Protein: Struktur protein tersier. Pemesanan lokal dari bagian rantai

L Karena interaksi gugus fungsi asam amino, rantai polipeptida linier dari protein individu memperoleh struktur tiga dimensi spasial tertentu, yang disebut “konformasi”. Semua molekul protein individu (yaitu yang memiliki struktur primer yang sama) membentuk konformasi yang sama dalam larutan. Akibatnya, semua informasi yang diperlukan untuk pembentukan struktur spasial terletak pada struktur primer protein.

Dalam protein, terdapat 2 jenis utama konformasi rantai polipeptida: struktur sekunder dan tersier.

2. Struktur sekunder protein - struktur spasial yang dihasilkan dari interaksi antara kelompok fungsional tulang punggung peptida.

Dalam hal ini, rantai peptida dapat memperoleh dua jenis struktur teratur: α-heliks

struktur β Yang kami maksud dengan struktur β adalah sosok yang mirip dengan lembaran yang dilipat seperti akordeon. Gambar tersebut terbentuk karena terbentuknya banyak ikatan hidrogen antara atom-atom gugus peptida pada daerah linier dari satu rantai polipeptida yang membentuk tikungan, atau antara gugus polipeptida yang berbeda.

Obligasi adalah hidrogen, mereka menstabilkan fragmen makromolekul individu.

3. Struktur protein tersier - struktur spasial tiga dimensi yang terbentuk karena interaksi antara radikal asam amino, yang dapat ditempatkan pada jarak yang cukup jauh satu sama lain dalam rantai polipeptida.

Secara struktural terdiri dari unsur-unsur struktur sekunder, distabilkan oleh berbagai jenis interaksi, di mana interaksi hidrofobik memainkan peran penting
stabilisasi struktur tersier protein mengambil bagian:

· ikatan kovalen (antara dua residu sistein - jembatan disulfida);

· ikatan ionik antara gugus samping residu asam amino yang bermuatan berlawanan;

· ikatan hidrogen;

· interaksi hidrofilik-hidrofobik. Ketika berinteraksi dengan molekul air di sekitarnya, molekul protein “cenderung” melipat sehingga gugus samping asam amino nonpolar diisolasi dari larutan berair; gugus samping hidrofilik polar muncul pada permukaan molekul.

4. Struktur kuarter adalah susunan relatif beberapa rantai polipeptida dalam satu kompleks protein. Molekul protein yang membentuk protein dengan struktur kuaterner dibentuk secara terpisah pada ribosom dan hanya setelah sintesis selesai membentuk struktur supramolekul yang sama. Protein dengan struktur kuaterner dapat mengandung rantai polipeptida yang identik dan berbeda. Berpartisipasi dalam stabilisasi struktur kuaterner jenis interaksi yang sama seperti pada stabilisasi tersier. Kompleks protein supramolekul dapat terdiri dari lusinan molekul.

Peran.

Pembentukan peptida dalam tubuh terjadi dalam waktu beberapa menit, sedangkan sintesis kimia di laboratorium memerlukan proses yang agak panjang hingga memakan waktu beberapa hari, dan perkembangan teknologi sintesis dapat memakan waktu beberapa tahun. Namun, meskipun demikian, ada argumen yang cukup kuat yang mendukung upaya sintesis analog peptida alami. Pertama, dengan modifikasi kimia peptida, hipotesis struktur primer dapat dikonfirmasi. Urutan asam amino dari beberapa hormon diketahui secara tepat melalui sintesis analognya di laboratorium.

Kedua, peptida sintetik memungkinkan kita mempelajari lebih detail hubungan antara struktur rangkaian asam amino dan aktivitasnya. Untuk memperjelas hubungan antara struktur spesifik peptida dan aktivitas biologisnya, sejumlah besar pekerjaan telah dilakukan pada sintesis lebih dari seribu analog. Hasilnya, ditemukan bahwa mengganti satu asam amino saja dalam struktur peptida dapat meningkatkan aktivitas biologisnya beberapa kali atau mengubah arahnya. Dan mengubah panjang urutan asam amino membantu menentukan lokasi pusat aktif peptida dan tempat interaksi reseptor.

Ketiga, berkat modifikasi rangkaian asam amino asli, obat farmakologis dapat diperoleh. Penciptaan analog peptida alami memungkinkan untuk mengidentifikasi konfigurasi molekul yang lebih “efektif” yang meningkatkan efek biologis atau membuatnya bertahan lebih lama.

Keempat, sintesis kimia peptida bermanfaat secara ekonomi. Kebanyakan obat terapeutik akan berharga puluhan kali lipat jika dibuat dari produk alami.

Seringkali, peptida aktif ditemukan di alam hanya dalam jumlah nanogram. Ditambah lagi, metode pemurnian dan isolasi peptida dari sumber alami tidak dapat sepenuhnya memisahkan rangkaian asam amino yang diinginkan dari peptida dengan efek berlawanan atau berbeda. Dan dalam kasus peptida spesifik yang disintesis oleh tubuh manusia, peptida tersebut hanya dapat diperoleh melalui sintesis di kondisi laboratorium.

57. Klasifikasi protein: sederhana dan kompleks, globular dan fibrillar, monomer dan oligomer. Fungsi protein dalam tubuh.

Klasifikasi berdasarkan jenis struktur

Berdasarkan tipe umum strukturnya, protein dapat dibagi menjadi tiga kelompok:

1. Protein fibrilar - membentuk polimer, strukturnya biasanya sangat teratur dan dipertahankan terutama melalui interaksi antara rantai yang berbeda. Mereka membentuk mikrofilamen, mikrotubulus, fibril, dan mendukung struktur sel dan jaringan. Protein fibrilar termasuk keratin dan kolagen.

2. Protein globular larut dalam air, bentuk umum molekulnya kurang lebih bulat.

3. Protein membran - memiliki domain yang melintasi membran sel, tetapi sebagiannya menonjol dari membran ke lingkungan antar sel dan sitoplasma sel. Protein membran berfungsi sebagai reseptor, yaitu mengirimkan sinyal dan juga menyediakan transportasi transmembran berbagai zat. Protein pengangkut bersifat spesifik; masing-masing hanya mengizinkan molekul tertentu atau jenis sinyal tertentu untuk melewati membran.

Protein sederhana , Protein kompleks

Selain rantai peptida, banyak protein juga mengandung gugus non-asam amino, dan menurut kriteria ini, protein dibagi menjadi dua kelompok besar - protein sederhana dan kompleks(proteid). Protein sederhana hanya terdiri dari rantai polipeptida; protein kompleks juga mengandung gugus non-asam amino, atau prostetik.

Sederhana.

Di antara protein globular kita dapat membedakan:

1. albumin - larut dalam air pada rentang pH yang luas (dari 4 hingga 8,5), diendapkan dengan larutan amonium sulfat 70-100%;

2. globulin polifungsional dengan berat molekul lebih tinggi, kurang larut dalam air, larut dalam larutan garam, sering kali mengandung bagian karbohidrat;

3. histon adalah protein dengan berat molekul rendah dengan kandungan residu arginin dan lisin yang tinggi dalam molekulnya, yang menentukan sifat dasarnya;

4. protamin dibedakan oleh kandungan arginin yang lebih tinggi (hingga 85%), seperti histon, mereka membentuk ikatan yang stabil dengan asam nukleat, bertindak sebagai protein pengatur dan penekan - bagian integral dari nukleoprotein;

5. prolamin dicirikan oleh kandungan asam glutamat yang tinggi (30-45%) dan prolin (hingga 15%), tidak larut dalam air, larut dalam etanol 50-90%;

6. Glutelin mengandung sekitar 45% asam glutamat, seperti prolamin, dan sering ditemukan dalam protein sereal.

Protein fibrilar dicirikan oleh struktur berserat dan praktis tidak larut dalam air dan larutan garam. Rantai polipeptida dalam molekul letaknya sejajar satu sama lain. Berpartisipasi dalam pembentukan elemen struktural jaringan ikat (kolagen, keratin, elastin).

Protein kompleks

(protein, holoprotein) adalah protein dua komponen yang, selain rantai peptida (protein sederhana), mengandung komponen non-asam amino - gugus prostetik. Ketika protein kompleks dihidrolisis, selain asam amino, bagian non-protein atau produk pemecahannya juga dilepaskan.

Berbagai zat organik (lipid, karbohidrat) dan anorganik (logam) dapat berperan sebagai gugus prostetik.

Tergantung pada sifat kimia dari kelompok prostetik, kelas-kelas berikut dibedakan di antara protein kompleks:

· Glikoprotein yang mengandung residu karbohidrat yang terikat secara kovalen sebagai gugus prostetik dan subkelasnya - proteoglikan, dengan gugus prostetik mukopolisakarida. Gugus hidroksil serin atau treonin biasanya ikut serta dalam pembentukan ikatan dengan residu karbohidrat. Kebanyakan protein ekstraseluler, khususnya imunoglobulin, adalah glikoprotein. Bagian karbohidrat dari proteoglikan adalah ~95%; mereka adalah komponen utama matriks antar sel.

· Lipoprotein mengandung lipid yang terikat non-kovalen sebagai bagian prostetik. Lipoprotein dibentuk oleh protein apolipoprotein yang mengikat lipid dan melakukan fungsi transportasi lipid.

· Metalloprotein mengandung ion logam terkoordinasi non-heme. Di antara metaloprotein terdapat protein yang melakukan fungsi penyimpanan dan transportasi (misalnya feritin dan transferin yang mengandung besi) dan enzim (misalnya karbonat anhidrase yang mengandung seng dan berbagai superoksida dismutase yang mengandung tembaga, mangan, besi dan ion logam lainnya sebagai pusat aktif. )

· Nukleoprotein yang mengandung DNA atau RNA yang tidak terikat secara kovalen, khususnya kromatin yang menyusun kromosom, merupakan nukleoprotein.

· Fosfoprotein mengandung residu asam fosfat yang terikat secara kovalen sebagai gugus prostetik. Gugus hidroksil serin atau treonin terlibat dalam pembentukan ikatan ester dengan fosfat; kasein susu, khususnya, adalah fosfoprotein:

· Kromoprotein adalah nama kolektif untuk protein kompleks dengan kelompok prostetik berwarna dari berbagai sifat kimia. Ini termasuk banyak protein dengan gugus prostetik yang mengandung logam yang melakukan berbagai fungsi - hemoprotein (protein yang mengandung heme sebagai gugus prostetik - hemoglobin, sitokrom, dll.), klorofil dengan gugus flavin, dll.

1. Fungsi struktural

2. Fungsi pelindung

3. Fungsi regulasi

4. Fungsi alarm

5. Fungsi transportasi

6. Fungsi cadangan (cadangan).

7. Fungsi reseptor

8. Fungsi motorik (motorik).

Hampir setiap pelajaran biologi sekolah sekarang mengetahui apa itu protein. Mereka melakukan banyak fungsi di dalam sel makhluk hidup.

Apa itu protein?

Ini adalah senyawa organik kompleks. Mereka terdiri dari asam amino, yang totalnya ada 20, tetapi dengan menggabungkannya dalam urutan berbeda, jutaan bahan kimia berbeda dapat diperoleh.

Struktur protein

Setelah kita mengetahui apa itu protein, kita dapat melihat lebih dekat strukturnya. Ada struktur primer, sekunder, tersier dan kuaterner dari zat semacam ini.

Struktur primer

Ini adalah rantai di mana asam amino terhubung dalam urutan yang benar. Pergantian ini menentukan jenis protein. Untuk setiap substansi kelas ini bersifat individual. Sifat fisik dan kimia suatu protein juga sangat bergantung pada struktur primernya.

Struktur sekunder

Ini adalah bentuk spasial rantai polipeptida karena pembentukan ikatan hidrogen antara gugus karboksil dan gugus imino. Ada dua tipe yang paling umum: heliks alfa dan struktur beta, yang memiliki tampilan seperti pita. Yang pertama terbentuk karena pembentukan ikatan antar molekul dari rantai polipeptida yang sama, yang kedua - antara dua atau lebih rantai yang terletak secara paralel. Namun, struktur beta juga mungkin muncul dalam satu polimer, jika fragmen tertentu diputar 180 derajat.

Struktur tersier

Ini adalah pergantian dan pengaturan bagian alfa-heliks, rantai polipeptida sederhana, dan struktur beta relatif satu sama lain dalam ruang.

Struktur Kuarter

Ada juga dua jenisnya: globular dan fibrillar. Struktur ini terbentuk karena interaksi elektrostatik dan ikatan hidrogen. Globular berbentuk bola kecil, dan fibrilar berbentuk benang. Contoh protein dengan struktur kuaterner tipe pertama adalah albumin, insulin, imunoglobulin, dll; fibrilar - fibroin, keratin, kolagen dan lain-lain. Ada juga protein yang strukturnya bahkan lebih kompleks, misalnya miosin, yang terdapat di jaringan otot; ia memiliki batang berbentuk fibrilar di mana terdapat dua kepala bulat.

Komposisi kimia protein

Komposisi asam amino protein dapat diwakili oleh dua puluh asam amino, yang digabungkan dalam urutan dan jumlah yang berbeda.

Ini adalah glisin, alanin, valin, leusin, isoleusin, serin, treonin, sistein, metionin, lisin, arginin, asam aspartat, asparagin, asam glutamat, glutamin, fenilalanin, tirosin, triptofan, histidin dan prolin. Diantaranya ada yang tidak tergantikan, yaitu yang tidak mampu diproduksi sendiri oleh tubuh manusia. Ada 8 asam amino untuk orang dewasa dan 2 lagi untuk anak-anak: leusin, isoleusin, valin, metionin, lisin, triptofan, fenilalanin, treonin, serta histidin dan arginin.

Contoh protein dengan struktur berbeda

Perwakilan utama dari protein globular adalah albumin. Struktur tersiernya terdiri dari heliks alfa yang dihubungkan oleh rantai polipeptida tunggal.

Yang utama dibentuk oleh asam amino seperti asam aspartat, alanin, sistein dan glisin. Protein ini ditemukan dalam plasma darah dan berfungsi mengangkut zat tertentu. Di antara yang fibrilar, fibroin dan kolagen dapat dibedakan. Struktur tersier yang pertama merupakan substansi struktur beta yang dihubungkan oleh rantai polipeptida tunggal. Rantainya sendiri merupakan pergantian alanin, glisin, sistein dan serin. Senyawa kimia ini merupakan komponen utama jaring laba-laba dan sutra, serta bulu burung.

Apa itu denaturasi?

Ini adalah proses penghancuran struktur protein kuaterner, kemudian tersier dan sekunder. Protein yang mengalami hal ini tidak dapat lagi menjalankan fungsinya dan kehilangan sifat fisik dan kimia dasarnya. Proses ini terjadi terutama karena paparan suhu tinggi atau bahan kimia agresif. Misalnya, pada suhu di atas empat puluh derajat Celcius, hemoglobin, yang membawa oksigen melalui darah organisme, mulai mengalami denaturasi. Inilah sebabnya mengapa peningkatan suhu yang begitu kuat berbahaya bagi manusia.

Fungsi protein

Setelah mempelajari apa itu protein, Anda dapat memperhatikan peran zat-zat tersebut dalam kehidupan sel dan seluruh organisme secara keseluruhan. Mereka melakukan sembilan fungsi utama. Yang pertama adalah plastik. Mereka adalah komponen dari banyak struktur organisme hidup dan berfungsi sebagai bahan pembangun sel. Yang kedua adalah transportasi. Protein mampu mengangkut zat; contoh zat untuk tujuan ini adalah albumin, hemoglobin, serta berbagai protein pengangkut yang terletak pada membran plasma sel, yang masing-masing hanya memungkinkan zat tertentu masuk ke sitoplasma dari lingkungan. Fungsi ketiga adalah protektif. Hal ini dilakukan oleh imunoglobulin, yang merupakan bagian dari sistem kekebalan tubuh, dan kolagen, yang merupakan komponen utama kulit. Selain itu, protein dalam tubuh manusia dan organisme lain menjalankan fungsi pengaturan, karena ada sejumlah hormon yang diwakili oleh zat tersebut, misalnya insulin. Peran lain yang dimainkan oleh senyawa kimia ini adalah memberi sinyal. Zat-zat ini mengirimkan impuls listrik dari sel ke sel. Fungsi keenam adalah motorik. Perwakilan protein terkemuka yang melakukan ini adalah aktin dan miosin, yang mampu berkontraksi (ditemukan di otot). Zat-zat tersebut juga dapat berfungsi sebagai zat cadangan, tetapi untuk tujuan tersebut jarang digunakan, sebagian besar adalah protein yang ditemukan dalam susu. Mereka juga melakukan fungsi katalitik - terdapat enzim protein di alam. Dan fungsi yang terakhir adalah reseptor. Ada sekelompok protein yang sebagian terdenaturasi di bawah pengaruh satu atau lain faktor, sehingga memberikan sinyal ke seluruh sel, yang meneruskannya.

Protein, atau protein, dalam organisme hidup terbentuk terutama dari 20 asam amino alami terpenting sebagai hasil reaksi polikondensasi dengan adanya enzim. Berat molekul protein bervariasi dalam rentang yang sangat luas: dari 10.000 hingga 1.000.000 ke atas.

Tulang punggung rantai protein dibangun dari fragmen asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida dan dikelilingi oleh substituen dari berbagai sifat kimia. Ikatan peptida dalam protein stabil pada suhu 37°C dalam lingkungan netral, tetapi dapat dihidrolisis dalam lingkungan asam atau basa. Di dalam tubuh, hidrolisis protein dilakukan di bawah pengaruh enzim peptidase dan dikontrol secara ketat.

Protein alami sangat bervariasi dalam panjang rantai dan komposisi, yang memungkinkan molekulnya, bahkan dalam larutan, menjadi beragam konformasi.

KonformasiMakromolekul protein dalam larutan mewakili berbagai bentuk spasialnya, yang timbul sebagai akibat dari rotasi fragmen molekul individu di sekitar ikatan tunggal dan distabilkan oleh ikatan antarmolekul antara kelompok individu makromolekul tertentu atau molekul zat yang terletak di larutan sekitarnya.

Transisi konformasi timbal balik terutama dilakukan tanpa memutus ikatan kovalen dalam makromolekul protein. Saat mendeskripsikan komposisi dan konformasi suatu protein, konsep tersebut digunakan primer, sekunder, tersier Dan struktur kuaterner.

Struktur primer spesifik untuk protein individu dan ditentukan oleh komposisi dan urutan residu asam amino dari rantainya. Saat menulis rumus protein lengkap, tunjukkan urutan residu asam amino yang berurutan menggunakan sebutan tiga huruf, dimulai dari ujung N rantai. Gagasan tentang struktur utama mioglobin manusia, yang hanya mengandung 153 residu asam amino dalam molekulnya, diberikan oleh notasi singkat berikut:

Susunan rantai polipeptida yang sangat linier tidak menguntungkan secara energetik, karena secara praktis menghilangkan interaksi antara berbagai radikal residu asam amino. Sebagai hasil dari interaksi seperti itu, timbul ikatan tambahan yang menstabilkan konformasi rantai protein tertentu di ruang angkasa. Ini terjadi melalui interaksi berikut: interaksi ion-ion; ikatan hidrogen; hidrasi kelompok polar; ikatan disulfida; Interaksi Vander Waals antara substituen non-polar; interaksi hidrofobik, akibatnya molekul air terdorong keluar dari zona interaksi substituen non-polar satu sama lain, serta ikatan donor-akseptor antara ion pengompleks dan gugus ligan protein (Gbr. 21.3).

Struktur sekunder protein mencirikan bentuk rantai polipeptida, yang bisa berbentuk heliks (a-struktur), dilipat (B -struktur) atau tidak teratur (Gbr. 21.4). Peran utama dalam pembentukan dan pemeliharaan struktur sekunder

Beras. 21.3. Jenis interaksi antara substituen residu asam amino molekul protein dan lingkungan berair

Beras. 21.4. Struktur sekunder protein: A- struktur-a (spiral), B- Struktur P (terlipat) diperankan oleh ikatan hidrogen yang timbul antara gugus tulang punggung rantai polipeptida.

Susunan spasial struktur-a dapat dibayangkan dengan membayangkan rantai polipeptida melingkari silinder, dan radikal sampingnya diarahkan ke luar. Putaran heliks disatukan oleh ikatan hidrogen antara gugus peptida yang terletak pada putaran heliks yang berdekatan. Meskipun energi ikatan ini kecil, jumlahnya yang besar menimbulkan efek energi yang signifikan, sehingga struktur a cukup stabil dan kaku.

Lipatan (3-struktur) terbentuk dari sejumlah besar rantai polipeptida memanjang paralel yang dihubungkan oleh banyak ikatan hidrogen satu sama lain. Radikal samping R terletak di atas dan di bawah bidang yang ditarik melalui lembaran lipatan yang dihasilkan.

Struktur fragmen protein individu yang tidak teratur ditandai dengan kurangnya keteraturan spasial dalam susunannya.

Struktur sekunder suatu protein yang mana yang diwujudkan bergantung pada komposisi asam aminonya, yaitu pada struktur primernya. Sebagian besar protein alami dicirikan oleh koeksistensi dalam satu molekul fragmen dengan struktur a-, p- dan tidak teratur.

Kekuatan ikatan hidrogen yang rendah membuatnya relatif mudah untuk mengubah struktur sekunder di bawah pengaruh eksternal: perubahan suhu, komposisi atau pH lingkungan - atau di bawah pengaruh mekanis. Sebagai hasil dari transformasi struktur sekunder protein, sifat aslinya, yaitu sifat primer, berubah, dan akibatnya, fungsi biologis dan fisiologisnya.

Struktur tersier protein menentukan lokasi umum rantai polipeptidanya di ruang angkasa. Dipercaya bahwa dalam pembentukan dan stabilisasi struktur tersier molekul protein, peran yang menentukan dimainkan oleh interaksi substituen asam amino samping, yang semakin berdekatan di ruang angkasa karena pembengkokan rantai polipeptida. Jenis interaksi ini ditunjukkan pada Gambar. 21.3.

Struktur tersier suatu molekul protein muncul sepenuhnya secara otomatis sebagai hasil pengorganisasian sendiri rantai polipeptida sesuai dengan struktur primer dan sekundernya, serta dengan komposisi larutan di sekitarnya. Kekuatan pendorong yang melipat rantai polipeptida suatu protein menjadi formasi tiga dimensi yang ditentukan secara ketat adalah interaksi radikal asam amino satu sama lain dan dengan molekul larutan di sekitarnya. Pada saat yang sama, dalam larutan berair, substituen hidrofobik didorong ke dalam molekul protein, membentuk zona kering di sana ("tetesan lemak"), dan substituen hidrofilik berorientasi pada lingkungan berair. Pada titik tertentu, konformasi molekul yang menguntungkan secara energi untuk lingkungan berair tercapai, dan konformasi molekul protein ini menjadi stabil. Dalam hal ini, entropi rantai polipeptida menurun, sedangkan entropi sistem secara keseluruhan (rantai polipeptida + media berair) tetap konstan atau meningkat. Jadi, dari sudut pandang hukum II termodinamika, stabilisasi struktur tersier suatu protein dalam lingkungan berair dipastikan oleh kecenderungan lingkungan berair molekul protein untuk bertransisi ke keadaan dengan entropi maksimum. Gagasan tentang struktur tersier molekul protein mioglobin dan lisozim diberikan pada Gambar. 21.5. Pada gambar, piringan yang diarsir dalam molekul mioglobin adalah heme yang mengandung ligan porfirin dan kation pengompleks, Fe 2+. Molekul lisozim menunjukkan jembatan disulfida S-S yang terlibat dalam menstabilkan struktur tersier protein ini.

Beras. 21.5. Struktur tersier: mioglobin (a) dan lisozim (b)

Struktur tersier suatu protein, dibandingkan dengan struktur sekundernya, bahkan lebih sensitif terhadap pengaruh eksternal. Oleh karena itu, aksi zat pengoksidasi lemah, perubahan pelarut, perubahan kekuatan ionik, pH dan suhu mengganggu struktur tersier protein, dan akibatnya, sifat aslinya.

Struktur Kuarter. Molekul protein besar dengan berat molekul lebih dari 60.000 biasanya merupakan agregat yang terdiri dari beberapa rantai polipeptida dengan berat molekul relatif kecil. Selain itu, setiap rantai, dengan mempertahankan karakteristik struktur primer, sekunder, dan tersiernya, bertindak sebagai subunit dari agregat ini, yang memiliki tingkat organisasi spasial yang lebih tinggi - struktur kuaterner. Agregat molekul semacam itu mewakili satu kesatuan dan menjalankan fungsi biologis yang bukan merupakan karakteristik subunit individu. Misalnya, molekul hemoglobin terdiri dari 4 subunit dan dicirikan oleh labilitas kompleks yang jauh lebih besar dengan oksigen dibandingkan subunit individualnya, yang dimanifestasikan dalam sifat mioglobin (bagian 10.4). Struktur kuaterner suatu protein ditentukan terutama oleh ikatan hidrogen dan interaksi van der Waals, dan kadang-kadang oleh ikatan disulfida, antara rantai polipeptida yang digabungkan. Berat molekul protein dengan struktur kuaterner bisa mencapai beberapa puluh juta. Struktur protein kuaterner sensitif terhadap pengaruh eksternal dan dapat diganggu olehnya.

Bentuk molekul protein. Berdasarkan bentuk molekulnya, protein asli, yaitu protein yang menunjukkan sifat biologis yang diprogram oleh alam, dibagi menjadi berhubung dgn urat saraf Dan bulat. Molekul protein fibrilar biasanya memiliki struktur B dan struktur berserat; mereka tidak larut dalam air, karena terdapat banyak radikal hidrofobik di permukaannya. Protein fibrilar adalah protein fibron; keratin pada rambut, kulit, kuku; kolagen tendon dan jaringan tulang; miosin jaringan otot.

Protein globular berbentuk silinder atau bulat dan berukuran 10 -9 -10 -7 m. Biasanya larut dalam air, karena permukaannya sebagian besar mengandung gugus polar. Melarutkan dalam air, protein globular membentuk larutan koloid liofilik (Bagian 27.3). Contoh protein globular: albumin (putih telur), mioglobin, hampir semua enzim.

Keadaan kristal cair. Molekul protein merupakan formasi yang cukup besar dan memiliki struktur spasial tetap, yang secara keseluruhan dapat bersifat anisotropik, atau fragmen individu dari rantai peptida dapat bersifat anisotropik. Oleh karena itu, banyak protein dicirikan oleh keadaan kristal cair dalam kisaran suhu tertentu (keadaan kristal cair termotropik) atau pembentukan satu atau beberapa keadaan kristal cair lyotropik dengan partisipasi media berair pada konsentrasi zat tertentu dalam larutan. Pembentukan wujud kristal cair atau peralihan dari satu wujud kristal cair ke wujud kristal cair lainnya, disertai dengan perubahan orientasi masing-masing fragmen molekul protein atau perubahan konsistensi pergerakan dalam sistem, tidak memerlukan pengeluaran energi yang besar, tetapi dapat menyebabkan perubahan fungsi biologisnya. Misalnya, mempengaruhi fungsi kontraktil serat otot miosin, aktivitas enzimatik, fungsi transpor protein atau sifat pelindungnya relatif terhadap sistem koloid. Jadi, dalam kondisi tertentu, molekul hemoglobin berubah menjadi kristal cair. Hal ini menyebabkan sejumlah kelainan patologis, yang diwujudkan dalam hilangnya elastisitas sel darah merah. Akibatnya, pembuluh darah kapiler tersumbat dan transportasi oksigen terganggu. Pembentukan batu dalam sistem kemih atau empedu dikaitkan dengan perubahan tidak hanya konsentrasi, tetapi juga keadaan protein pelindung dalam sistem ini. Sampai saat ini, kemampuan protein dan larutannya untuk berubah menjadi kristal cair secara praktis tidak dipertimbangkan dalam biologi, biokimia, dan kedokteran, meskipun sifat-sifat ini sangat penting dari sudut pandang aktivitas vital sistem kehidupan mana pun.

Denaturasi. Struktur spasial protein, sebagaimana telah ditunjukkan, dapat terganggu di bawah pengaruh sejumlah faktor: peningkatan suhu, perubahan pH dan kekuatan ionik medium, penyinaran dengan sinar UV dan X, adanya zat yang dapat menyebabkan dehidrasi. molekul protein (etanol, aseton, urea) atau berinteraksi dengan substituennya (zat pengoksidasi, zat pereduksi, formaldehida, fenol) dan bahkan dengan pengadukan larutan secara mekanis yang kuat.

Denaturasi adalah penghancuran konformasi alami (asli) makromolekul protein di bawah pengaruh eksternal.

Selama denaturasi, struktur kuaterner, tersier, dan sekunder dihancurkan, tetapi struktur primer protein tetap dipertahankan. Oleh karena itu, denaturasi dapat bersifat reversibel (denaturasi – renaturasi) dan tidak dapat diubah tergantung pada sifat protein dan intensitas pengaruh eksternal. Denaturasi ireversibel biasanya terjadi bila terkena panas (misalnya penggumpalan albumin telur saat telur direbus). Protein globular yang terdenaturasi mengalami penurunan afinitas terhadap air, karena banyak radikal hidrofobik muncul di permukaan molekul. Oleh karena itu, kelarutannya menurun dan muncul serpihan atau sedimen. Hal utama adalah bahwa selama denaturasi, aktivitas biologis protein globular dan fibrillar hilang, yang diamati dengan banyak metode isolasi mereka (Bagian 11.3). Untuk menghindari denaturasi protein dan mempertahankan konformasi aslinya selama proses isolasi, semua operasi dilakukan dalam kondisi ringan pada suhu tidak melebihi 5°C, menghindari efek keras dari reagen kimia.

Sifat permukaan protein. Molekul protein mengandung asam amino yang berbeda, yang memiliki radikal hidrofobik berdasarkan hidrokarbon alifatik dan aromatik, dan radikal hidrofilik, termasuk gugus peptida. Radikal ini didistribusikan ke seluruh rantai, dan oleh karena itu sebagian besar protein adalah surfaktan (Bagian 26.6). Ciri khas surfaktan protein adalah adanya fragmen dalam molekulnya dengan keseimbangan hidrofilik-lipofilik yang sangat berbeda, yang menjadikannya penstabil yang efektif untuk sistem dispersi liofobik, pengemulsi lemak dan kolesterol, dan komponen aktif membran biologis.

Karena sifat surfaktannya, beberapa protein membentuk misel liofilik (Bagian 27.3) dengan lipid (termasuk kolesterol dan esternya), yang disebut lipoprotein. Pada lipoprotein tidak terdapat ikatan kovalen antara molekul protein dan lipid, melainkan hanya interaksi antarmolekul. Permukaan luar misel lipoprotein terdiri dari fragmen hidrofilik protein dan molekul fosfolipid, dan bagian dalamnya (inti) adalah lingkungan hidrofobik di mana lemak, kolesterol, dan esternya dilarutkan (Gbr. 21.6). Kehadiran kulit terluar hidrofilik dalam lipoprotein membuat misel kaya lipid ini “larut” dalam air dan sangat cocok untuk mengangkut lemak dari usus kecil ke depot lemak dan berbagai jaringan. Diameter misel lipoprotein berkisar antara 7 hingga 1000 nm.

Tergantung pada kepadatan, ukuran misel dan rasio protein dan lipid di dalamnya, lipoprotein dibagi menjadi 4 kelas (Tabel 21.2).

Beras. 21.6. Misel lipoprotein

Peran kilomikron dan lipoprotein densitas sangat rendah adalah pengangkutan lemak dan hidrolisisnya di bawah aksi lipoprotein lipase. Saat lemak dipecah, terjadi transformasi berikut:

P-lipoprotein terutama mengangkut kolesterol ke dalam sel, dan a-lipoprotein menghilangkan kelebihan kolesterol dari sel.

Ketika mempelajari komposisi lipoprotein serum darah, ditemukan bahwa semakin tinggi rasio B-lipoprotein/a-lipo-protein, semakin besar bahaya penumpukan kolesterol yang melimpah di permukaan bagian dalam pembuluh darah, yaitu aterosklerosis. Aterosklerosis berkontribusi terhadap perkembangan stroke atau infark miokard dengan membatasi aliran darah melalui pembuluh darah yang menyempit di otak atau jantung.

Sifat permukaan protein, yang mencirikan kemampuannya dalam interaksi antarmolekul, mendasari interaksi enzim dengan substrat (Bagian 5.6), antibodi dengan antigen, dan menjelaskan berbagai interaksi, yang disebut komplementaritas spesifik dalam biologi (“kunci dan gembok” teori). Dalam semua kasus ini, terdapat korespondensi yang ketat antara struktur permukaan dan sifat-sifat partikel yang berinteraksi, yang menjamin efisiensi tinggi berbagai jenis interaksi antarmolekul di antara partikel-partikel tersebut (Gbr. 21.3). Dalam biologi, hal ini sering kali tercermin dalam cara yang disederhanakan menggunakan korespondensi grafis dari bentuk dan ukuran partikel yang berinteraksi (Gbr. 21.7).

Sifat informasi protein. Molekul protein dan masing-masing fragmennya dianggap sebagai pembawa biologis

Beras. 21.7. Interpretasi grafis dari korespondensi interaksi antarmolekul antara partikel protein yang dijelaskan oleh komplementaritas spesifik atau teori "kunci dan gembok"

informasi di mana peran huruf alfabet dimainkan oleh 20 residu asam amino. Pembacaan informasi ini didasarkan pada berbagai jenis interaksi antarmolekul dan keinginan sistem untuk menggunakannya secara efektif. Misalnya, pada enzim di dekat pusat aktif, bagian dari molekul protein mengandung residu asam amino tertentu, yang substituennya berorientasi pada ruang sehingga terjadi pengenalan substrat yang ditentukan secara ketat yang bereaksi dengan enzim ini. Interaksi berlangsung dengan cara yang sama antibodi- antigen atau sintesis antibodi yang sesuai terhadap antigen yang muncul terjadi di dalam tubuh. Sifat informasi protein mendasari imunitas, yang merupakan sistem integral mekanisme pertahanan diri biologis tubuh, yang didasarkan pada proses informasi pengenalan “teman” dan “musuh”. “Bahasa asam amino”, yang berisi 20 unit, adalah salah satu cara paling optimal dan andal untuk menyandikan informasi penting untuk berfungsinya sistem kehidupan, termasuk informasi tentang bentuk organ individu dan organisme secara keseluruhan.

Sifat asam basa. Protein, seperti asam a-amino (Bagian 8.2), adalah poliamfolit, menunjukkan sifat asam karena gugus karboksil yang tidak terionisasi -COOH, gugus amonium dari gugus tiol -SH, serta n-hidroksi-

gugus fenil Protein menunjukkan sifat utamanya karena gugus - COO-, gugus amino - NH 2, serta substituen imidazol -C 3 H 3 N 2 dan guanidin - (CH 5 N 3) +. Dalam larutan berair, tergantung pada pH medium, protein dapat terdapat pada pH = pI protein dalam bentuk molekul, yaitu bentuk netral, memiliki struktur ionik bipolar, pada pH< рI белка появля­ется катионная форма, и при рН >pI protein muncul dalam bentuk anionik, terutama karena ionisasi substituen (-RH).

Dalam lingkungan asam kuat, gugus karboksil protein yang terionisasi terprotonasi, dan dalam lingkungan basa kuat, gugus amonium terminal terdeprotonasi. Namun, dalam media biologis, yang tidak dicirikan oleh nilai pH ekstrem seperti itu, transformasi molekul protein seperti itu tidak terjadi. Transformasi asam basa pada molekul protein secara alami disertai dengan perubahan konformasinya, oleh karena itu fungsi biologis dan fisiologis kation atau anion protein akan berbeda tidak hanya satu sama lain, tetapi juga fungsi molekulnya.

Tergantung pada komposisi asam aminonya, protein dibagi menjadi “netral” (pI = 5,0 - 7,0), “asam” (pI< 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI >7.5) (Tabel 21.3). Protein asam memiliki kandungan asam aspartat atau glutamat yang tinggi, sedangkan protein “basa” memiliki kandungan arginin, lisin, atau histidin yang tinggi. Sistem penyangga protein beroperasi di dalam tubuh berdasarkan protein (Bagian 8.4).

Perbedaan sifat asam basa protein mendasari pemisahan dan analisis campuran protein dengan elektroforesis dan kromatografi pertukaran ion. Dalam medan listrik konstan, protein memiliki mobilitas elektroforesis, dan arah pergerakannya ke katoda atau anoda bergantung pada nilai pH larutan dan pI protein. Pada pH< рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При рН >Protein pI berpindah ke anoda karena sebagian berbentuk anion. Pada pH = pI, protein sepenuhnya dalam bentuk molekul dan tidak bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Mobilitas elektroforesis ion protein bergantung pada ukuran dan muatannya, serta pH larutan. Semakin besar perbedaan antara pH larutan dan pH protein, semakin besar mobilitas ionnya. Analisis protein dengan elektroforesis banyak digunakan dalam biokimia klinis untuk diagnosis penyakit.

Sifat yang rumit. Protein adalah ligan polidentat aktif (bagian 10.1), terutama yang mengandung gugus fungsi lunak: tiol, imidazol, guanidin, gugus amino:

Karena adanya berbagai gugus fungsi dalam molekul protein, mereka membentuk senyawa kompleks dengan stabilitas yang bervariasi tergantung pada polarisasi ion pengompleks. Dengan kation K+ dan Na+ yang terpolarisasi rendah (keras), protein membentuk kompleks dengan stabilitas rendah, yang di dalam tubuh bertindak sebagai ionofor untuk kation atau aktivator protein sebagai substrat untuk proses biokimia tertentu. Dengan kation Mg 2+ atau Ca 2+ yang kurang kaku, protein membentuk kompleks yang cukup kuat. Dengan kation logam-d: besi, tembaga, mangan, seng, kobalt, molibdenum (“logam kehidupan”), yang cukup terpolarisasi, yaitu lunak, protein membentuk kompleks yang kuat. Namun, mereka membentuk kompleks yang sangat kuat dengan kation logam beracun: timbal, kadmium, merkuri dan lain-lain yang menunjukkan polarisasi tinggi, yaitu sangat lunak. Kompleks protein yang stabil dengan kation logam sering disebut metaloprotein.

Banyak enzim merupakan kompleks kelat suatu protein dengan kation dari suatu “logam kehidupan”. Dalam hal ini, kation pengomplekslah yang, di bawah pengaruh ligan protein, merupakan pusat aktif enzim, dan sebuah fragmen molekul protein di dekat pusat ini biasanya berperan sebagai identifikasi dan aktivator substrat. Komponen protein metaloenzim sering disebut apoenzim.

Semua protein, bila diolah dengan garam tembaga dalam lingkungan basa, membentuk kompleks khelat berwarna ungu, yang merupakan reaksi kualitatif terhadap protein yang disebut reaksi biuret:

Reaksi ini terjadi melalui deprotonasi gugus peptida protein, yang difasilitasi oleh lingkungan basa dan adanya ion pengompleks di dalamnya.

Reaksi elektrofilik-nukleofilik. Reaksi-reaksi ini terutama mencakup hidrolisis protein - jalur utama katabolisme (pemecahannya) di dalam tubuh. Selama hidrolisis protein, reagen - molekul air - bertindak baik sebagai nukleofil karena OH" dan sebagai elektrofil karena H +. Partikel nukleofilik OH" menyerang pusat elektrofilik ikatan peptida, yaitu atom karbon dari gugus karbonil, dan pusat nukleofilik ikatan ini - atom nitrogen - diserang oleh elektrofil - proton. Akibat serangan molekul air, ikatan peptida dalam protein terputus, dan asam osamino serta peptida pertama kali terbentuk, dan produk akhirnya adalah asam os-amino.

Pemecahan protein secara hidrolitik terjadi di sel mana pun dalam tubuh, lebih tepatnya, di liposomnya, tempat enzim hidrolitik terkonsentrasi. Hidrolisis protein dapat terjadi sebagian (menjadi peptida) dan lengkap (menjadi asam amino). Hidrolisis parsial dipercepat proteinase, yang mendorong pembentukan peptida. Peptida yang dihasilkan dihidrolisis menjadi asam amino dengan partisipasi peptidase. Di dalam tubuh, hidrolisis protein dilakukan terutama oleh seluruh rangkaian enzim, yang masing-masing memecah ikatan peptida yang dibentuk oleh asam amino tertentu. Jadi, karboksipeptidase secara khusus memotong asam amino terminal-C dari protein, trypsin menghidrolisis ikatan peptida antara asam amino dengan substituen non-polar (hidrofobik). kimotripsin memutuskan ikatan peptida yang dibentuk oleh fenilalanin, tirosin, triptofan dengan asam amino lainnya. Di dalam tubuh, protein makanan dipecah sepenuhnya, karena sebagian besar asam amino bebas digunakan untuk kehidupan.

Dalam kondisi laboratorium, protein dihidrolisis dalam lingkungan asam dan basa. Namun, hidrolisis basa praktis tidak digunakan karena ketidakstabilan banyak asam osaminat dalam kondisi ini. Biasanya, hidrolisis lengkap dilakukan dengan memanaskan protein hingga 110°C dalam ampul tertutup dengan 20% HC1 selama 24 jam. Dalam kondisi ini, hidrolisis protein berlangsung hingga selesai, tetapi triptofan yang dihasilkan terurai seluruhnya. Oleh karena itu, preferensi diberikan pada hidrolisis enzimatik.

Protein tubuh yang mengandung asam aspartat dan glutamat dapat bertindak sebagai akseptor amonia, yang sebagai nukleofil bereaksi pada gugus karboksil bebas substituen, yaitu. reaksi tengahasi protein:

Reaksi tengahasi bersifat endergonik, oleh karena itu di dalam tubuh berhubungan dengan reaksi hidrolisis ATP.

Akibat reaksi ini, protein kehilangan sifat aslinya karena mengalami denaturasi permanen.

Reagen elektrofilik aktif (EX): 2,4-dinitrofluorobenzene, fenil isothiocyanate atau dansil klorida - digunakan untuk menentukan struktur primer protein atau peptida. Dengan adanya basa, mereka bereaksi pada asam amino terminal-N dari anion protein dan mendorong eliminasinya dalam bentuk turunan yang sesuai E-NH-CRH-COOH, yang mudah diidentifikasi baik secara kromatografi maupun spektral:

Bagian protein yang tersisa tidak dihancurkan, dan operasi penghilangan asam amino berikutnya dapat diulangi. Reaksi-reaksi ini mendasari pengoperasian penganalisis struktur primer protein otomatis. Biasanya, protein yang akan dianalisis terlebih dahulu mengalami hidrolisis parsial untuk menghasilkan beberapa peptida. Peptida yang dihasilkan dipisahkan, dimurnikan, dan urutan asam amino masing-masing ditentukan, dan kemudian struktur utama protein yang dianalisis disusun.

Sifat redoks. Protein relatif tahan terhadap oksidasi ringan, kecuali protein yang mengandung asam amino sistein, karena gugus tiol yang terakhir mudah teroksidasi menjadi gugus disulfida, dan prosesnya dapat dibalik:

Akibat transformasi ini, terjadi perubahan konformasi protein dan sifat aslinya. Oleh karena itu, protein yang mengandung sulfur sensitif terhadap oksidasi atau reduksi radikal bebas, yang terjadi ketika tubuh terkena radiasi atau bentuk oksigen beracun (Bagian 9.3.9).

Transformasi tiol-disulfida dari protein keratin adalah dasar perm kimiawi rambut, karena sistein dan sistin adalah bagian dari komposisinya. Pertama, rambut diperlakukan dengan zat pereduksi untuk memutus ikatan -S-S- sistin dan mengubahnya menjadi gugus sistein tiol. Kemudian rambut ditata menjadi ikal (keriting) dan diolah dengan zat pengoksidasi. Dalam hal ini, ikatan sistin disulfida terbentuk, yang membantu rambut mempertahankan bentuk barunya.

Dengan oksidasi yang lebih parah, gugus tiol protein dioksidasi menjadi gugus sulfo hampir secara ireversibel:

Oksidasi keras protein menjadi CO2, H2O dan garam amonium digunakan oleh tubuh untuk menghilangkan protein yang tidak diperlukan dan mengisi kembali sumber energinya (16,5 - 17,2 kJ/g).

Di dalam tubuh, protein yang mengandung residu lisin, prolin, fenilalanin, dan triptofan mengalami hidroksilasi enzimatik (oksidasi monooksigenase) dengan partisipasi oksigen dan bentuk koenzim tereduksi:

Sebagai hasil dari reaksi hidroksilasi, sifat hidrofilik protein dan kemampuannya untuk membentuk ikatan hidrogen meningkat. Hal ini terjadi pada tropokolagen, di mana tiga rantai digabungkan menjadi superheliks yang stabil karena ikatan hidrogen, dalam pembentukan residu hidroksiprolin juga ikut serta.

Reaksi serupa terjadi pada molekul tropokolagen, yang mengarah pada “ikatan silang” yang lebih kuat pada rantai peptidanya.

Deaminasi oksidatif protein di bawah pengaruh ninhidrin, disertai dengan pembentukan warna biru - reaksi kualitatif khas terhadap protein - reaksi ninhidrin(lihat bagian 21.2.4).

Untuk mendeteksi protein yang mengandung asam amino aromatik dan heterosiklik, digunakan reaksi xanthoprotein, yang jika terkena asam nitrat pekat akan disertai dengan munculnya warna kuning, yang berubah menjadi oranye jika ditambahkan alkali atau amonia:

Sebagai hasil dari reaksi xanthoprotein, warna kuning pada kulit diamati ketika asam nitrat pekat bersentuhan dengannya.

Dengan demikian, protein dicirikan oleh: konformasi tertentu, keadaan kristal cair, sifat aktif permukaan dan informasi, serta keempat jenis reaksi kimia: asam-basa, pengkompleks, elektrofilik-nukleofilik dan redoks, yang mendasari aktivitas vital. dari setiap sistem kehidupan. Kombinasi dari semua sifat ini menjelaskan keunikan protein bagi seluruh makhluk hidup.