιδικών δεσμών και την τελική σταθεροποίηση της διαμόρφωσης της πρωτεΐνης. Είναι επίσης δυνατή η μη ειδική συσσωμάτωση μερικώς διπλωμένων πολυπεπτιδικών αλυσίδων, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν ως σφάλματα στο σχηματισμό φυσικών πρωτεϊνών. Μερικώς διπλωμένη πολυπεπτιδική αλυσίδα (στάδιο 2) ονομάζεται λιωμένο σφαιρίδιο, και το στάδιο 3 είναι η πιο αργή στο σχηματισμό ώριμης πρωτεΐνης.

Τα κύτταρα περιέχουν έναν αριθμό καταλυτικά ανενεργών πρωτεϊνών, οι οποίες, ωστόσο, συμβάλλουν σημαντικά στο σχηματισμό των δομών πρωτεϊνών του χώρου. Αυτά είναι τα λεγόμενα chapirones και chapironins. Ένας από τους ανακαλυπτές των μοριακών chapirons, ο L. Ellis, τους αποκαλεί λειτουργική κατηγορία άσχετων οικογενειών πρωτεϊνών που βοηθούν στη σωστή μη ομοιοπολική συναρμολόγηση άλλων δομών που περιέχουν πολυπεπτίδια in vivo, αλλά δεν αποτελούν μέρος των συναρμολογημένων δομών και δεν συμμετέχουν στην υλοποίηση των φυσιολογικών φυσιολογικών λειτουργιών τους.

Οι chapirones βοηθούν στη σωστή συναρμολόγηση της τρισδιάστατης πρωτεϊνικής διαμόρφωσης σχηματίζοντας αναστρέψιμα μη ομοιοπολικά σύμπλοκα με τη μερικώς διπλωμένη πολυπεπτιδική αλυσίδα, ενώ ταυτόχρονα αναστέλλουν κακοσχηματισμένους δεσμούς που οδηγούν στο σχηματισμό λειτουργικά ανενεργών πρωτεϊνικών δομών. Ο κατάλογος των χαρακτηριστικών λειτουργιών των chapirones περιλαμβάνει την προστασία των τηγμένων σφαιριδίων από τη συσσώρευση, καθώς και τη μεταφορά νεοσυντιθεμένων πρωτεϊνών σε διάφορους κυτταρικούς τόπους. Οι chapirones είναι κυρίως πρωτεΐνες θερμικού σοκ, η σύνθεση των οποίων αυξάνεται έντονα κάτω από την αγχωτική έκθεση σε θερμοκρασία. Οι οικογένειες αυτών των πρωτεϊνών βρίσκονται σε μικροβιακά, φυτικά και ζωικά κύτταρα. Η ταξινόμηση των chapirones βασίζεται στο μοριακό τους βάρος, το οποίο κυμαίνεται από 10 έως 90 kDa. Βασικά, οι λειτουργίες των chapirones και chapironins διαφέρουν, αν και και οι δύο είναι πρωτεΐνες που βοηθούν στο σχηματισμό της τρισδιάστατης δομής των πρωτεϊνών. Οι chapirones διατηρούν τη νεοσυντιθέμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα σε μια ξεδιπλωμένη κατάσταση, εμποδίζοντάς την να αναδιπλωθεί σε μια μορφή διαφορετική από την φυσική, και οι chapironins παρέχουν τις συνθήκες για το σχηματισμό της μόνης σωστής, φυσικής δομής πρωτεΐνης.

Τεταρτοταγής δομή πρωτεϊνών

Ο σχηματισμός χαοτικά σχηματισμένων συσσωματωμάτων είναι ένα σφάλμα που οδηγεί στην εμφάνιση λειτουργικά ανενεργών πρωτεϊνών· επομένως, τα κύτταρα διαθέτουν μηχανισμούς για την ταχεία αποδόμησή τους και διάσπαση σε μεμονωμένα αμινοξέα. Ωστόσο, στη φύση υπάρχουν πολλά γενετικά καθορισμένα συσσωματώματα που περιλαμβάνουν αρκετές πολυπεπτιδικές αλυσίδες που σχηματίζουν μεγάλα μακρομόρια πρωτεΐνης. Η τεταρτοταγής δομή αναφέρεται σε δύο ή περισσότερες χωρικά προσανατολισμένες υπομονάδες που συνδέονται μεταξύ τους. Προφανώς, σε σχέση με την τεταρτοταγή δομή των πρωτεϊνών, είναι πιο σωστό να μην μιλάμε για συσσωματώματα, αλλά για σύνολα σφαιριδίων. Κατά τον χαρακτηρισμό της τεταρτοταγούς δομής των πρωτεϊνών, οι ψευδοπαραλλαγές της θα πρέπει να αποκλείονται. Έτσι, η πρωτεϊνική ορμόνη ινσουλίνη αποτελείται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες, οι οποίες όμως δεν είναι πλήρη σφαιρίδια, αλλά σχηματίζονται ως αποτέλεσμα περιορισμένης πρωτεόλυσης μιας μοναδικής πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Τα πολυενζυμικά σύμπλοκα δεν είναι πρωτεΐνες με αληθινή τεταρτοταγή δομή. Είναι τυπικές υπερμοριακές δομές. Κατά το σχηματισμό μιας τεταρτοταγούς δομής, μεμονωμένες υπομονάδες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αποκλειστικά μέσω μη ομοιοπολικών δεσμών, κυρίως υδρογόνου και υδρόφοβων. Ένα πολύ σημαντικό γεγονός είναι ότι οι επιφάνειες επαφής των υπομονάδων που αλληλεπιδρούν είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους. Στις περιοχές επαφής υπάρχουν υδρόφοβες ομάδες, οι οποίες ονομάζονται «κολλώδη σημεία».

Ο αμοιβαίος προσανατολισμός των ηλεκτραρνητικών ατόμων, που διευκολύνεται από την παρουσία συμπληρωματικών θέσεων, συμβάλλει στο σχηματισμό μεγάλου αριθμού δεσμών υδρογόνου. Αυτό εξασφαλίζει την εφαρμογή του συνεργατικού αποτελέσματος και τη σταθεροποίηση του μακρομορίου. Επιπλέον, η πολλαπλότητα των μη ομοιοπολικών δεσμών είναι η βάση για τη μεταφορά των δομικών ανακατατάξεων από τη μια υπομονάδα στην άλλη.

Οι πρωτεΐνες με τεταρτοταγή δομή ονομάζονται συχνά ολιγομερείς. Διακρίνω ομομερήςΚαι ετερομερήςπρωτεΐνες. Οι ομομερείς πρωτεΐνες είναι πρωτεΐνες στις οποίες όλες οι υπομονάδες έχουν την ίδια δομή. Ένα παράδειγμα είναι η πρωτεϊνική καταλάση, η οποία αποτελείται από τέσσερις απολύτως ισοδύναμες υπομονάδες. Στις ετερομερείς πρωτεΐνες, οι μεμονωμένες υπομονάδες όχι μόνο διαφέρουν ως προς τη δομή, αλλά μπορούν επίσης να εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Για παράδειγμα, η πρωτεΐνη πολυμεράσης RNA αποτελείται από πέντε υπομονάδες διαφορετικών δομών και με άνισες λειτουργίες.

Η πρωτογενής δομή, ήδη γνωστή σε εμάς από το κεφάλαιο για τα πεπτίδια (Κεφάλαιο 4), αναφέρεται στην αλληλουχία αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα (ή αλυσίδες) και στη θέση των δισουλφιδικών δεσμών, εάν υπάρχουν.

Δευτερεύουσα δομή

Σε αυτό το δομικό επίπεδο, περιγράφονται οι στερεοχημικές σχέσεις μεταξύ αμινοξέων που βρίσκονται κοντά στο άλλο κατά μήκος της αλυσίδας. Η δευτερεύουσα δομή μπορεί να είναι τακτική (α -έλικα, διπλωμένη -layer) ή να μην δείχνει σημάδια κανονικότητας (διαταραγμένη διαμόρφωση).

Τριτογενής δομή

Η γενική διάταξη, η αμοιβαία διάταξη διαφόρων περιοχών, περιοχών και μεμονωμένων υπολειμμάτων αμινοξέων μιας μοναδικής πολυπεπτιδικής αλυσίδας ονομάζεται τριτοταγής δομή μιας δεδομένης πρωτεΐνης. Είναι αδύνατο να χαράξουμε ένα σαφές όριο μεταξύ των δευτερογενών και τριτοταγών δομών, ωστόσο, η τριτοταγής δομή νοείται ως στερεοχημικές σχέσεις μεταξύ υπολειμμάτων αμινοξέων που απέχουν πολύ το ένα από το άλλο κατά μήκος της αλυσίδας.

Τεταρτογενής δομή

Εάν οι πρωτεΐνες αποτελούνται από δύο ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες συνδεδεμένες μεταξύ τους με μη ομοιοπολικούς (όχι πεπτιδικούς ή δισουλφιδικούς) δεσμούς, τότε λέγεται ότι έχουν τεταρτοταγή δομή. Τέτοια συσσωματώματα σταθεροποιούνται με δεσμούς υδρογόνου και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ υπολειμμάτων που βρίσκονται στην επιφάνεια των πολυπεπτιδίων αλυσίδων. Τέτοιες πρωτεΐνες ονομάζονται ολιγομερή και οι μεμονωμένες πολυπεπτιδικές αλυσίδες που τις κάνουν επάνω ονομάζονται πρωτόμετρα, μονομερή ή υπομονάδες.

Πολλές ολιγομερές πρωτεΐνες περιέχουν δύο ή τέσσερα πρωτόμετρα και ονομάζονται διμερή ή τετραμερή, αντίστοιχα. Τα ολιγομερή που περιέχουν περισσότερα από τέσσερα πρωτόνια είναι αρκετά κοινά, ειδικά μεταξύ των ρυθμιστικών πρωτεϊνών (για παράδειγμα, της τρανσκαρβαμοϋλάσης). Οι ολιγομερείς πρωτεΐνες παίζουν ιδιαίτερο ρόλο στην ενδοκυτταρική ρύθμιση: τα πρωτομερή τους μπορούν να αλλάξουν ελαφρώς τον αμοιβαίο προσανατολισμό τους, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγές στις ιδιότητες του ολιγομερούς. Το πιο μελετημένο παράδειγμα είναι η αιμοσφαιρίνη (κεφάλαιο 16).

Ο ρόλος της πρωτογενούς δομής στο σχηματισμό υψηλότερων επιπέδων δομικής οργάνωσης πρωτεϊνών

Οι δευτερογενείς και τριτοταγείς δομές μιας πρωτεΐνης σχηματίζονται αυθόρμητα και καθορίζονται από την πρωτογενή δομή της πολυπεπτιδικής αλυσίδας της. Παράλληλα με τη σύνθεση της αλυσίδας, συμβαίνει τοπική αναδίπλωση (σχηματισμός δευτερεύουσας δομής) και ειδική συσσώρευση διπλωμένων τμημάτων (σχηματισμός τριτογενούς δομής). Αυτές οι διαδικασίες προσδιορίζονται από χημικές ομάδες που εκτείνονται από τα άτομα α-άνθρακα των αντίστοιχων υπολειμμάτων. Για παράδειγμα, η επεξεργασία του ενζύμου μονομερούς ριβονουκλεάσης με έναν ήπιο αναγωγικό παράγοντα (f-μερκαπτοαιθανόλη) και έναν παράγοντα μετουσίωσης (ουρία ή γουανιδίνη, βλέπε παρακάτω) οδηγεί σε αδρανοποίηση της πρωτεΐνης και μετάβασή της σε διαταραγμένη διαμόρφωση. Εάν ο παράγοντας μετουσίωσης αφαιρεθεί αργά και πραγματοποιηθεί σταδιακή επαναοξείδωση, σχηματίζονται ξανά δεσμοί S-S και πρακτικά αποκαθίσταται η ενζυματική δραστηριότητα. Δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι υπάρχει ανεξάρτητος γενετικός έλεγχος στο σχηματισμό επιπέδων δομικής οργάνωσης πρωτεΐνης πάνω από το πρωτογενές, αφού η πρωτογενής δομή καθορίζει συγκεκριμένα τη δευτερογενή, τριτογενή και τεταρτοταγή δομή (αν υπάρχει) - δηλ. πρωτεϊνική διαμόρφωση. Η φυσική διαμόρφωση μιας πρωτεΐνης, ιδιαίτερα της ριβονουκλεάσης, είναι προφανώς η θερμοδυναμικά πιο σταθερή δομή υπό δεδομένες συνθήκες, δηλ. δεδομένων των υδρόφιλων και υδρόφοβων ιδιοτήτων του μέσου.

Η δομή μιας πρωτεΐνης μετά τη σύνθεσή της μπορεί να τροποποιηθεί (μετα-μεταφραστική επεξεργασία). Έτσι, συχνά παρατηρείται ο μετασχηματισμός του προενζύμου σε καταλυτικά ενεργή μορφή ή η αφαίρεση της αλληλουχίας «καθοδηγητή» που καθορίζει τη μεταφορά των πρωτεϊνών μέσω των μεμβρανών (Κεφάλαιο 42).

Μακρομοριακά συμπλέγματα πρωτεϊνών

Πολυλειτουργικά μακρομοριακά σύμπλοκα, που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της συσσωμάτωσης διαφόρων λειτουργικών πρωτεϊνών, καθεμία από τις οποίες έχει και τα τέσσερα επίπεδα δομικής οργάνωσης, λειτουργούν στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (Κεφάλαιο 12), συμμετέχουν στη βιοσύνθεση λιπαρών οξέων (Κεφάλαιο 23) και μεταβολισμός πυροσταφυλικού (Κεφάλαιο 18).