Sposobnost proteinskih molekula da zadrže svoju strukturu. Kolegij “Molekularni temelji životnih procesa. Zadatci za izvannastavni rad

Svaki protein se temelji na polipeptidnom lancu. Nije samo izdužena u prostoru, već organizirana u trodimenzionalnu strukturu. Stoga postoji koncept 4 razine prostorne organizacije proteina, a to su primarna, sekundarna, tercijarna i kvaternarna struktura proteinskih molekula.

PRIMARNA STRUKTURA

Primarna struktura proteina- niz fragmenata aminokiselina čvrsto (i tijekom cijelog razdoblja postojanja proteina) povezanih peptidnim vezama. Postoji poluživot proteinskih molekula – za većinu proteina, oko 2 tjedna. Ako se barem jedna peptidna veza prekine, tada nastaje drugi protein.

SEKUNDARNA STRUKTURA

Sekundarna struktura je prostorna organizacija jezgre polipeptidnog lanca. Postoje 3 glavne vrste sekundarne strukture:

1) Alfa spirala - ima određene karakteristike: širinu, razmak između dva zavoja spirale. Proteine karakterizira desnokretna spirala. Postoji 36 aminokiselinskih ostataka na 10 zavoja u ovoj spirali. Za sve peptide raspoređene u takvu spiralu, ova spirala je apsolutno ista. Alfa spirala je fiksirana pomoću vodikovih veza između NH skupina jednog zavoja spirale i C=O skupina susjednog zavoja. Ove vodikove veze nalaze se paralelno s osi spirale i ponavljaju se mnogo puta, stoga čvrsto drže strukturu spirale. Štoviše, drže se u pomalo napetom stanju (poput stisnute opruge).

Struktura beta nabora - ili struktura presavijenog lista. Također je fiksiran vodikovim vezama između C=O i NH skupina. Fiksira dva dijela polipeptidnog lanca. Ti krugovi mogu biti paralelni i antiparalelni. Ako se takve veze stvaraju unutar istog peptida, onda su uvijek antiparalelne, a ako između različitih polipeptida, onda su paralelne.

3) Nepravilna struktura - vrsta sekundarne strukture u kojoj raspored različitih dijelova polipeptidnog lanca jedan u odnosu na drugi nije pravilan (konstantan), stoga nepravilne strukture mogu imati različite konformacije.

TERCIJARNA STRUKTURA

Ovo je trodimenzionalna arhitektura polipeptidnog lanca - poseban relativni raspored u prostoru spiralnih, presavijenih i nepravilnih dijelova polipeptidnog lanca. Različiti proteini imaju različite tercijarne strukture. U formiranju tercijarne strukture sudjeluju disulfidne veze i svi slabi tipovi veza.

Postoje dvije općenite vrste tercijarne strukture:

1) U fibrilarnim proteinima (na primjer, kolagen, elastin), čije molekule imaju izduženi oblik i obično tvore strukture vlaknastog tkiva, tercijarna struktura je predstavljena ili trostrukom alfa spiralom (na primjer, u kolagenu) ili beta- nabrane strukture.

2) U globularnim proteinima, čije molekule imaju oblik lopte ili elipse (latinski naziv: GLOBULA - lopta), nalazi se kombinacija sva tri tipa struktura: uvijek postoje nepravilni regioni, postoje beta-list strukture. i alfa spirale.

Tipično, u globularnim proteinima, hidrofobna područja molekule nalaze se duboko u molekuli. Međusobnim spajanjem hidrofobni radikali tvore hidrofobne klastere (centre). Formiranje hidrofobnog klastera prisiljava molekulu da se savija u prostoru u skladu s tim. Tipično, globularna proteinska molekula sadrži nekoliko hidrofobnih nakupina duboko unutar molekule. Ovo je manifestacija dualnosti svojstava proteinske molekule: na površini molekule postoje hidrofilne skupine, stoga je molekula kao cjelina hidrofilna, au dubini molekule skriveni su hidrofobni radikali.

KVARTERNA STRUKTURA

Ne nalazi se u svim proteinima, već samo u onima koji se sastoje od dva ili više polipeptidnih lanaca. Svaki takav lanac naziva se podjedinica dane molekule (ili protomera). Stoga se proteini s kvaternarnom strukturom nazivaju oligomerni proteini. Molekula proteina može sadržavati identične ili različite podjedinice. Na primjer, molekula hemoglobina "A" sastoji se od dvije podjedinice jedne vrste i dvije podjedinice druge vrste, odnosno, to je tetramer. Kvarterne strukture proteina fiksirane su svim vrstama slabih veza, a ponekad i disulfidnim vezama.

KONFIGURACIJA I KONFORMACIJA PROTEINSKE MOLEKULE

Iz svega rečenog možemo zaključiti da je prostorna organizacija proteina vrlo složena. U kemiji postoji koncept - prostorna konfiguracija - prostorni relativni raspored dijelova molekule kruto fiksiranih kovalentnim vezama (na primjer: pripadaju L-seriji stereoizomera ili D-seriji).

Za proteine se također koristi koncept konformacije proteinske molekule - određeni, ali ne zamrznuti, ne nepromjenjivi relativni raspored dijelova molekule. Budući da se konformacija proteinske molekule formira uz sudjelovanje slabih vrsta veza, ona je mobilna (sposobna za promjenu), a protein može promijeniti svoju strukturu. Ovisno o uvjetima okoliša, molekula može postojati u različitim konformacijskim stanjima, koja lako prelaze jedna u drugu. Energetski povoljno za stvarne uvjete je samo jedno ili više konformacijskih stanja između kojih postoji ravnoteža. Prijelazi iz jednog konformacijskog stanja u drugo osiguravaju funkcioniranje proteinske molekule. To su reverzibilne konformacijske promjene (nalaze se u tijelu, na primjer, tijekom provođenja živčanog impulsa, tijekom prijenosa kisika hemoglobinom). Kada se konformacija promijeni, neke od slabih veza se uništavaju i stvaraju se nove slabe veze.

LIGANDI

Interakcija proteina s nekom tvari ponekad dovodi do vezanja molekule te tvari s molekulom proteina. Ovaj fenomen je poznat kao "sorpcija" (vezivanje). Obrnuti proces - otpuštanje druge molekule iz proteina - naziva se "desorpcija".

Ako za bilo koji par molekula proces sorpcije prevladava nad desorpcijom, tada je to već specifična sorpcija, a tvar koja se sorbira naziva se "ligand".

Vrste liganada:

1) Ligand proteina enzima je supstrat.

2) Transportni protein ligand – transportirana tvar.

3) Antitijelo (imunoglobulin) ligand – antigen.

4) Ligand hormonskog ili neurotransmiterskog receptora – hormon ili neurotransmiter.

Protein može promijeniti svoju konformaciju ne samo u interakciji s ligandom, već i kao rezultat bilo koje kemijske interakcije. Primjer takve interakcije je dodavanje ostatka fosforne kiseline.

U prirodnim uvjetima proteini imaju nekoliko termodinamički povoljnih konformacijskih stanja. To su izvorna stanja (prirodna). Natura (lat.) – priroda.

NATIVNOST MOLEKULE PROTEINA

Nativnost je jedinstveni kompleks fizikalnih, fizikalno-kemijskih, kemijskih i bioloških svojstava proteinske molekule, koji joj pripada kada je proteinska molekula u svom prirodnom, prirodnom (nativnom) stanju.

Na primjer: protein očne leće - kristalin - visoko je proziran samo u svom prirodnom stanju).

DENATURACIJA PROTEINA

Izraz denaturacija se koristi za označavanje procesa kojim se gube izvorna svojstva proteina.

Denaturacija je lišavanje proteina njegovih prirodnih, prirodnih svojstava, popraćeno uništavanjem kvaternarne (ako je postojala), tercijarne, a ponekad i sekundarne strukture proteinske molekule, što se događa kada su uključeni disulfidni i slabi tipovi veza. u formiranju te strukture su uništene. Primarna struktura je sačuvana jer je tvore jake kovalentne veze. Uništenje primarne strukture može se dogoditi samo kao rezultat hidrolize proteinske molekule produljenim kuhanjem u otopini kiseline ili lužine.

ČIMBENICI DENATURACIJE PROTEINA

Čimbenike koji uzrokuju denaturaciju proteina možemo podijeliti na fizikalne i kemijske.

Fizički faktori

1. Visoke temperature. Različiti proteini imaju različitu osjetljivost na toplinu. Neki proteini denaturiraju se već na 40-50°C. Takve se bjelančevine nazivaju termolabilan. Drugi proteini denaturiraju na mnogo višim temperaturama, oni jesu termostabilan.

2. Ultraljubičasto zračenje

3. X-zrake i radioaktivna izloženost

4. Ultrazvuk

5. Mehanički utjecaj (na primjer, vibracije).

Kemijski faktori

1. Koncentrirane kiseline i lužine. Na primjer, trikloroctena kiselina (organska), dušična kiselina (anorganska).

2. Soli teških metala (na primjer, CuSO 4).

3. Organska otapala (etilni alkohol, aceton)

4. Biljni alkaloidi.

5. Urea u visokim koncentracijama

5. Ostale tvari koje mogu razbiti slabe vrste veza u proteinskim molekulama.

Izlaganje faktorima denaturacije koristi se za sterilizaciju opreme i instrumenata, kao i kao antiseptici.

Reverzibilnost denaturacije

U epruveti (in vitro) to je najčešće ireverzibilan proces. Ako se denaturirani protein stavi u uvjete bliske nativnim, tada se može renaturirati, ali vrlo sporo, a ova pojava nije tipična za sve proteine.

In vivo, u tijelu, moguća je brza renaturacija. To je zbog proizvodnje specifičnih proteina u živom organizmu koji "prepoznaju" strukturu denaturiranog proteina, pričvršćuju se na njega pomoću slabih vrsta veza i stvaraju optimalne uvjete za renaturaciju. Ovi specifični proteini poznati su kao "proteini toplinskog šoka" ili "proteini stresa".

Proteini stresa

Postoji nekoliko obitelji ovih proteina, razlikuju se po molekularnoj težini.

Na primjer, poznat je protein hsp 70, protein toplinskog udara mase 70 kDa.

Takvi se proteini nalaze u svim stanicama tijela. Oni također obavljaju funkciju prijenosa polipeptidnih lanaca kroz biološke membrane i sudjeluju u formiranju tercijarnih i kvarternih struktura proteinskih molekula. Navedene funkcije stresnih proteina nazivaju se šaperonskim funkcijama. Pod različitim vrstama stresa potiče se sinteza takvih proteina: kod pregrijavanja organizma (40-44°C), tijekom virusnih bolesti, trovanja solima teških metala, etanolom itd.

U tijelu južnih naroda utvrđen je povećan sadržaj proteina stresa u odnosu na sjevernu rasu.

Molekula proteina toplinskog šoka sastoji se od dvije kompaktne kuglice povezane labavim lancem:

Različiti proteini toplinskog šoka imaju zajednički plan izgradnje. Sve sadrže domene kontakata.

Različiti proteini s različitim funkcijama mogu sadržavati iste domene. Na primjer, različiti proteini koji vežu kalcij imaju istu domenu za sve njih, koja je odgovorna za vezanje Ca +2.

Uloga strukture domene je da proteinu pruža veće mogućnosti za obavljanje njegove funkcije zbog kretanja jedne domene u odnosu na drugu. Područja spajanja dviju domena strukturno su najslabija mjesta u molekuli takvih proteina. Tu najčešće dolazi do hidrolize veze i uništavanja proteina.

Jelovnik

Prostor
Geografija
ljudski
Priča
Biologija
Psihologija

Oglašavanje

AA su monomerni strukturne jedinice proteinske molekule koje čine polipeptidni lanac. AA se mogu naći u dva prostorna oblika: L- I D-. Ovi oblici su zrcalno simetrični. U njima masivni bočni radikal R i H-atom na α-ugljiku mijenjaju mjesta. Samo glicin, čiji se bočni lanac sastoji od H atoma, nema ove oblike. Bočni lanci se sastoje od ostataka L- aminokiseline, samo su one kodirane genima. D-ostaci nisu kodirani tijekom sinteze proteina matriksa, već ih sintetiziraju posebni enzimi. Recemizacija(prijelaz L- u D-) praktički se ne događa tijekom biosinteze, kao ni spontano u proteinima, ali se često događa tijekom kemijske sinteze peptida.

Molekula proteina karakterizira prisutnost jakih kovalentni i relativno slab nekovalentne veze. Ova kombinacija kovalentnih i nekovalentnih veza daje proteinskoj molekuli određenu snagu i dinamičnost tijekom njezina funkcioniranja (slika 1).

a – elektrostatska interakcija; b – vodikove veze; c – interakcija nepolarnih bočnih lanaca uzrokovana potiskivanjem hidrofobnih radikala u “suhu” zonu od strane molekula otapala; d – disulfidne veze (dvostruko zakrivljena linija označava okosnicu polipeptidne veze).

Slika 1 – Vrste veza u proteinskoj molekuli (prema Filippovichu).

Kovalentna veze u proteinskoj molekuli mogu biti dvije vrste - peptid i disulfid. AA u proteinskom lancu su međusobno povezane peptid veze S I N atomi. Peptidna ili kiselinska amidna veza ( -CO-NH-), jest tipična kovalentna veza. Peptidna veza nastaje kada karboksilna skupina jedne aminokiseline stupa u interakciju s amino skupinom druge. Slobodne amino i karboksilne skupine formiranog dipeptida mogu ponovno ući u reakciju polikondenzacije s novim molekulama AA, tvoreći visokomolekularni spoj. Dakle, uz pomoć peptidne veze, aminokiselinski ostaci su povezani jedni s drugima, tvoreći pravilnu okosnicu proteinske molekule, od koje se protežu različite bočne skupine (R 1 ... R M). Broj jedinica bočnog lanca (M) kodiran je genom i kreće se od nekoliko desetaka do više tisuća. U procesu biosinteze proteina, pojedini aminokiselinski ostaci međusobno su povezani u linearnom nizu:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Spojevi koji nastaju kao rezultat kondenzacije nekoliko AA nazivaju se peptidi(di-, tri-, tetrapeptidi, itd.). Peptidi mogu sadržavati ne samo proteinogene, već i neproteinogene AA. Peptidi igraju važnu ulogu kao intermedijeri u metabolizmu, a mnogi od njih su fiziološki vrlo aktivni spojevi. U peptide spadaju neki antibiotici (gramicidin, liheniformin), hormoni (inzulin, oksitacin, vazopresin) i toksini (amanitini). Peptidi mogu biti zatvoreni polipeptidni lanac, tj. mogu biti ciklopeptidi, a neki čak imaju i bicikličku strukturu. Među ciklopeptidima postoje vrlo otrovne tvari (otrovna gljiva žabokrečina ( Amanita phalloides).

Nazivi peptida određeni su nazivima AA uključenih u njegov sastav, navedenim redom, počevši od N-kraja, i sufiksom -in- u nazivima svih AA, s izuzetkom C-terminalnog. , koji ima slobodnu COOH skupinu (karboksil), zamjenjuje se sufiksom -il. Na primjer, ako u formiranju triju peptida sudjeluju dvije molekule alanina i jedna molekula glicina, tripeptid se naziva alanilalanilglicin ili alaalagli. Aminokiseline su skraćeno troslovnim simbolima (tablica 1).

Tablica 1 - Kratice za aminokiseline

Oni igraju važnu ulogu u stabilizaciji prostorne strukture proteinske molekule. kovalentne disulfidne veze (-S-S-), koji nastaju kao rezultat oksidacije sulfhidrilnih skupina cisteinskih ostataka. Disulfidne veze mogu nastati između cisteinskih ostataka dva polipeptidna lanca ili dva cisteinska ostatka jednog polipeptidnog lanca, stabilizirajući određenu konformaciju proteinske molekule. Oni igraju značajnu ulogu u stabilizaciji konformacije proteinske molekule nekovalentne veze I interakcije. To uključuje hidrofobne, elektrostatske, ionske interakcije, kao i vodikove veze. Oni podupiru prostornu strukturu proteina puno slabije od kemijskih veza koje fiksiraju slijed monomera (AA) u lancu proteina.

Hidrofobna interakcija nastaje kada se spoje hidrofobni ugljikovodik i aromatski radikali nekih aminokiselina (alanin, valin, leucin, izoleucin, fenilalanin i triptofan). Proces hidrofobne interakcije može se prikazati kao kretanje nepolarnih skupina polipeptidnog lanca (metil -CH 3, etil -C 2 H 5, fenil -C 6 H 6) iz vode u hidrofobne regije nastale uslijed udruživanje ovih grupa. Kao rezultat tog kretanja, nepolarne skupine se pojavljuju u neposrednoj blizini jedna drugoj u unutrašnjosti molekule, a hidrofilne skupine nalaze se na površini iu kontaktu su s vodom.

Vodikove veze nastaje između atoma vodika kovalentno vezanih na atom koji sadrži usamljeni par elektrona ili drugi elektronegativni atom. U biološkim strukturama vodikovu vezu najčešće tvori atom vodika vezan na kisik ili dušik. Vodikove veze mogu biti unutarlančane i međulančane. Unutarlančane vodikove veze stabiliziraju α-spiralne strukture, a međulančane vodikove veze stabiliziraju β-pločaste strukture.

Ionske (solne) veze. Pretpostavlja se da nastaju između disociranih slobodnih karboksilnih skupina (COO -) monoaminodikarboksilnih aminokiselina (glutaminske i asparaginske) i protoniranih slobodnih amino skupina (NH3+) diamino-monokarboksilnih aminokiselina. Ionske veze mogu biti unutarlančane i međulančane.

Razine strukturne organizacije molekule vjeverica. Funkcionalna svojstva proteina određena su slijedom AK i njihovom prostornom strukturom. S ovog gledišta postoje četiri razine: primarne, sekundarne, tercijarne i kvartarne strukture.

Pod, ispod primarna struktura razumjeti kvalitativni i kvantitativni sastav AK, kao i njihov redoslijed rasporeda u polipeptidnim lancima proteinske molekule. Molekula proteina može imati jedan ili više polipeptidnih lanaca. Na primjer, molekula enzima ribonukleaze predstavlja jedan polipeptidni lanac koji ima osam cisteinskih ostataka koji tvore četiri intramolekularne disulfidne veze. Hormon inzulin sastoji se od dva polipeptidna lanca povezana disulfidnim mostovima između cisteinskih ostataka.

Sekundarna struktura pokazuje prostornu konfiguraciju proteinske molekule. Postoje tri tipa sekundarne strukture: α-spiralna, β-nabrana i kolagenska spirala.

Imaju važnu ulogu u stabilizaciji sekundarne strukture. vodikove veze, koji nastaju između atoma vodika povezanog s elektronegativnim atomom dušika jedne peptidne veze i karbonilnog atoma kisika četvrte aminokiseline iz njega, a usmjereni su duž osi zavojnice. Izračuni energije pokazuju da je desna α-heliks učinkovitija (slika 2). Fibrilarni α-keratini (vuna, koža, perje) sastoje se od nekoliko polipeptidnih lanaca koji imaju desnu konfiguraciju α-spirale i tvore snažne superspirale koje obavljaju mehaničke funkcije.

Slika 2 – α-spiralna konfiguracija strukture proteina

Druga vrsta proteinske sekundarne strukture naziva se struktura β-lista ili β-nabrani sloj. Na sl. Slika 3 prikazuje model takve konstrukcije (a – pogled sa strane, b – pogled odozgo). Točke na slici prikazuju međulančani vodik-

Slika 3 – Konfiguracija β-listova strukture proteina

nove veze. Ovakvim prostornim rasporedom nastaje sustav paralelnih i antiparalelnih fragmenata jednog ili više polipeptidnih lanaca. Polipeptidni lanci u rasporedima potpuno su izduženi. Nabori se pojavljuju zbog činjenice da ravnine dviju susjednih peptidnih veza tvore određeni kut. Sustav je stabiliziran poprečnim vodikovim vezama između lanaca koji se nalaze okomito na orijentaciju polipeptidnih veza. Razmak između lanaca je 0,95 nm, a period identičnosti duž lanca je 0,70 nm za paralelne lance i 0,65 nm za antiparalelne. Ova struktura je karakteristična za fibrilarne proteine (β-keratin, fibroin itd.). Konkretno, β-keratin karakterizira paralelni raspored polipeptidnih lanaca, koji su dodatno stabilizirani međulančanim S-S vezama. U fibroinu svile, susjedni polipeptidni lanci su antiparalelni.

Treći tip sekundarne strukture je kolagena spirala. Sastoji se od tri spiralna lanca u obliku šipke promjera 1,5 nm i duljine oko 300 nm. Spiralni se lanci uvijaju jedan oko drugog i tvore superheliks. Udaljenost između dva AK ostatka duž osi zavojnice je 0,29 nm, a po zavoju zavojnice dolazi 3,3 ostatka. Kolagenska spirala je stabilizirana vodikovim vezama koje nastaju između vodika peptidnih NH skupina AA ostataka jednog lanca i kisika CO skupina AA ostataka drugog lanca. Ova struktura daje proteinu visoku elastičnost i snagu.

Tercijarna struktura. Većina proteina u nativnom stanju ima vrlo kompaktnu strukturu, što je određeno veličinom, oblikom, polaritetom AK radikala, kao i AK sekvencom (slika 4). Formiranje prirodne globularne strukture je višekomponentni proces koji se temelji na različitim vrstama nekovalentnih interakcija. Transformacija razmotanog polipeptidnog lanca u kompaktnu molekulu popraćena je hidrofobnim interakcijama ugljikovodičnih radikala takvih aminokiselina kao što su leucin, izoleucin, fenilalanin, triptofan, koji su dovoljno udaljeni jedni od drugih u polipeptidnom lancu. Gotovo svi su nepolarni ili hidrofobnih radikala Ovi AK-ovi se nalaze unutar globule i osiguravaju stabilnost njezine strukture. Polarni ili ionski radikali (osobito asparaginska i glutaminska kiselina, arginin i lizin) nalaze se na vanjskoj površini molekule i nalaze se u hidratiziranom stanju. Na mjestima gdje je polipeptidni lanac savijen, lokalizirani su ostaci aminokiselina kao što su prolin, izoleucin i serin, koji nisu sposobni formirati α-spiralne strukture. Dakle, postoji tijesan odnos između AK sekvence u proteinu i njegove konformacije. Razlike u aminokiselinskom sastavu i slijedu pojedinih AK ostataka uzrokuju pojavu lokalnih nestabilnih točaka u polipeptidnom lancu, na kojima je narušena stabilnost α-heliksa i mogu se stvoriti zavoji pod utjecajem različitih molekularnih snage.

Slika 4 – Tercijarna struktura proteina

Na proces nastanka nativne konformacije proteina ili njegove tercijarne strukture značajan utjecaj imaju hidrofobne i ionske interakcije, vodikove veze itd. Pod utjecajem ovih sila dolazi do termodinamički odgovarajuće konformacije proteinske molekule i njezine stabilizacije. postignuto. Nakon završetka procesa savijanja polipeptidnog lanca, kovalentne disulfidne veze igraju važnu ulogu u stabilizaciji njegove konformacije.

Trenutačno je dešifrirana tercijarna struktura mioglobina, hemoglobina, RNaze, lizozima, kimotripsina, karboksipeptidaze i drugih proteina.

Pod, ispod kvartarna struktura podrazumijeva karakterističan način spajanja i prostornog rasporeda pojedinih polipeptidnih lanaca koji čine jednu funkcionalno pojedinačnu molekulu. Sastav i složenost primarne, sekundarne i tercijarne strukture podjedinica mogu se jako razlikovati. Na primjer, molekula hemoglobina sastoji se od četiri podjedinice, koje su spojene u multimer molekulske težine 60 000-70 000, RNA polimeraza iz E coli ima pet podjedinica, a protein virusa mozaika duhana sadrži nekoliko tisuća identičnih podjedinica s molekularnom težinom od oko 17 500 svaka. U formiranju kvartarne strukture sudjeluju vodikove veze, elektrostatske, van der Waalsove i hidrofobne interakcije.

Kvartarnu strukturu nekih proteina karakterizira globularni raspored podjedinica (hemoglobin), dok su drugi proteini spojeni u spiralne kvaternarne strukture prema tipu vijčane simetrije (virus mozaika duhana). Kvartarna struktura je utvrđena za hemoglobin, virus mozaika duhana, RNA polimerazu, laktat dehidrogenazu, katalazu, aspartat karbamoilazu itd.

Proteini su organske tvari. Ovi visokomolekularni spojevi karakteriziraju određeni sastav i hidrolizom se razgrađuju na aminokiseline. Proteinske molekule mogu biti u mnogo različitih oblika, a mnoge od njih sastoje se od nekoliko polipeptidnih lanaca. Informacije o strukturi proteina kodirane su u DNA, a proces sinteze proteinskih molekula naziva se translacija.

Kemijski sastav proteina

Prosječan protein sadrži:

52% ugljika;
7% vodik;
12% dušika;
21% kisika;
3% sumpora.

Proteinske molekule su polimeri. Da bismo razumjeli njihovu strukturu, potrebno je znati koji su njihovi monomeri – aminokiseline.

Aminokiseline

Obično se dijele u dvije kategorije: stalno se pojavljuju i povremeno se javljaju. Prvi uključuju 18 i još 2 amida: asparaginsku i glutaminsku kiselinu. Ponekad se nađu samo tri kiseline.

Te se kiseline mogu klasificirati na različite načine: prema prirodi bočnih lanaca ili naboju njihovih radikala, također se mogu podijeliti prema broju CN i COOH skupina.

Primarna struktura proteina

Redoslijed izmjene aminokiselina u lancu proteina određuje njegove sljedeće razine organizacije, svojstva i funkcije. Glavni između monomera je peptid. Nastaje oduzimanjem vodika iz jedne aminokiseline i OH skupine iz druge.

Prva razina organizacije proteinske molekule je redoslijed aminokiselina u njoj, jednostavno lanac koji određuje strukturu proteinske molekule. Sastoji se od "kostura" koji ima pravilnu strukturu. Ovo je ponavljajući niz -NH-CH-CO-. Pojedinačni bočni lanci predstavljeni su radikalima aminokiselina (R), njihova svojstva određuju sastav strukture proteina.

Čak i ako je struktura proteinskih molekula ista, one se mogu razlikovati u svojstvima samo zato što njihovi monomeri imaju različit slijed u lancu. Redoslijed aminokiselina u proteinu određen je genima i diktira određene biološke funkcije proteina. Redoslijed monomera u molekulama odgovornim za istu funkciju često je sličan kod različitih vrsta. Takve su molekule identične ili slične organizacije i obavljaju iste funkcije u različitim vrstama organizama – homologni proteini. Struktura, svojstva i funkcije budućih molekula uspostavljaju se već u fazi sinteze lanca aminokiselina.

Neke zajedničke značajke

Struktura proteina se dugo proučava, a analiza njihove primarne strukture omogućila je neke generalizacije. Veći broj proteina karakterizira prisutnost svih dvadesetak aminokiselina, od kojih je posebno mnogo glicina, alanina, glutamina i malo triptofana, arginina, metionina i histidina. Jedina iznimka su neke skupine proteina, na primjer, histoni. Oni su potrebni za pakiranje DNK i sadrže mnogo histidina.

Bilo koja vrsta kretanja organizama (rad mišića, kretanje protoplazme u stanici, treperenje cilija u protozoama itd.) Izvode se proteinima. Struktura proteina omogućuje im kretanje i stvaranje vlakana i prstenova.

Prijenosna funkcija sastoji se u tome što se mnoge tvari prenose kroz staničnu membranu pomoću posebnih proteinskih nosača.

Hormonska uloga ovih polimera je odmah jasna: brojni hormoni su po strukturi proteini, na primjer inzulin, oksitocin.

Rezervna funkcija određena je činjenicom da su proteini sposobni stvarati naslage. Na primjer, valgumin iz jaja, mliječni kazein, bjelančevine iz biljnih sjemenki – pohranjuju veliku količinu hranjivih tvari.

Sve tetive, zglobni zglobovi, kosti kostura i kopita izgrađeni su od proteina, što nas dovodi do njihove sljedeće funkcije - potpore.

Proteinske molekule su receptori koji provode selektivno prepoznavanje određenih tvari. Glikoproteini i lektini posebno su poznati po ovoj ulozi.

Najvažniji čimbenici imuniteta su antitijela i proteinskog su podrijetla. Na primjer, proces zgrušavanja krvi temelji se na promjenama proteina fibrinogena. Unutarnje stijenke jednjaka i želuca obložene su zaštitnim slojem mukoznih bjelančevina – licina. Toksini su također proteinskog porijekla. Osnova kože koja štiti tijelo životinja je kolagen. Sve te funkcije proteina su zaštitne.

Pa, posljednja funkcija je regulatorna. Postoje proteini koji kontroliraju funkcioniranje genoma. Odnosno, reguliraju transkripciju i prijevod.

Koliko god važnu ulogu igrali proteini, strukturu proteina znanstvenici su otkrili dosta davno. A sada otkrivaju nove načine korištenja tog znanja.

Svi procesi u stanici odvijaju se uz sudjelovanje proteina. Njihove su funkcije iznimno raznolike. Svaki određeni protein, kao tvar specifične kemijske strukture, obavlja jednu visoko specijaliziranu funkciju, a samo u nekoliko pojedinačnih slučajeva i nekoliko međusobno povezanih.

Spuštajući se sa stanične na molekularnu razinu mi Susrećemo se sa sljedećim glavnim funkcijama proteina:

1.Katalitička (enzimska) funkcija: Brojne biokemijske reakcije u živim organizmima odvijaju se u blagim uvjetima na temperaturama blizu 40°C i pH vrijednostima blizu neutralnih. Pod tim uvjetima, brzine većine reakcija su zanemarive, pa su za njihovu prihvatljivu provedbu potrebni posebni biološki katalizatori - enzima.Čak i tako jednostavna reakcija kao što je dehidracija ugljične kiseline:

CO2 + H2O HCO3 - + H +

kataliziran enzimom karboanhidraza. Općenito, sve reakcije, s izuzetkom reakcije fotolize vode 2H 2 O® 4H + + 4e - + O 2, kataliziraju enzimi u živim organizmima. Enzimi su u pravilu ili proteini ili kompleksi proteina s nekim kofaktor– metalni ion ili posebna organska molekula. Enzimi imaju visoku, ponekad jedinstvenu, selektivnost djelovanja. Na primjer, enzimi koji kataliziraju dodavanje a-aminokiselina na odgovarajuće t-RNA tijekom biosinteze proteina kataliziraju dodavanje samo L-aminokiselina, a ne kataliziraju dodavanje D-aminokiselina.

2. Transportna funkcija proteina. Proteini služe za skladištenje i prijenos kisika (hemoglobin, hemocijanin). Ova funkcija sliči enzimskoj, ali se od nje razlikuje jer O 2 ne prolazi kroz promjene.

Brojne tvari moraju ući u stanicu, osiguravajući joj građevni materijal i energiju. Istovremeno, sve biološke membrane građene su prema jednom principu - dvostrukom sloju lipida u koji su uronjeni različiti proteini, pri čemu su hidrofilna područja makromolekula koncentrirana na površini membrane, a hidrofobni "repovi" u membrani. debljina membrane. Ova struktura je neprobojna za tako važne komponente kao što su šećeri, aminokiseline i ioni alkalijskih metala. Njihov prodor u stanicu provodi se uz pomoć posebnih transportnih proteina ugrađenih u staničnu membranu.

3. Regulatorne funkcije- polipeptidi niske molekulske mase (inzulin, oksitocin), hormoni potiču funkcionalnu aktivnost u stanicama drugih tkiva i organa.

4. Zaštitna imunološka funkcija. Imunološki sustav ima sposobnost odgovoriti na pojavu stranih čestica proizvodnjom ogromnog broja limfocita koji mogu specifično oštetiti te čestice, a to mogu biti strane stanice, poput patogenih bakterija, stanica raka, supramolekularne čestice poput virusa, makromolekule, uključujući strane proteine. Jedna od skupina limfocita - B limfociti, proizvodi posebne proteine otpuštene u krvožilni sustav koji prepoznaju strane čestice, tvoreći visoko specifičan kompleks u ovoj fazi uništenja. Ovi proteini su imunoglobulini viši organizmi, štite ih od stranih biopolimera zbog njihove specifične strukture (funkcionalne skupine).

5.Funkcija pohranjivanja, prijenosa kemijskih i električnih signala.

6. Strukturna funkcija. Uz proteine koji obavljaju suptilne, visoko specijalizirane funkcije, postoje proteini koji su uglavnom od strukturnog značaja. Oni osiguravaju mehaničku čvrstoću i druga mehanička svojstva pojedinih tkiva živih organizama. Prije svega ovo kolagena- glavna proteinska komponenta izvanstaničnog matriksa vezivnog tkiva. Kod sisavaca kolagen čini do 25% ukupne mase proteina. U elastičnim tkivima – koži, stjenkama krvnih žila, plućima – osim kolagena, izvanstanični matriks sadrži proteine elastin, sposoban se rastegnuti prilično široko i vratiti u svoje prvobitno stanje.

Drugi primjer strukturnog proteina je fibroin svila, koju izlučuju gusjenice svilene bube tijekom formiranja kukuljice i glavna je komponenta svilenih niti.

7. Motorni proteini. Kontrakcija mišića je proces tijekom kojeg se kemijska energija pohranjena u obliku visokoenergetskih pirofosfatnih veza u molekulama ATP-a pretvara u mehanički rad. Izravni sudionici u procesu kontrakcije su dva proteina - aktin i miozin.

8. Funkcija receptora. Od velikog značaja, posebno za funkcioniranje višestaničnih organizama, su receptorski proteini, ugrađen u plazma membranu stanica i služi za percepciju i transformaciju različitih signala koji ulaze u stanicu, kako iz okoline tako i iz drugih stanica. Najproučavaniji su acetilkolinske receptore, smješten na staničnoj membrani u nizu interneuronskih kontakata, uključujući u cerebralnom korteksu, i na neuromuskularnim spojevima. Ovi proteini specifično stupaju u interakciju s acetilkolinom i reagiraju prijenosom signala u stanicu. Nakon primanja i prevođenja signala, neurotransmiter se mora ukloniti kako bi se stanica pripremila za primanje sljedećeg signala.

9. Toksini: Brojni živi organizmi proizvode vrlo otrovne tvari - toksine - kao zaštitu od potencijalnih neprijatelja. Mnogi od njih su proteini, ali među njima postoje i složene niskomolekularne organske molekule. Primjer takve tvari je otrovni početak žabokrečine - a-amanitin: Ovaj spoj specifično blokira sintezu eukariotske mRNA. Za ljude je smrtonosna doza nekoliko mg ovog toksina.

Primarna i sekundarna struktura proteina. Proteini nisu statični entiteti. To su strukture koje mogu doživjeti određene konformacijske promjene u procesu biološkog funkcioniranja. Analiza konformacije provodi se na temelju različitih razina organizacije proteinskih molekula. K. Linderström-Lang je još 1959. identificirao četiri razine strukturne organizacije proteina – primarnu, sekundarnu, tercijarnu i kvaternarnu strukturu. Kasnije su, na temelju usporedbe podataka rendgenske difrakcijske analize, kalorimetrije i drugih metoda, identificirane još dvije razine organizacije - supersekundarne strukture i proteinske domene.

Slijed aminokiselina naziva se primarna struktura proteina. Proučavanje rasporeda aminokiselina u proteinima predstavlja važnu fazu u proučavanju strukture proteina. Trenutno se ova analiza provodi automatski pomoću uređaja za sekvinator. Posljednjih godina korištena je nova metoda za određivanje sekvenci aminokiselina. Fragment DNA koji sadrži strukturni gen određenog proteina se izolira, nukleotidna sekvenca se dešifrira i prevodi prema genetskom kodu u sekvencu aminokiselina. Primarna struktura je jednodimenzionalni prikaz proteinske molekule. Poznavanje primarne strukture koristi se za predviđanje sekundarne i tercijarne strukture proteina. Istovremena uporaba sekvence aminokiselina i kristalografskih mapa gustoće elektrona omogućuje rekonstrukciju prostornog rasporeda svih atomskih skupina u proteinu.

U polipeptidnom lancu, peptidna skupina je ravna i kruta. Polipeptidni lanac može se prikazati kao niz sličnih ravnina (peptidnih skupina) međusobno povezanih jednostrukim vezama. Rotacija oko ovih veza nije potpuno besplatna zbog prostornih ograničenja. Kut zakreta oko veza C – C a označavamo s ψ, a kut zakreta oko veza N – C a označavaju φ. G. Ramachandran izračunao je konformacijska stanja polipeptidnog lanca pomoću računala i odredio raspon mogućih vrijednosti ψ i (Ramachandran grafovi ili konformacijske karte). Na konformacijskim kartama vrijednosti kutova ψ i φ u proteinima nisu proizvoljne, već su jasno ograničene na određene regije, što ukazuje na postojanje ograničenog broja konformacija polipeptidnog lanca.

Sekundarna struktura proteina shvaćena je kao uređeni raspored polipeptidnog lanca, stabiliziran vodikovim vezama između peptidne skupine. S obzirom na ovu strukturnu razinu, govorimo o lokalnoj konformaciji dijelova polipeptidnog lanca. Najčešća i energetski i sterički najpovoljnija sekundarna struktura je desna α– spirala, koju su prvi postulirali L. Pauling i R. Corey (1951.). Najvažnije karakteristike α– spirala: 1) broj aminokiselinskih ostataka po koraku spirale je 3,6; 2) uspon zavojnice d = 0,54 nm; 3) translacija po ostatku duž spirale Δd = 0,15 nm; 4) radijus α– spirale r= 0,23 nm; 5) vodikove veze (paralelne s osi spirale) stvaraju se između svake prve i četvrte peptidne skupine; 6) za α– spirale φ = -57° i ψ = -47°. Kao što se vidi iz presjeka α– Spirala se pri svakom zavoju pomiče udesno za 60°. Kao rezultat takvog pomaka, tek nakon 10 okretaja 1. peptidna skupina točno će se poklopiti s 36. peptidnom skupinom.

Sekundarne strukture proteinskih molekula su paralelni i antiparalelni β-nabrani listovi (ili β-struktura). Na Ramachandran konformacijskoj karti za β-list s antiparalelnim lancima φ = -139° i ψ = +135°, za β-sloj s paralelnim lanci φ = - 119° i ψ = +113°. Većina nemaju više od šest polipeptidnih lanaca stabiliziranih vodikovim vezama i šest aminokiselinskih ostataka duž duljine svakog lanca. Dimenzije takvog lista su: širina t = 2,5 nm, duljina l = 2,0 nm. Većina presavijenih listova je u obliku valjaka. Uvijanje je okomito na izdužene lance.

Sljedeća razina organizacije proteinskih molekula su supersekundarne strukture. Primjer takvih struktura su superhelikalne strukture. Postoje dva α– spirale (kod tropomiozina, svjetlosnog meromiozina, paramiozina) ili tri α -spiralice (kod fibrinogena) su uvrnute jedna u odnosu na drugu. Korak superzavojnice u svjetlosnom meromiozinu je α= 18,6 nm. Koristeći primjer tropomiozina s poznatom sekvencom aminokiselina, zaključeno je da je superheliks stabiliziran hidrofobnim interakcijama između pojedinih α -spirale.

Struktura primarnog lanca i stvaranje proteinskih globula

Jedan od najvažnijih problema u fizici proteina je problem odnosa primarne strukture polipeptidnog lanca i prostorne strukture globule. Prirodna prostorna struktura makromolekula je biološki funkcionalna, a primarna struktura je genetski kodirana. I zašto molekula proteina formira globulu, drugim riječima, zašto je protein sposoban za samosastavljanje i protein u tom stanju već može obavljati svoje funkcije? Kao što je Guzzo otkrio, specifičan raspored aminokiselina važan je za prostornu strukturu proteina. Postoje "ne-helikalne" aminokiseline koje ne mogu formirati spirale i "helikalne" aminokiseline koje se mogu saviti (asp, cis, tyr, ser). O tome ovisi uvijanje i raspored molekule. A aminokiselina glicin također je posebno važna za formiranje prostorne strukture proteina - ona je poput univerzalnog zgloba koji može zauzeti različite položaje.

Trenutno se pretpostavlja da samoorganizacija proteinske globule nije rezultat nekog usmjerenog procesa. Mnogi istraživači vjeruju da je program za samoorganizaciju bez grešaka kodiran u samoj primarnoj strukturi. Samoorganizacija odvija se u fazama, tako da se u svakoj sljedećoj fazi formira sve složenija i stabilizirana struktura.

Pravilne konformacije polipeptidnih lanaca stabiliziranih vodikovim vezama ( α i β - oblici) stabilni su samo pod određenim uvjetima.Promjene temperature, pH i otapala medija dovode do konformacijskih prijelaza. Amerikanac Doty otkrio je da se prijelazi spirala-zavojnica događaju u vrlo kratkom vremenu. Prijelaz je karakteriziran promjenom viskoznosti, raspršenjem svjetla itd. Oštrina prijelaza ukazuje na kooperativnu narav, t.j. Svaka karika makromolekule je u fiksnom stanju uz pomoć vodikovih veza. Pod utjecajem vanjskih čimbenika mijenja se pakiranje molekula, tj. konformacija.

Prema znanstveniku Ptitsinu, u prvoj fazi u razmotanom lancu proteina formiraju se fluktuirajuće (promijenjene, nestabilne) jezgre spiralnih dijelova s izduženom strukturom (mjesta slike). U drugoj fazi, jedan ili više parova embrija se ujedinjuju, tvoreći središta organizacije tercijarne strukture. U trećoj fazi, središta rastu zbog pričvršćivanja susjednih dijelova lanca.

I u posljednjoj, četvrtoj fazi, rastom ili kombinacijom nekoliko centara formira se jedna kompaktna struktura globule.

Proteinske domene i tercijarna struktura

Tercijarna struktura proteina je termodinamički najstabilniji oblik savijanja i presavijanja polipeptidnog lanca. Postavlja se pitanje, kako dolazi do savijanja proteina, kako se jednodimenzionalna informacija ugrađena u sekvencu aminokiselina realizira u prostornu informaciju? Eksperimenti denaturacije i renaturacije proteina pokazali su da se procesi razaranja i stvaranja kompaktne tercijarne strukture odvijaju prilično brzo: stafilokokna nukleaza ponovno se savija u 1 s.

Model nukleacije koristi se za objašnjenje procesa koagulacije. Ovaj model pretpostavlja da se kratki segmenti polipeptidnog lanca vrlo brzo presavijaju neovisno jedan o drugome, au drugoj fazi se približavaju, tvoreći kompaktnu trodimenzionalnu strukturu. Formiraju se segmenti proteina α -heliks i β-listovi velikom brzinom. Eksperimentalno je dokazano da Prijelazi spirala-zavojnica odvijaju se u vremenu od 10 -6 do 10 -8 s.

Nedavno je u proteinima identificirana još jedna važna razina strukturne organizacije. Analiza mapa gustoće elektrona proteina molekulske mase veće od 20.000 pokazala je da se proteini sastoje od nekoliko globularnih regija koje su međusobno slabo povezane. Ta se područja nazivaju domenama. Pojedinačne domene često se mogu izolirati iz proteina pomoću proteolitičkih enzima bez gubitka njihovih funkcionalnih svojstava. Domena se definira kao regija jednog polipeptidnog lanca sadržana u kompaktnom volumenu. To su dijelovi lanca koji se uvijaju i razvijaju se u proteinu neovisno jedan o drugom.

Domena se može promatrati kao relativno autonomna strukturna jedinica. Koristeći skenirajuću mikrokalorimetriju, Privalov je pokazao prisutnost u složenim proteinima pojedinačnih kooperativnih blokova, koji su karakterizirani naglim strukturnim prijelazima tijekom toplinske denaturacije. Pokazalo se da u mnogim slučajevima, takvi kooperativni proteini dobro odgovaraju izoliranim proteolitičkim fragmentima proteina. To je omogućilo identificiranje kooperativnih blokova s proteinskim domenama. Često izolirani proteolitički fragmenti imaju strukturna svojstva slična kooperativnim blokovima, tj. njihove temperature taljenja i entalpije prijelaza se podudaraju, a također zadržavaju funkcionalne karakteristike nativnih proteina. Domene su međusobno povezane vrlo ograničenim brojem peptidnih veza, koje relativno lako prekidaju proteolitički enzimi.

Trenutno je pomoću skenirajuće mikrokalorimetrijske elektronske mikroskopije i proteolitičkog cijepanja utvrđena struktura domene u takvim visokomolekularnim proteinima kao što su imunoglobulin, miozin, fibrinogen itd.

Domene mogu predstavljati važne intermedijarne tvorevine u procesu savijanja prirodne proteinske strukture. Proteini koji se sastoje od domena trebali bi imati fleksibilniju strukturu od proteina u kojima se različite regije drže zajedno. Očigledno , reverzibilne konformacijske promjene koje utječu na funkciju enzima povezane su s međudomenskim preraspodjelama bez promjene strukturne stabilnosti samih domena.

Hipoteza rastaljene globule. Jedan od načina proučavanja savijanja polipeptidnog lanca u trodimenzionalnu strukturu je denaturacija i naknadna renaturacija proteinske molekule.

Pokusi K. Anfinsena s ribonukleazom jasno pokazuju mogućnost sastavljanja upravo one prostorne strukture koja je poremećena kao posljedica denaturacije.

U ovom slučaju, obnova nativne konformacije ne zahtijeva prisutnost bilo kakvih dodatnih struktura. Koji su modeli presavijanja polipeptidnog lanca u odgovarajuću konformaciju najvjerojatniji? Jedna od uobičajenih hipoteza za samoorganizaciju proteina je hipoteza rastaljene kuglice. U okviru ovog koncepta razlikuje se nekoliko faza samosastavljanja proteina.

1. U razmotanom polipeptidnom lancu uz pomoć vodikovih veza i hidrofobnih interakcija nastaju pojedini dijelovi sekundarne strukture koji služe kao klice za stvaranje cjelovitih sekundarnih i supersekundarnih struktura.

2. Kada broj ovih dionica dosegne određenu graničnu vrijednost, dolazi do preorijentacije bočnih radikala i polipeptidni lanac prelazi u novi, kompaktniji oblik, a broj nekovalentnih veza značajno se povećava. Karakteristična značajka ove faze je stvaranje specifičnih kontakata između atoma koji se nalaze na udaljenim dijelovima polipeptidnog lanca, ali su se približili kao rezultat formiranja tercijarne strukture.

3. U posljednjoj fazi nastaje nativna konformacija proteinske molekule, povezana sa zatvaranjem disulfidnih veza i konačnom stabilizacijom konformacije proteina. Moguća je i nespecifična agregacija djelomično presavijenih polipeptidnih lanaca, što se može klasificirati kao pogreške u stvaranju nativnih proteina. Djelomično presavijeni polipeptidni lanac (faza 2) naziva se rastopljena kugla, a pozornica 3 je najsporiji u stvaranju zrelog proteina.

Stanice sadrže niz katalitički neaktivnih proteina, koji ipak daju veliki doprinos formiranju prostornih proteinskih struktura. To su takozvani šapironi i šapironini. Jedan od pronalazača molekularnih čapirona, L. Ellis, naziva ih funkcionalnom klasom nepovezanih obitelji proteina koji pomažu pravilnom nekovalentnom sastavljanju drugih struktura koje sadrže polipeptide in vivo, ali nisu dio sklopljenih struktura i ne sudjeluju u provedbi svojih normalnih fizioloških funkcija.

Šapironi pomažu u pravilnom sastavljanju trodimenzionalne konformacije proteina stvaranjem reverzibilnih nekovalentnih kompleksa s djelomično presavijenim polipeptidnim lancem, dok istovremeno inhibiraju pogrešno oblikovane veze koje dovode do stvaranja funkcionalno neaktivnih proteinskih struktura. Popis funkcija karakterističnih za šapirone uključuje zaštitu rastaljenih kuglica od agregacije, kao i prijenos novosintetiziranih proteina na različite stanične lokuse. Chapironi su pretežno proteini toplinskog šoka, čija se sinteza naglo povećava pod utjecajem stresne temperature. Obitelji ovih proteina nalaze se u mikrobnim, biljnim i životinjskim stanicama. Razvrstavanje šapirona temelji se na njihovoj molekularnoj težini koja varira od 10 do 90 kDa. U osnovi, funkcije chapirona i chapironina se razlikuju, iako su oba proteini koji pomažu u formiranju trodimenzionalne strukture proteina. Chapironi održavaju novosintetizirani polipeptidni lanac u nesmotanom stanju, sprječavajući njegovo presavijanje u oblik drugačiji od nativnog, a chapironini osiguravaju uvjete za nastanak jedine ispravne, nativne strukture proteina.

Kvartarna struktura proteina

Stvaranje kaotično formiranih nakupina je pogreška koja dovodi do pojave funkcionalno neaktivnih proteina, stoga stanice imaju mehanizme za njihovu brzu razgradnju i razgradnju na pojedinačne aminokiseline. Međutim, u prirodi postoje mnogi genetski određeni agregati koji uključuju nekoliko polipeptidnih lanaca koji tvore velike proteinske makromolekule. Kvartarna struktura odnosi se na dvije ili više prostorno orijentiranih podjedinica povezanih jedna s drugom. Očigledno, u odnosu na kvaternarnu strukturu proteina, ispravnije je govoriti ne o agregatima, već o skupovima globula. Pri karakterizaciji kvaternarne strukture proteina treba isključiti njezine pseudovarijante. Dakle, proteinski hormon inzulin sastoji se od dva polipeptidna lanca, ali oni nisu pune globule, već nastaju kao rezultat ograničene proteolize jednog polipeptidnog lanca. Multienzimski kompleksi nisu proteini s pravom kvaternarnom strukturom. To su tipične supramolekularne strukture. Tijekom formiranja kvartarne strukture, pojedine podjedinice međusobno djeluju isključivo putem nekovalentnih veza, prvenstveno vodikovih i hidrofobnih. Vrlo značajna činjenica je da su kontaktne površine podjedinica koje djeluju međusobno komplementarne. U kontaktnim područjima postoje hidrofobne skupine, koje se nazivaju "ljepljive točke".

Međusobna orijentacija elektronegativnih atoma, olakšana prisutnošću komplementarnih mjesta, doprinosi stvaranju velikog broja vodikovih veza. Time se osigurava provedba kooperativnog učinka i stabilizacija makromolekule. Osim toga, mnogostrukost nekovalentnih veza temelj je za prijenos strukturnih preustroja s jedne podjedinice na drugu.

Proteini s kvaternarnom strukturom često se nazivaju oligomerni. razlikovati homomerni I heteromerni bjelančevine. Homomerni proteini su proteini u kojima sve podjedinice imaju istu strukturu. Primjer je proteinska katalaza koja se sastoji od četiri apsolutno ekvivalentne podjedinice. U heteromernim proteinima, pojedine podjedinice ne razlikuju se samo u strukturi, već mogu obavljati i različite funkcije. Na primjer, protein RNA polimeraza sastoji se od pet podjedinica različitih struktura i nejednakih funkcija.

Primarna struktura, koja nam je već poznata iz poglavlja o peptidima (poglavlje 4), odnosi se na redoslijed aminokiselina u polipeptidnom lancu (ili lancima) i položaj disulfidnih veza, ako ih ima.

Sekundarna struktura

Na ovoj strukturnoj razini opisani su sterički odnosi između aminokiselina smještenih blizu jedna drugoj duž lanca. Sekundarna struktura može biti pravilna (a-helix, folded -layer) ili ne pokazivati znakove pravilnosti (poremećena konformacija).

Tercijarna struktura

Opći raspored, međusobni raspored različitih regija, domena i pojedinačnih aminokiselinskih ostataka jednog polipeptidnog lanca naziva se tercijarna struktura danog proteina. Nemoguće je povući jasnu granicu između sekundarne i tercijarne strukture, međutim, tercijarna struktura se shvaća kao prostorni odnosi između aminokiselinskih ostataka koji su međusobno udaljeni duž lanca.

Kvartarna struktura

Ako se proteini sastoje od dva ili više polipeptidnih lanaca međusobno povezanih nekovalentnim (ne peptidnim ili disulfidnim) vezama, tada se kaže da imaju kvaternarnu strukturu. Takvi agregati stabilizirani su vodikovim vezama i elektrostatskim interakcijama između ostataka koji se nalaze na površini polipeptidnih lanaca. Takvi se proteini nazivaju oligomeri, a pojedinačni polipeptidni lanci koji ih čine nazivaju se protomeri, monomeri ili podjedinice.

Mnogi oligomerni proteini sadrže dva ili četiri protomera i nazivaju se dimeri ili tetrameri. Oligomeri koji sadrže više od četiri protomera prilično su česti, osobito među regulatornim proteinima (na primjer, transkarbamoilaza). Posebnu ulogu u unutarstaničnoj regulaciji imaju oligomerni proteini: njihovi protomeri mogu neznatno promijeniti međusobnu orijentaciju, što dovodi do promjene svojstava oligomera. Najviše proučavan primjer je hemoglobin (poglavlje 16).

Uloga primarne strukture u formiranju viših razina strukturne organizacije proteina

Sekundarna i tercijarna struktura proteina nastaju spontano i određene su primarnom strukturom njegovog polipeptidnog lanca. Paralelno sa sintezom lanca dolazi do njegovog lokalnog nabiranja (stvaranje sekundarne strukture) i specifične agregacije naboranih dijelova (stvaranje tercijarne strukture). Ti su procesi određeni kemijskim skupinama koje se protežu od a-ugljikovih atoma odgovarajućih ostataka. Na primjer, obrada monomernog enzima ribonukleaze s blagim redukcijskim sredstvom (f-merkaptoetanol) i denaturirajućim sredstvom (urea ili gvanidin; vidi dolje) dovodi do inaktivacije proteina i njegovog prijelaza u poremećenu konformaciju. Ako se sredstvo za denaturaciju polagano uklanja i provodi postupna reoksidacija, ponovno se stvaraju S-S veze i praktički se obnavlja enzimska aktivnost. Nema razloga misliti da postoji neovisna genetska kontrola nad formiranjem razina strukturne organizacije proteina iznad primarne, budući da primarna struktura specifično određuje sekundarnu, tercijarnu i kvarternu strukturu (ako postoji) - tj. konformacija proteina. Nativna konformacija proteina, posebno ribonukleaze, očito je termodinamički najstabilnija struktura u danim uvjetima, tj. s obzirom na hidrofilna i hidrofobna svojstva medija.

Struktura proteina nakon njegove sinteze može se modificirati (posttranslacijska obrada); Stoga se često opaža transformacija preproenzima u katalitički aktivan oblik ili uklanjanje "vodeće" sekvence koja određuje transport proteina kroz membrane (poglavlje 42).

Makromolekularni proteinski kompleksi

Polifunkcionalni makromolekularni kompleksi, nastali kao rezultat agregacije različitih funkcionalnih proteina, od kojih svaki ima sve četiri razine strukturne organizacije, djeluju u lancu prijenosa elektrona (poglavlje 12), sudjeluju u biosintezi masnih kiselina (poglavlje 23) i metabolizam piruvata (poglavlje 18).