Pothuajse çdo mësim i biologjisë në shkollë tani e di se çfarë janë proteinat. Ata kryejnë shumë funksione në qelizën e një krijese të gjallë.

Çfarë janë proteinat?

Këto janë komponime organike komplekse. Ato përbëhen nga aminoacide, nga të cilat janë gjithsej 20, megjithatë, duke i kombinuar në sekuenca të ndryshme, mund të merrni miliona të ndryshme. kimikatet.

Struktura e proteinave

Pasi të dimë tashmë se çfarë janë proteinat, ne mund të hedhim një vështrim më të afërt në strukturën e tyre. Ekziston një strukturë parësore, dytësore, terciare dhe kuaternare e këtij lloji të substancës.

Struktura primare

Ky është një zinxhir në të cilin aminoacidet janë të lidhura në rendin e duhur. Ky alternim përcakton llojin e proteinës. Për çdo substancë të kësaj klaseështë individuale. Fizike dhe vetitë kimike një proteinë apo një tjetër.

Struktura dytësore

Kjo është forma hapësinore që merr një zinxhir polipeptid për shkak të formimit të lidhjeve hidrogjenore midis grupeve karboksil dhe grupeve imino. Ekzistojnë dy lloje më të zakonshme: spirale alfa dhe struktura beta, e cila ka një pamje të ngjashme me shiritin. E para formohet për shkak të formimit të lidhjeve midis molekulave të të njëjtit zinxhir polipeptid, e dyta - midis dy ose më shumë zinxhirëve të vendosur paralelisht. Megjithatë, është gjithashtu e mundur që një strukturë beta të shfaqet brenda një polimeri të vetëm, në rastin kur disa nga fragmentet e tij rrotullohen 180 gradë.

Struktura terciare

Ky është alternimi dhe rregullimi në lidhje me njëri-tjetrin në hapësirën e seksioneve të spirales alfa, zinxhirëve të thjeshtë polipeptidikë dhe strukturave beta.

Struktura kuaternare

Ekzistojnë gjithashtu dy lloje të tij: globular dhe fibrilar. Kjo strukturë është formuar për shkak të ndërveprimeve elektrostatike dhe lidhjeve hidrogjenore. Globular ka formën e një topi të vogël, dhe fibrilar ka formën e një filli. Shembuj të proteinave me strukturë kuaternare të tipit të parë janë albumina, insulina, imunoglobulina etj.; fibrilar - fibroin, keratin, kolagjen dhe të tjerët. Ka edhe proteina që janë edhe më komplekse në strukturë, për shembull, miozina, e gjetur në indet e muskujve, ajo ka një shufër në formë fibrile, mbi të cilën ndodhen dy koka globulare.

Përbërja kimike e proteinave

Përbërja aminoacide e proteinave mund të përfaqësohet nga njëzet aminoacide, të cilat kombinohen në në rend të ndryshëm dhe sasisë.

Këto janë glicina, alanina, valina, leucina, izoleucina, serina, treonina, cisteina, metionina, lizina, arginina, acidi aspartik, asparagina, acidi glutamik, glutamina, fenilalanina, tirozina, triptofani, histidina dhe prolina. Midis tyre ka të pazëvendësueshme, pra ato që trupi i njeriut nuk është në gjendje t'i prodhojë vetë. Ekzistojnë 8 aminoacide të tilla për të rriturit dhe 2 të tjera për fëmijët: leucina, izoleucina, valina, metionina, lizina, triptofani, fenilalanina, treonina, si dhe histidina dhe arginina.

Shembuj të proteinave me struktura të ndryshme

Një përfaqësues i shquar i proteinave globulare është albumina. Struktura e saj terciare përbëhet nga spirale alfa që lidhen me zinxhirë të vetëm polipeptid.

Primari formohet nga aminoacide si acidi aspartik, alanina, cisteina dhe glicina. Kjo proteinë gjendet në plazmën e gjakut dhe kryen funksionin e transportit të substancave të caktuara. Ndër fibrilarët dallohen fibroina dhe kolagjeni. Struktura terciare e të parit është një substancë e strukturave beta që lidhen me zinxhirë polipeptidikë të vetëm. Vetë zinxhiri është një alternim i alaninës, glicinës, cisteinës dhe serinës. Ky përbërës kimik është përbërësi kryesor i rrjetave të merimangës dhe mëndafshit, si dhe i puplave të shpendëve.

Çfarë është denatyrimi?

Ky është procesi i shkatërrimit së pari të strukturave kuaternare, pastaj terciare dhe sekondare të proteinës. Proteina me të cilën ndodhi kjo nuk mund të kryejë më funksionet e saj dhe humbet vetitë e saj themelore fizike dhe kimike. Ky proces ndodh kryesisht për shkak të ndikimit temperaturat e larta ose kimikate agresive. Për shembull, në temperatura mbi dyzet gradë Celsius, hemoglobina, e cila bart oksigjenin përmes gjakut të organizmave, fillon të denatyrohet. Kjo është arsyeja pse një rritje kaq e fortë e temperaturës është e rrezikshme për njerëzit.

Funksionet e proteinave

Pasi të keni mësuar se çfarë janë proteinat, mund t'i kushtoni vëmendje rolit të këtyre substancave në jetën e qelizës dhe të gjithë organizmit në tërësi. Ata kryejnë nëntë funksione kryesore. E para është plastike. Ato janë përbërës të shumë strukturave të një organizmi të gjallë dhe shërbejnë si materiale ndërtimi për qelizat. E dyta është transporti. Proteinat janë të afta të transportojnë substanca, shembuj të substancave për këtë qëllim janë albumina, hemoglobina, si dhe proteina të ndryshme transportuese të vendosura në membranën plazmatike të qelizës, secila prej të cilave lejon vetëm një substancë të caktuar të kalojë në citoplazmë nga mjedisi. Funksioni i tretë është mbrojtës. Ajo kryhet nga imunoglobulinat, të cilat janë pjesë e sistemit imunitar dhe kolagjeni, i cili është përbërësi kryesor i lëkurës. Gjithashtu, proteinat në trupin e njeriut dhe organizmat e tjerë kryejnë një funksion rregullues, pasi ka një numër hormonesh të përfaqësuara nga substanca të tilla, për shembull, insulina. Një rol tjetër që luajnë këta komponimet kimike, - sinjal. Këto substanca transmetojnë impulset elektrike nga qeliza në qelizë. Funksioni i gjashtë është motori. Përfaqësues të shquar të proteinave që e kryejnë këtë janë aktina dhe miozina, të cilat janë të afta për tkurrje (gjenden në muskuj). Substancat e tilla mund të shërbejnë edhe si substanca rezervë, por për qëllime të tilla ato përdoren mjaft rrallë, ato janë kryesisht proteina që gjenden në qumësht. Ata gjithashtu kryejnë një funksion katalitik - ka enzima proteinike në natyrë. Dhe funksioni i fundit është receptori. Ekziston një grup proteinash që denatyrohen pjesërisht nën ndikimin e një faktori ose një tjetër, duke i dhënë kështu një sinjal të gjithë qelizës, e cila e transmeton atë më tej.

Një zinxhir polipeptid linear në ujë është i aftë të paloset spontanisht në një kompleks strukturë tredimensionale(globule) dhe vetëm në këtë formë të palosur proteinat mund të kryejnë katalizim kimik e të tjera punë interesante. Prandaj, është thelbësisht e rëndësishme për ne të njohim palosjen tredimensionale të proteinës, pasi vetëm në këtë nivel bëhet e qartë se si funksionon proteina.

Pyetje: Sa struktura tredimensionale i korrespondojnë një proteine ​​të caktuar?
Përgjigju: Një, deri në lëvizshmëri të lehtë të sytheve të vogla "të çrregullta". Ekziston saktësisht një përjashtim i njohur, kur një sekuencë korrespondon me 2 struktura krejt të ndryshme, këto janë prione.

Pyetje: Ku bazohet struktura tredimensionale e një proteine?
Përgjigju: me pak fjalë, kryesisht në një numër të madh ndërveprimesh jokovalente. Në parim, grupet kimike të një proteine ​​mund të formojnë: (1) një lidhje hidrogjeni, këto grupe janë të pranishme si në zinxhirin kryesor ashtu edhe në disa grupe anësore, (2) lidhje jonike– ndërveprimi elektrostatik ndërmjet grupeve anësore të ngarkuara në mënyrë të kundërt, (3) ndërveprimi van der Waals dhe (4) efekti hidrofobik, i cili bazohet në strukturën e përgjithshme ketri. Në fund të fundit, një proteinë përmban gjithmonë mbetje aromatike hidrofobike, është energjikisht e pafavorshme që ato të vijnë në kontakt me molekulat polare të ujit, por është e dobishme që ato të "ngjiten" me njëra-tjetrën. Kështu, kur një proteinë paloset, grupet hidrofobike shtyhen nga mjedisi ujor, duke "ngjitur" me njëri-tjetrin dhe duke formuar një "bërthamë hidrofobike", ndërsa grupet polare dhe të ngarkuara, përkundrazi, priren në mjedisin ujor, duke formuar sipërfaqen. të globulës së proteinave. Gjithashtu (5) grupet anësore të dy mbetjeve të cisteinës mund të formojnë një urë disulfide midis tyre - një lidhje kovalente e plotë që fikson në mënyrë të ngurtë proteinën.

Prandaj, të gjitha aminoacidet ndahen në hidrofobike, polare (hidrofile), të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht. Plus cisteina, të cilat mund të krijojnë lidhje kovalente me njëra-tjetrën. Karakteristikat e veçanta posedon glicinë - i mungon një grup anësor, i cili kufizon shumë lëvizshmërinë konformative të mbetjeve të tjera, kështu që mund të "përkulet" shumë fort dhe ndodhet në vendet ku duhet të shpaloset zinxhiri i proteinave. Në prolinë, përkundrazi, grupi anësor formon një unazë të lidhur në mënyrë kovalente me zinxhirin kryesor, duke fiksuar në mënyrë të ngurtë konformimin e tij. Prolinat gjenden aty ku është e nevojshme që zinxhiri i proteinave të bëhet i ngurtë dhe jo fleksibël. Shumë sëmundje shoqërohen me një mutacion nga prolina në glicinë, gjë që bën që struktura e proteinave të "noton" pak.

Pyetje: Si e dimë ne për strukturat tredimensionale të proteinave?
Përgjigju: nga eksperimenti, këto janë të dhëna absolutisht të besueshme.
Tani ekzistojnë 3 metoda për përcaktimin eksperimental të strukturës së proteinave: rezonancë magnetike bërthamore(NMR), krio-EM (mikroskopi elektronik) dhe analiza e difraksionit me rreze X të kristaleve të proteinave.

NMR mund të përcaktojë strukturën e një proteine ​​në tretësirë, por funksionon vetëm për proteina shumë të vogla (është e pamundur të dekonvolutohet për ato të mëdha).


Kjo metodë ishte e rëndësishme për provën e përgjithshme se një proteinë ka vetëm një strukturë tre-dimensionale dhe se struktura e proteinës në kristal është identike me atë në tretësirë. Kjo është një metodë shumë e shtrenjtë, pasi kërkon proteina të etiketuara në mënyrë izotopike.

Cryo-EM përfshin thjesht ngrirjen e një solucioni proteinik dhe mikroskopimin e saj. Disavantazhi i metodës është rezolucion i ulët (vetëm forma e përgjithshme e molekulës është e dukshme, por jo si është e vendosur brenda), plus dendësia e proteinës është afër densitetit të ujit/tretësit, kështu që sinjali mbytet në niveli i lartë i zhurmës. Kjo metodë përdoret në mënyrë aktive teknologji kompjuterike duke punuar me foto dhe statistika për të nxjerrë sinjalin nga zhurma.

Përzgjidhen miliona fotografi të molekulave të proteinave, të ndara në klasa në varësi të orientimit të molekulës në lidhje me substratin, mesatarja midis klasave, gjenerimi i imazheve vetjake, një raund i ri mesatar, e kështu me radhë derisa të konvergohet. Pastaj nga informacionet nga klasa të ndryshmeështë e mundur të rindërtohet një pamje 3D me rezolucion të ulët të molekulës. Nëse ka simetri të brendshme të grimcave (për shembull, në analizën cryo-EM të viruseve), atëherë çdo grimcë mund të mesatarizohet në përputhje me operatorët e simetrisë - atëherë rezolucioni do të jetë edhe më i mirë, por më i keq se në rastin e rrezeve X analiza e difraksionit.

Analiza e difraksionit me rreze X është metoda kryesore për përcaktimin e strukturave proteinike. Avantazhi kryesor është se është potencialisht e mundur të merren kristale të komplekseve madje shumë të mëdha nga shumë dhjetëra proteina (për shembull, kështu u përcaktua struktura e ribozomit - Çmimin Nobel 2009). Disavantazhi i kësaj metode është se së pari duhet të merrni një kristal proteine, por jo çdo proteinë dëshiron të kristalizohet.

Por pasi të merret kristal, me anë të difraksionit me rreze X është e mundur të përcaktohen pa mëdyshje pozicionet e të gjithë atomeve (të renditura) në molekulën e proteinës, kjo metodë jep rezolucionin më të lartë dhe lejon, në rastet më të mira, të shikohen pozicionet e tyre; atome individuale. Është vërtetuar se struktura e proteinës në kristal korrespondon në mënyrë unike me strukturën në tretësirë.

Tani ekziston një konventë - nëse keni përcaktuar strukturën e një proteine ​​duke përdorur ndonjë nga eksperimentet metodat fizike, struktura duhet të vendoset në domenin publik në Bankën e të Dhënave të Proteinave (PDB, www.pdb.org), aktualisht ka më shumë se 90,000 struktura atje (megjithatë, shumë prej tyre po përsërisin, për shembull, komplekse të së njëjtës proteina me molekula të vogla të ndryshme, si p.sh barna). Në PDB, të gjitha strukturat janë në një format standard të quajtur, papritmas, pdb. Ky është një format teksti në të cilin çdo atom i strukturës korrespondon me një rresht, i cili tregon numrin e atomit në strukturë, emrin e atomit (karbon, azot, etj.), emrin e aminoacidit që atomi është pjesë e emrit të zinxhirit proteinik (A, B, C, etj., nëse ky është një kristal i një kompleksi të disa proteinave), numri i aminoacideve në zinxhir dhe koordinatat tredimensionale të atomi në angstromë në lidhje me origjinën, plus të ashtuquajturin faktor të temperaturës dhe popullatë (këto janë parametra thjesht kristalografikë).

ATOM 1 N HIS A 17 -12.690 8.753 5.446 1.00 29.32 N ATOM 2 CA HIS A 17 -11.570 8.953 6.350 1.00 21.61 C ATOM 3 14 C HIS 4.710 22. 01 C ATOM 4 O TIJ A 17 -10.193 8.315 4.491 1.00 29.95 O ATOM 5 CB HIS A 17 -11.462 7.820 7.380 1.00 23.64 C ATOM 6 CG HIS A 17 -12.551 7.811 8.4021 ND 7.4021 .731 7.137 8.1 94 1.00 28.94 N ATOM 8 CD2 HIS A 17 -12.634 8.384 9.644 1.00 21.69 C ATOM 9 CE1 HIS A 17 -14.492 7.301 9.267 1.00 27.01 C ATOM 10 NE2 HIS A 17 -11606 ATOM 11 N ILE A 18 -9.2 69 9.660 6.089 1.00 19.45 N ATOM 12 CA ILE A 18 - 7.910 9.377 5.605 1.00 18.67 C ATOM 13 C ILE A 18 -7.122 8.759 6.749 1.00 16.24 C ATOM 14 O ILE A 1511.801.801 ATOM 15 CB ILE A 18 -7,228 10,640 5,088 1,00 20,22 C ATOM 16 CG1 ILE A 18 -7,062 11,686 6,183 1,00 18,52 C ATOM 17 CG2 ILE A 18 -7,981 11,176 3,889 1,00 24,61 C ATOMLE 18,61 A1841 CD 1,00 28,21 C ATOM 19 N ASN A 19 -6,121 8,023 6,349 1,00 15,46 N ATOM 20 CA ASN A 19 -5,239 7,306 7,243 1,00 14,34 C ATOM 21 C ASN A 19 -4,012 8,178 7,507 1,00 14,83 C ATOM 3751 1,00 18,03 O ATOM 23 CB ASN A 19 -4,825 6,003 6,573 1,00 17,71 C ATOM 24 CG ASN A 19 -6,062 5,099 6,413 1,00 21,26 C ATOM 25 OD1 ASN A 19 -6,606 4,651 7,400 6,418 ND 1,000 20 4,899 5,151 1,00 31,73 N

Pastaj ka programe speciale që, bazuar në të dhënat nga ky skedar teksti, mund të shfaqin grafikisht strukturën e bukur tre-dimensionale të një molekule proteine, e cila mund të rrotullohet në ekranin e monitorit dhe, siç tha Guy Dodson, "prek molekulën me miu” (për shembull, PyMol, CCP4mg, RasMol i vjetër) . Kjo do të thotë, është e lehtë të shikosh strukturat e proteinave - instaloni programin, ngarkoni strukturën e dëshiruar nga PDB dhe shijoni bukurinë e natyrës.

4. Analizoni strukturën

Struktura dytësore e një proteine ​​përcaktohet nga ndërveprimet e atomeve të shtyllës kurrizore të proteinës. Siç u përmend më lart, zinxhiri kryesor i një proteine ​​përfshin donatorët dhe pranuesit e lidhjeve hidrogjenore, kështu që zinxhiri kryesor mund të marrë një strukturë. Më saktësisht, disa struktura të ndryshme (detajet varen ende nga grupet e ndryshme anësore), pasi formimi i lidhjeve të ndryshme alternative të hidrogjenit midis grupeve të zinxhirit kryesor është i mundur. Strukturat janë si më poshtë: spirale alfa, fletë beta (të përbëra nga disa fije beta), të cilat mund të jenë paralele ose antiparalele, kthesë beta. Plus, një pjesë e zinxhirit mund të mos ketë një strukturë të theksuar, për shembull, në rajonin e kthesës së lakut të proteinave. Këto lloje strukturash kanë përcaktimet e tyre skematike të vendosura - spirale alfa në formën e një spirale ose cilindri, fillesat beta në formën e shigjetave të gjera. Struktura dytësore mund të parashikohet mjaft e besueshme nga struktura primare (JPred është standardi), spirale alfa parashikohen me saktësi dhe ka mbivendosje me fillesat beta.

Struktura terciare e një proteine ​​përcaktohet nga ndërveprimi i grupeve anësore të mbetjeve të aminoacideve, kjo është struktura tredimensionale e proteinës. Mund të imagjinohet se struktura dytësore është formuar dhe tani këto spirale dhe fije beta duan të përshtaten së bashku në një strukturë kompakte tre-dimensionale, në mënyrë që të gjitha grupet anësore hidrofobike të "ngjiten së bashku" në heshtje në thellësitë e globulës së proteinave, duke formuar një bërthamë hidrofobike, dhe mbetjet polare dhe të ngarkuara dalin jashtë në ujë, duke formuar sipërfaqen e proteinës dhe duke stabilizuar kontaktet midis elementeve strukturë dytësore. Struktura terciare është përshkruar në mënyrë skematike në disa mënyra. Nëse thjesht vizatoni të gjithë atomet, do të keni një rrëmujë (megjithëse kur analizojmë vendin aktiv të një proteine, duam të shohim të gjitha atomet e mbetjeve aktive).

Nëse duam të shohim se si është e organizuar e gjithë proteina në përgjithësi, mund të shfaqim vetëm disa nga atomet e zinxhirit kryesor për të parë përparimin e saj. Përndryshe, mund të vizatoni një diagram të bukur, ku elementët e strukturës dytësore vizatohen në mënyrë skematike në krye të rregullimit aktual të atomeve - në këtë mënyrë palosja e proteinave është e dukshme në shikim të parë. Pasi të keni studiuar të gjithë strukturën në një formë të përgjithshme, skematike, mund të shfaqni grupet kimike të zonës aktive dhe të përqendroheni në to. Problemi i parashikimit të strukturës terciare të një proteine ​​është jo i parëndësishëm dhe nuk mund të zgjidhet në rastin e përgjithshëm, megjithëse mund të zgjidhet në raste të veçanta. Më shumë detaje më poshtë.

Struktura e proteinave kuaternare - po, ekziston një gjë e tillë, megjithëse jo të gjitha proteinat e kanë atë. Shumë proteina funksionojnë më vete (monomere, në në këtë rast me monomer nënkuptojmë një zinxhir të vetëm polipeptid të palosur, domethënë të gjithë proteinën), atëherë struktura e tyre kuaternare është e barabartë me atë terciare. Sidoqoftë, mjaft proteina funksionojnë vetëm në një kompleks të përbërë nga disa zinxhirë polipeptidikë (nënnjësi ose monomere - dimerë, trimerë, tetramerë, multimerë), atëherë një asamble e tillë e disa zinxhirëve individualë quhet një strukturë kuaternare. Shembulli më banal është hemoglobina, e përbërë nga 4 nënnjësi, për mendimin tim, është proteina bakteriale TRAP, e përbërë nga 11 nënnjësi identike.

5. Detyrat llogaritëse

Në nivel të strukturës parësore– kërkimi i proteinave me sekuenca të ngjashme aminoacide, ndërtimi i pemëve evolucionare në bazë të tyre, etj. problemet klasike bioinformatikë. Qendra kryesore është NCBI - Qendra Kombëtare për Informacionin Bioteknologjik, www.ncbi.nlm.nih.gov. Për të kërkuar proteina me sekuenca të ngjashme, BLAST përdoret standardisht: blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi

Parashikimi i tretshmërisë së proteinave. Çështja është se nëse lexojmë gjenomën e një kafshe, përcaktojmë sekuencat e proteinave prej saj dhe klonojmë këto gjene në Escherichia coli ose sistemin e shprehjes së bakulovirusit, rezulton se kur shprehet në këto sisteme, afërsisht një e treta e proteinave do të nuk paloset në strukturën e duhur dhe, si rezultat, do të jetë i pazgjidhshëm. Këtu rezulton se proteinat e mëdha në të vërtetë përbëhen nga "fushe" të veçanta, secila prej të cilave përfaqëson një pjesë autonome, funksionale të proteinës (duke kryer një nga funksionet e saj) dhe shpesh duke "prerë" një domen të veçantë nga një gjen, ju mund të merrni një proteinë të tretshme dhe përcaktoni strukturën e saj dhe kryeni eksperimente me të. Njerëzit përpiqen të përdorin mësimi i makinës (rrjetet nervore, SVM dhe klasifikues të tjerë) për të parashikuar tretshmërinë e proteinave, por funksionon mjaft dobët (Google do të tregojë shumë gjëra për pyetjen "parashikimi i tretshmërisë së proteinave" - ​​ka shumë serverë, por në përvojën time ata të gjithë punojnë në mënyrë të neveritshme në proteinat e mia) . Idealisht, unë do të doja të shihja një shërbim që do të tregonte me besueshmëri se ku ndodhen ato domene të tretshme në një proteinë, në mënyrë që të mund të priten dhe të punonin me to - nuk ekziston një shërbim i tillë.

Në nivelin e strukturës dytësore– parashikimi i së njëjtës strukturë dytësore nga ajo primare (JPred)

Në nivelin e strukturës terciare– kërkoni për proteina me struktura të ngjashme tre-dimensionale (DALI, en.wikipedia.org/wiki/Structural_alignment),
Kërkoni për struktura bazuar në një nënstrukturë të caktuar. Për shembull, unë kam rregullimin e tre aminoacideve të zonës aktive në hapësirë. Dua të gjej struktura që përmbajnë të njëjtat tre aminoacide në të njëjtin rregullim relativ, ose të gjej struktura proteinike, mutacioni i të cilave do të bëjë të mundur renditjen e aminoacideve të nevojshme në mënyrën e dëshiruar. ("Kërkimi i nënstrukturës së proteinave" në Google)
Parashikimi i lëvizshmërisë së mundshme të një strukture tre-dimensionale, ndryshimet e mundshme konformative - analiza e modalitetit normal, ElNemo.

Në nivel të strukturës kuaternare– supozojmë se dihen strukturat e dy proteinave. Ata dihet se formojnë një kompleks. Parashikoni strukturën e kompleksit (përcaktoni se si këto dy proteina do të ndërveprojnë përmes përputhjes së formës, për shembull). Google "docking protein-protein"

6. Parashikimi i strukturës së proteinave

Ne e dimë eksperimentalisht se nëse merrni një proteinë, e shpalosni plotësisht dhe e hidhni në ujë, ajo do të paloset përsëri në gjendjen e saj origjinale në një kohë prej milisekonda deri në sekonda (kjo deklaratë është e vërtetë të paktën për proteinat e vogla globulare pa asnjë patologji). Kjo do të thotë se i gjithë informacioni i nevojshëm për të përcaktuar strukturën tre-dimensionale të një proteine ​​përmbahet në mënyrë implicite në sekuencën e saj parësore, prandaj ekziston një dëshirë e fortë për të mësuar se si të parashikohet struktura tredimensionale e një proteine ​​nga aminoacidi. sekuencë në silikon! Megjithatë, ky problem ende nuk është zgjidhur në rastin e përgjithshëm. Çfarë është puna? Fakti është se sekuenca kryesore nuk përmban në mënyrë eksplicite informacionin e nevojshëm për të ndërtuar strukturën. Së pari, nuk ka asnjë informacion në lidhje me konformimin e zinxhirit kryesor - dhe ai ka lëvizshmëri të konsiderueshme, megjithëse disi të kufizuar për arsye sterike. Plus, çdo zinxhir anësor i secilit aminoacid mund të jetë në konformacione të ndryshme për zinxhirë të gjatë anësor si arginina, kjo mund të jetë më shumë se një duzinë konformacionesh.

Çfarë duhet bërë? Ka një të tillë mjaft të njohur për banorët e Khabra qasje e përgjithshme, i quajtur "dinamikë molekulare" dhe i përshtatshëm për çdo molekulë dhe sistem. Marrim një proteinë të shpalosur dhe ia caktojmë të gjithë atomeve vlerat e rastësishme shpejtësitë, numëroni ndërveprimet midis atomeve, përsërisni derisa sistemi të arrijë një gjendje të qëndrueshme që korrespondon me një proteinë të palosur. Pse nuk funksionon kjo? Sepse fuqia moderne kompjuterike bën të mundur, gjatë muajve të funksionimit të grupimeve, të numërohen dhjetëra nanosekonda për një sistem me mijëra atome, si për shembull një proteinë e vendosur në ujë. Koha e palosjes së proteinave është milisekonda ose më shumë, domethënë nuk ka fuqi të mjaftueshme llogaritëse, hendeku është disa rend të madhësisë. Megjithatë, disa vjet më parë amerikanët bënë disa përparime. Ata përdorën pajisje speciale të optimizuara për llogaritjet e vektorit dhe pas optimizimit në nivel harduer, gjatë muajve të punës së makinës ata ishin në gjendje të llogaritnin dinamikën molekulare deri në milisekonda për një proteinë shumë të vogël dhe proteinën e palosur, struktura korrespondonte me atë të përcaktuar eksperimentalisht. (http://en.wikipedia.org/wiki /Anton_(kompjuter))! Megjithatë, është shumë herët për të festuar fitoren. Ata morën një proteinë shumë të vogël (madhësia e saj është 5-10 herë më e vogël se proteina mesatare) dhe një nga proteinat e palosshme më të shpejtë, një proteinë model klasik mbi të cilin u studiua palosja. Për proteinat e mëdha, koha e llogaritjes rritet në mënyrë jolineare dhe do të duhen vite, që do të thotë se ka ende punë për të bërë.

Një qasje e ndryshme zbatohet në Rosetta. Ata thyejnë sekuencën e proteinave në fragmente shumë të shkurtra (3-9 mbetje) dhe shikojnë se çfarë konformacionesh për këto fragmente janë të pranishme në PDB, më pas ekzekutojnë Monte Carlo në të gjitha variantet dhe shohin se çfarë ndodh. Ndonjëherë del diçka e mirë, por në rastet e mia, pas disa ditësh funksionimi të grupit, merr një donut të tillë sa të lind një pyetje e heshtur: “Kush e ka shkruar funksionin e tyre të vlerësimit që vendos një lloj notë e mirë kjo skuqje?

Ekzistojnë gjithashtu mjete për modelimin manual - mund të parashikoni strukturën dytësore dhe të përpiqeni ta ktheni manualisht, duke gjetur përshtatjen më të mirë. Disa njerëz brilantë Madje ata lëshuan një lodër FoldIt, e cila përfaqëson proteinën në mënyrë skematike dhe ju lejon ta palosni atë, sikur të montoni një enigmë (e rekomandoj për ata që janë të interesuar për strukturën!). Ekziston një konkurs plotësisht zyrtar për parashikuesit e strukturës së proteinave të quajtur CASP. Çështja është se kur eksperimentuesit përcaktojnë strukturë e re proteina që nuk ka analoge në PDB, ata mund të mos e publikojnë menjëherë në PDB, por të dorëzojnë sekuencën e kësaj proteine ​​në konkursin e parashikimit të CASP. Pas një kohe, kur të gjithë kanë mbaruar modelet e tyre parashikuese, eksperimentuesit parashtrojnë strukturën e tyre të proteinave të përcaktuar në mënyrë eksperimentale dhe shohin se sa mirë kanë punuar parashikuesit. Gjëja më interesante është se lojtarët e FoldIt, duke mos qenë shkencëtarë, fituan disi CASP kundër profesionistëve të modelimit të strukturës së proteinave dhe parashikuan strukturën e proteinave më saktë. Sidoqoftë, edhe këto suksese nuk na lejojnë të themi se problemi i parashikimit të strukturës së proteinave po zgjidhet - shumë shpesh modeli është shumë larg strukturës reale.

E gjithë kjo lidhet me modelimin e proteinave ab initio, kur nuk ka informacion apriori për strukturën. Megjithatë, shumë shpesh ka situata kur për disa proteina një i afërm i largët me një strukturë tashmë të njohur është i pranishëm në PDB. Me relative nënkuptohet një proteinë me një sekuencë parësore të ngjashme. Proteinat me një ngjashmëri të sekuencës primare më të madhe se 30% konsiderohen të kenë palosje identike të shtyllës kurrizore (megjithëse palosja e ngjashme është vërejtur edhe për proteinat që nuk shfaqin ndonjë ngjashmëri statistikisht të rëndësishme të sekuencës primare). Nëse ka një homolog (proteinë e ngjashme) me një strukturë të njohur, ju mund të bëni "modelim homolog", domethënë thjesht "shtrini" sekuencën e proteinës suaj në strukturën e njohur të homologut dhe më pas kryeni minimizimin e energjisë për të renditur disi e gjithë kjo gjë jashtë. Një modelim i tillë tregon rezultate të mira në prani të homologëve shumë të afërt, sa më larg të jetë homologu, aq më i madh është gabimi. Mjetet për modelimin e homologjisë – Modeller, SwissModel.

Ju mund të zgjidhni probleme të tjera, për shembull, të përpiqeni të simuloni se çfarë do të ndodhë nëse futni një ose një tjetër mutacion në një proteinë. Për shembull, nëse zëvendësoni një aminoacid hidrofilik në sipërfaqen e një proteine ​​me një tjetër hidrofil, atëherë ka shumë të ngjarë që struktura e proteinës nuk do të ndryshojë fare. Nëse zëvendësoni një aminoacid nga një bërthamë hidrofobike me një tjetër hidrofobike, por me një madhësi të ndryshme, atëherë ka shumë të ngjarë që palosja e proteinave të mbetet e njëjtë, por do të "zhvendoset" pak nga fraksionet e një angstromi. Nëse zëvendësoni një aminoacid nga një bërthamë hidrofobike me një të ngarkuar, atëherë ka shumë të ngjarë që proteina thjesht do të "shpërthejë" dhe nuk do të jetë në gjendje të paloset.

Mund të duket sikur gjërat nuk janë aq të këqija dhe ne kemi një kuptim mjaft të mirë të palosjes së proteinave. Po, ne i kuptojmë disa gjëra, për shembull, deri diku kuptojmë gjeneralin parimet fizike, në themel të palosjes së zinxhirit polipeptid - ato diskutohen në librin e mrekullueshëm shkollor nga Ptitsyn dhe Finkelstein "Fizika e proteinave". Sidoqoftë, ky kuptim i përgjithshëm nuk na lejon t'u përgjigjemi pyetjeve "A do të paloset apo jo kjo proteinë?", "Çfarë strukture do të ketë kjo proteinë?", "Si të bëjmë një proteinë me strukturën e dëshiruar?"

Këtu është një ilustrim: ne duam të lokalizojmë një nga domenet e një proteine ​​të madhe, këtë detyrë standarde. Kemi një fragment që paloset dhe është i tretshëm, domethënë është një proteinë e gjallë dhe e shëndetshme. Ne duam të gjejmë pjesën e saj minimale dhe të fillojmë të përdorim metodat e inxhinierisë gjenetike për të hequr 2-3 aminoacide nga të dy skajet, për të shprehur një proteinë të tillë të shkurtuar në baktere dhe për të vëzhguar palosjen e saj eksperimentalisht. Ne bëjmë dhjetëra konstruksione me fshirje kaq të vogla dhe shohim foton e mëposhtme: një proteinë plotësisht e tretshme dhe e gjallë ndryshon nga një proteinë plotësisht e vdekur dhe jo e palosshme me 3 aminoacide. E përsëris, ky është një rezultat objektiv eksperimental. Problemi është se aktualisht nuk ka asnjë metodë llogaritëse që do të parashikonte palosjen e një proteine ​​të paktën në një nivel po/jo dhe të më tregonte se ku është kufiri midis një proteine ​​të palosshme dhe një proteine ​​jo të palosshme, kështu që ne jemi të detyruar të klonojmë dhe testojmë eksperimentalisht dhjetra variante. Ky është vetëm një ilustrim i faktit se kuptimi ynë i strukturës së proteinave është larg të qenit i përsosur. Siç tha Richard Feynman, "Atë që nuk mund ta rikrijoj, nuk e kuptoj".

Pra, zotërinj, programues, fizikanë dhe matematikanë, ne kemi ende punë për të bërë.

Me këtë notë optimiste, më lejoni të marr lejen time, faleminderit të gjithëve që zotëruan këtë opus.

Për të njohur njëri-tjetrin thellë fusha lëndore Unë rekomandoj minimumin e mëposhtëm:
1) "Fizika e proteinave" Ptitsyn dhe Finkelstein. Alexey Vitalievich Finkelshtein postoi shumicën e materialit në internet, të cilin me mirënjohje rekomandoj ta përdorni: phys.protres.ru/lectures/protein_physics/index.html (dhe unë vodha disa fotografi nga atje)
2) Patrushev, "Sistemet gjenetike artificiale", veçanërisht pjesa II "Inxhinieria e proteinave". E disponueshme në torrent në formatin Djvu
3) Për informacion të botuar në revista shkencore biologjike, ekziston motori zyrtar i kërkimit PubMed (www.pubmed.org) - ia vlen t'i kërkoni atij të lexojë për "inxhinierinë e proteinave" dhe të ngjashme.

Etiketa:

• biologjisë
• bioinformatikë
• bioteknologjia

Proteinat, ose proteinat, në organizmat e gjallë formohen kryesisht nga 20 aminoacidet natyrore më të rëndësishme si rezultat i një reaksioni polikondensimi në prani të enzimeve. Peshat molekulare të proteinave ndryshojnë në një gamë shumë të gjerë: nga 10,000 në 1,000,000 e lart.

Shtylla kurrizore e zinxhirit proteinik është e ndërtuar nga fragmente aminoacide të lidhura me lidhje peptide dhe është e rrethuar nga të ndryshme natyra kimike deputetë. Lidhja peptide në proteina është e qëndrueshme në 37°C në një mjedis neutral, por mund të hidrolizohet në një mjedis acid ose alkalik. Në trup, hidroliza e proteinave kryhet nën veprimin e enzimave të peptidazës dhe kontrollohet rreptësisht.

NË proteinat natyrale Gjatësia dhe përbërja e zinxhirit ndryshojnë shumë, gjë që lejon molekulat e tyre, edhe në tretësirë, të marrin një shumëllojshmëri konformacion.

KonformacionetMakromolekulat e proteinave në tretësirë ​​përfaqësojnë format e tyre të ndryshme hapësinore, që lindin si rezultat i rrotullimeve të fragmenteve molekulare individuale rreth lidhjeve të vetme dhe të stabilizuara nga lidhjet ndërmolekulare midis grupeve individuale të një makromolekule të caktuar ose molekulave të substancave të vendosura në tretësirën përreth.

Tranzicionet e ndërsjella konformative kryhen kryesisht pa thyer lidhjet kovalente në makromolekulën e proteinave. Kur përshkruhet përbërja dhe konformimi i një proteine, përdoren konceptet parësore, dytësore, terciare Dhe struktura kuaternare.

Struktura primareështë specifike për një proteinë individuale dhe përcaktohet nga përbërja dhe sekuenca e mbetjeve të aminoacideve të zinxhirit të saj. Kur shkruani formula të plota të proteinave, tregoni rendin e mbetjeve të aminoacideve që ndjekin njëra-tjetrën duke përdorur emërtimet e tyre me tre shkronja, duke filluar nga fundi N i zinxhirit. Një ide e strukturës primare të mioglobinës njerëzore, e cila përmban vetëm 153 mbetje aminoacide në molekulë, jepet me shënimin e shkurtuar të mëposhtëm:

Në mënyrë rigoroze rregullimi linear Zinxhiri polipeptid është energjikisht i pafavorshëm, pasi praktikisht eliminon ndërveprimet midis radikalëve të ndryshëm të mbetjeve të aminoacideve. Si rezultat i ndërveprimeve pikërisht të tilla, lindin lidhje shtesë që stabilizojnë një ose një tjetër konformacion të zinxhirit proteinik në hapësirë. Kjo ndodh përmes ndërveprimeve të mëposhtme: ndërveprimi jon-jon; lidhje hidrogjenore; hidratimi i grupeve polare; lidhje disulfide; Ndërveprimet e Vander Waals ndërmjet zëvendësuesve jopolarë; ndërveprimet hidrofobike, si rezultat i së cilës molekulat e ujit shtyhen jashtë zonës së ndërveprimit të zëvendësuesve jopolarë me njëri-tjetrin, si dhe lidhje dhuruese-pranuese ndërmjet jonit kompleks dhe grupeve ligande të proteinës (Fig. 21.3).

Struktura dytësore e proteinave karakterizon formën e një zinxhiri polipeptid, i cili mund të jetë spirale (a-strukturë), e palosur (B - struktura) ose i çrregulluar (Fig. 21.4). Roli kryesor në formimin dhe mirëmbajtjen e strukturës dytësore

Oriz. 21.3. Llojet e ndërveprimeve midis zëvendësuesve të mbetjeve të aminoacideve të një molekule proteine ​​dhe mjedisit ujor

Oriz. 21.4. Struktura dytësore e proteinave: A- a-strukturë (spiral), b- Struktura P (e palosur) luhet nga lidhjet hidrogjenore që lindin midis grupeve të shtyllës kurrizore të zinxhirit polipeptid.

Rregullimi hapësinor i strukturës a mund të imagjinohet duke imagjinuar që zinxhiri polipeptid mbështillet rreth një cilindri dhe radikalët anësor të tij drejtohen nga jashtë. Kthesat e spirales mbahen së bashku me lidhje hidrogjeni midis grupeve peptide të vendosura në kthesat ngjitur të spirales. Dhe megjithëse energjia e këtyre lidhjeve është e vogël, numri i tyre i madh çon në një efekt të rëndësishëm energjetik, si rezultat i të cilit struktura a është mjaft e qëndrueshme dhe e ngurtë.

E palosur (3-strukturë) është formuar nga një numër i madh zinxhirësh polipeptidikë të zgjatur të lidhur me shumë lidhje hidrogjenore me njëri-tjetrin.

Struktura e çrregullt e fragmenteve individuale të proteinave karakterizohet nga mungesa e rendit hapësinor në rregullimin e tyre.

Cila strukturë dytësore e një proteine ​​realizohet varet nga përbërja e saj aminoacide, d.m.th., nga struktura primare. Shumica e proteinave natyrore karakterizohen nga bashkëjetesa në një molekulë të fragmenteve me struktura a-, p- dhe të çrregullta.

Forca e ulët e lidhjeve hidrogjenore e bën relativisht të lehtë transformimin e strukturës dytësore nën ndikimin e jashtëm: ndryshime në temperaturë, përbërje ose pH të mjedisit - ose nën ndikim mekanik. Si rezultat i transformimit të strukturës dytësore të proteinës, vendasja e saj, d.m.th., primare për nga natyra, vetitë ndryshojnë dhe, rrjedhimisht, funksionet e saj biologjike dhe fiziologjike.

Struktura terciare e proteinave përcakton vendndodhjen e përgjithshme të vargut të tij polipeptid në hapësirë. Besohet se në formimin dhe stabilizimin e strukturës terciare të molekulës së proteinës rol vendimtar i përket bashkëveprimit të zëvendësuesve të aminoacideve anësore, të cilët afrohen në hapësirë ​​për shkak të kthesave të vargut polipeptid. Llojet e këtyre ndërveprimeve janë paraqitur në Fig. 21.3.

Struktura terciare e një molekule proteine ​​lind plotësisht automatikisht si rezultat i vetëorganizimit të zinxhirit polipeptid në përputhje me strukturat e tij parësore dhe dytësore, si dhe me përbërjen e tretësirës përreth. Forca lëvizëse, i cili palos zinxhirin polipeptid të një proteine ​​në një formacion tredimensional të përcaktuar rreptësisht, është ndërveprimi i radikaleve të aminoacideve me njëri-tjetrin dhe me molekulat e tretësirës përreth. Në të njëjtën kohë, në tretësirat ujore, zëvendësuesit hidrofobikë shtyhen në molekulën e proteinës, duke formuar zona të thata ("pika yndyre") dhe zëvendësuesit hidrofilë orientohen drejt mjedisit ujor. Në një moment, arrihet një konformacion i favorshëm energjetik i molekulës për mjedisin ujor dhe ky konformim i molekulës së proteinës stabilizohet. Në këtë rast, entropia e zinxhirit polipeptid zvogëlohet, por entropia e sistemit në tërësi (zinxhir polipeptid + mjedis ujor) mbetet konstante ose rritet. Kështu, nga pozicioni i ligjit II të termodinamikës, stabilizimi i strukturës terciare të një proteine ​​në një mjedis ujor sigurohet nga tendenca e mjedisit ujor të molekulës së proteinës për të kaluar në një gjendje me entropia maksimale. Një ide e strukturës terciare të molekulave të proteinave mioglobina dhe lizozima është dhënë në Fig. 21.5. Në figurë, disku i hijezuar në molekulën e mioglobinës është një hem që përmban një ligand porfirine dhe një kation kompleks, Fe 2+. Molekula e lizozimës tregon ura disulfide S-S të përfshira në stabilizimin e strukturës terciare të kësaj proteine.

Oriz. 21.5. Strukturat terciare: mioglobina (a) dhe lizozima (b)

Struktura terciare e një proteine, në krahasim me strukturën e saj dytësore, është edhe më e ndjeshme ndaj ndikimeve të jashtme. Prandaj, veprimi i agjentëve të dobët oksidues, ndryshimet në tretës, ndryshimet në forcën jonike, pH dhe temperaturën prishin strukturën terciare të proteinave dhe, rrjedhimisht, vetitë e tyre amtare.

Struktura kuaternare. Molekulat e mëdha të proteinave me një peshë molekulare prej më shumë se 60,000 janë zakonisht agregate që përbëhen nga disa zinxhirë polipeptidikë me një peshë molekulare relativisht të vogël. Për më tepër, çdo zinxhir, duke ruajtur strukturën e tij karakteristike parësore, dytësore dhe terciare, vepron si një nënnjësi e këtij agregati, i cili ka një nivel më të lartë të organizimit hapësinor - një strukturë kuaternare. Një molekulë-agregat i tillë përfaqëson një tërësi të vetme dhe kryen një funksion biologjik që nuk është karakteristik për nënnjësitë individuale. Për shembull, molekula e hemoglobinës përbëhet nga 4 nënnjësi dhe karakterizohet nga qëndrueshmëri dukshëm më e madhe e kompleksit me oksigjenin sesa njësitë e tij individuale, gjë që manifestohet në vetitë e mioglobinës (seksioni 10.4). Struktura kuaternare e një proteine ​​fiksohet kryesisht nga lidhjet hidrogjenore dhe ndërveprimet van der Waals, dhe nganjëherë nga lidhjet disulfide, midis zinxhirëve polipeptidë që bashkohen. Pesha molekulare e proteinave me strukturë kuaternare mund të arrijë disa dhjetëra miliona. Struktura kuaternare e proteinave është e ndjeshme ndaj ndikimeve të jashtme dhe mund të prishet prej tyre.

Forma e molekulave të proteinave. Në bazë të formës së molekulës, proteinat vendase, pra ato që shfaqin veti biologjike të programuara nga natyra, ndahen në fibrilare Dhe rruzullore. Molekulat e proteinave fibrilare zakonisht kanë një strukturë B dhe një strukturë fibroze; ato nuk treten në ujë, pasi në sipërfaqen e tyre ka shumë radikale hidrofobike. Proteinat fibrilare janë fibrone proteinike; keratin e flokëve, lëkurës, thonjve; kolagjeni i tendinave dhe indeve kockore; miozina e indit muskulor.

Proteinat globulare kanë formë cilindrike ose sferike dhe madhësi 10 -9 -10 -7 m Ato zakonisht janë të tretshme në ujë, pasi sipërfaqja e tyre përmban kryesisht grupe polare. Duke u tretur në ujë, proteinat globulare formojnë solucione koloidale liofile (Seksioni 27.3). Shembuj të proteinave globulare: albumina (e bardha e vezës), mioglobina, pothuajse të gjitha enzimat.

Gjendja e kristalit të lëngët. Molekulat e proteinave janë formacione mjaft të mëdha dhe kanë një strukturë hapësinore fikse, e cila mund të jetë anizotropike në tërësi, ose fragmente individuale të zinxhirit peptid mund të jenë anizotropike. Prandaj, shumë proteina karakterizohen nga një gjendje kristalore e lëngshme në një gamë të caktuar të temperaturës (gjendje kristalore e lëngshme termotropike) ose formimi i një ose disa gjendjeve kristalore të lëngshme liotropike me pjesëmarrjen e një mjedisi ujor në një përqendrim të caktuar të substancave në tretësirë. Formimi i një gjendje kristalore të lëngët ose kalimet nga një gjendje kristalore e lëngshme në tjetrën, e shoqëruar nga një ndryshim në orientimin e fragmenteve individuale të një molekule proteine ​​ose një ndryshim në konsistencën e lëvizjes në sistem, nuk kërkojnë shpenzime të mëdha energjie; por mund të çojë në ndryshime në funksionet e tij biologjike. Për shembull, ndikojnë në funksionin kontraktues të miozinës së fibrave muskulore, aktivitetin enzimatik, funksionin e transportit të proteinave ose të tyre. vetitë mbrojtëse relativisht sistemet koloidale. Kështu, në kushte të caktuara, molekulat e hemoglobinës shndërrohen në një gjendje kristalore të lëngët. Kjo çon në një sërë çrregullimesh patologjike, të manifestuara në humbjen e elasticitetit të rruazave të kuqe të gjakut. Si rezultat, ato bllokojnë kapilarët dhe transporti i oksigjenit ndërpritet. Formimi i gurëve në sistemin urinar ose biliar shoqërohet me një ndryshim jo vetëm në përqendrim, por edhe në gjendje. proteinat mbrojtëse në këto sisteme. Deri kohët e fundit, aftësia e proteinave dhe zgjidhjeve të tyre për t'u shndërruar në një gjendje kristalore të lëngët praktikisht nuk konsiderohej në biologji, biokimi dhe mjekësi, megjithë rëndësinë ekstreme të këtyre vetive nga pikëpamja e aktivitetit jetësor të çdo sistemi të gjallë.

Denatyrimi. Struktura hapësinore e proteinave, siç është treguar tashmë, mund të prishet nën ndikimin e një numri faktorësh: temperatura e rritur, ndryshimet në pH dhe forca jonike e mediumit, rrezatimi me rreze UV ​​dhe X, prania e substancave të afta për dehidratim. molekulën e proteinës (etanol, aceton, ure) ose ndërveprim me zëvendësuesit e saj (agjentë oksidues, reduktues, formaldehid, fenol) dhe madje edhe me trazim të fortë mekanik të tretësirave.

Denatyrimi është shkatërrimi i konformacionit natyror (vendas) të një makromolekule proteinike nën ndikimin e jashtëm.

Gjatë denatyrimit shkatërrohen strukturat kuaternare, terciare dhe dytësore, por struktura parësore e proteinës ruhet. Prandaj, denatyrimi mund të jetë i kthyeshëm (denatyrim - rinatyrim) dhe i pakthyeshëm në varësi të natyrës së proteinës dhe intensitetit të ndikimit të jashtëm. Denatyrimi i pakthyeshëm zakonisht ndodh kur ekspozohet ndaj nxehtësisë (për shembull, koagulimi i albuminës së vezëve gjatë zierjes së vezëve). Proteinat globulare të denatyruara kanë një afinitet të zvogëluar për ujin, pasi shumë radikale hidrofobike shfaqen në sipërfaqen e molekulave. Prandaj, tretshmëria e tyre zvogëlohet dhe shfaqen thekon ose sediment. Gjëja kryesore është se gjatë denatyrimit humbet aktiviteti biologjik i proteinave globulare dhe fibrilare, gjë që vërehet me shumë metoda të izolimit të tyre (Seksioni 11.3). Për të shmangur denatyrimin e proteinës dhe për të ruajtur konformimin e saj origjinal gjatë procesit të izolimit, të gjitha operacionet kryhen në kushte të buta në një temperaturë jo më të madhe se 5°C, duke shmangur efektet e ashpra të reagentëve kimikë.

Vetitë sipërfaqësore të proteinave. Molekulat e proteinave përmbajnë aminoacide të ndryshme, të cilat kanë radikale hidrofobike të bazuara në hidrokarbure alifatike dhe aromatike, dhe radikale hidrofile, duke përfshirë një grup peptid. Këto radikale shpërndahen në të gjithë zinxhirin, dhe për këtë arsye shumica e proteinave janë surfaktantë (Seksioni 26.6). Një tipar karakteristik i surfaktantëve të proteinave është prania në molekulat e tyre të fragmenteve me ekuilibër hidrofilo-lipofilik të ndryshëm, gjë që i bën ata stabilizues efektivë për sistemet e shpërndarjes liofobike, emulsifikues të yndyrave dhe kolesterolit dhe përbërësit aktivë të membranave biologjike.

Për shkak të vetive të tyre surfaktant, disa proteina formojnë micela liofile (Seksioni 27.3) me lipide (përfshirë kolesterolin dhe esteret e tij), të quajtura lipoproteinat. Në lipoproteinat nuk ka lidhje kovalente midis proteinave dhe molekulave të lipideve, por vetëm ndërveprime ndërmolekulare. Sipërfaqja e jashtme Micela e lipoproteinës përbëhet nga fragmente hidrofile të proteinave dhe molekulave fosfolipide, dhe pjesa e brendshme(bërthamë) është një mjedis hidrofobik në të cilin janë tretur yndyrat, kolesteroli dhe esteret e tij (Fig. 21.6). Prania e një guaskë të jashtme hidrofile në lipoproteina i bën këto micela të pasura me lipide "të tretshme" në ujë dhe të përshtatura mirë për transportin e yndyrave nga zorra e holle në depot e yndyrës dhe në inde të ndryshme. Diametri i micelave lipoproteinike varion nga 7 deri në 1000 nm.

Në varësi të densitetit, madhësisë së micelave dhe raportit të proteinave dhe lipideve në to, lipoproteinat ndahen në 4 klasa (Tabela 21.2).

Oriz. 21.6. Micelë lipoproteinike

Roli i kilomikroneve dhe lipoproteinave me densitet shumë të ulët është transportimi i yndyrave dhe hidroliza e tyre nën veprimin e lipoprotein lipazës. Ndërsa yndyrnat shpërbëhen, ndodh transformimi i mëposhtëm:

P-lipoproteinat kryesisht transportojnë kolesterolin në qeliza, dhe a-lipoproteinat largojnë kolesterolin e tepërt nga qelizat.

Gjatë studimit të përbërjes lipoproteinike të serumit të gjakut, u zbulua se më shumë qëndrim B-lipoproteinat/a-lipo-proteinat, aq më i madh është rreziku i depozitimeve të bollshme të kolesterolit në sipërfaqen e brendshme të enëve të gjakut, pra ateroskleroza. Ateroskleroza kontribuon në zhvillimin e goditjes ose infarktit të miokardit duke kufizuar rrjedhën e gjakut nëpër enët e ngushtuara në tru ose në zemër.

Vetitë sipërfaqësore të proteinave, që karakterizojnë aftësinë e tyre për ndërveprime ndërmolekulare, qëndrojnë në themel të ndërveprimit të një enzime me një substrat (Seksioni 5.6), një antitrup me një antigjen dhe shpjegojnë ndërveprime të ndryshme, të quajtura komplementaritet specifik në biologji ("çelësi dhe kyçi" teori). Në të gjitha këto raste, ekziston një korrespondencë e rreptë midis strukturës sipërfaqësore dhe vetive të grimcave ndërvepruese, të cilat sigurojnë efikasitetin e lartë të llojeve të ndryshme të ndërveprimeve ndërmolekulare ndërmjet tyre (Fig. 21.3). Në biologji, kjo shpesh reflektohet në një mënyrë të thjeshtuar duke përdorur një korrespondencë grafike të formave dhe madhësive të grimcave ndërvepruese (Fig. 21.7).

Karakteristikat e informacionit të proteinave. Molekulat e proteinave dhe fragmentet e tyre individuale konsiderohen si bartëse biologjike

Oriz. 21.7. Interpretimi grafik i korrespondencës së ndërveprimeve ndërmolekulare midis grimcave të proteinave të përshkruara nga komplementariteti specifik ose teoria "çelës dhe bllokim".

informacion në të cilin rolin e shkronjave të alfabetit e luajnë 20 mbetje aminoacide. Baza për të lexuar këtë informacion është lloje të ndryshme ndërveprimet ndërmolekulare dhe dëshira e sistemit për t'i përdorur ato në mënyrë efektive. Për shembull, në enzimat pranë qendrës aktive, një pjesë e molekulës së proteinës përmban mbetje të caktuara të aminoacideve, zëvendësuesit e të cilave janë të orientuar në hapësirë ​​në mënyrë që të bëhet njohja e një substrati të përcaktuar rreptësisht me të cilin reagon kjo enzimë. Ndërveprimi vazhdon në mënyrë të ngjashme antitrupa- antigjen ose në trup ndodh sinteza e antitrupit përkatës ndaj antigjenit që shfaqet. Vetitë informative të proteinave qëndrojnë në themel të imunitetit, i cili është i gjithë sistemi mekanizmat biologjikë vetëmbrojtja e trupit, të cilat bazohen në proceset e informacionit të njohjes së "mikut" dhe "të huajit". "Gjuha e aminoacideve", që përmban 20 njësi, është një nga mënyrat më optimale dhe më të besueshme për kodimin e informacionit të rëndësishëm për jetën e sistemeve të gjalla, duke përfshirë informacionin për formën e organeve individuale dhe të organizmit në tërësi.

Vetitë acido-bazike. Proteinat, si a-aminoacidet (Seksioni 8.2), janë poliamfolite, që shfaqin veti acidike për shkak të grupeve karboksil jo të jonizuar -COOH, grupeve të amonit të grupeve tiol -SH, si dhe n-hidroksi-

Grupet fenil Proteinat shfaqin vetitë e tyre kryesore për shkak të grupeve - COO-, amino grupeve - NH 2, si dhe zëvendësuesve të imidazolit -C 3 H 3 N 2 dhe guanidinës - (CH 5 N 3) +. Në tretësirat ujore, në varësi të pH-së së mjedisit, proteinat mund të jenë të pranishme në pH = pI të proteinës në një formë molekulare, d.m.th., neutrale, me strukturë jonike bipolare, në pH.< рI белка появля­ется катионная форма, и при рН >PI i proteinës shfaqet në formë anionike, kryesisht për shkak të jonizimit të zëvendësuesve (-RH).

Në një mjedis shumë acid, grupi karboksil i jonizuar i proteinës protonohet, dhe në një mjedis fort alkalik, grupi terminal i amonit deprotonohet. Megjithatë, në mjediset biologjike, të cilat nuk karakterizohen nga vlera të tilla ekstreme të pH, transformime të tilla me molekula proteinike nuk ndodhin. Transformimet acido-bazike në molekulat e proteinave shoqërohen natyrshëm nga një ndryshim në konformacionin e tyre, dhe për këtë arsye, funksionet biologjike dhe fiziologjike të një kationi ose anioni proteinik do të ndryshojnë jo vetëm nga njëri-tjetri, por edhe nga funksionet e molekulave të tyre.

Në varësi të përbërjes së aminoacideve, proteinat ndahen në "neutrale" (pI = 5.0 - 7.0), "acide" (pI< 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI >7.5) (Tabela 21.3). Proteinat acidike kanë një përmbajtje të lartë të acideve aspartike ose glutamike, ndërsa proteinat "bazike" kanë një përmbajtje të lartë të argininës, lizinës ose histidinës. Sistemet e tamponit të proteinave funksionojnë në trup në bazë të proteinave (Seksioni 8.4).

Dallimi në vetitë acido-bazike të proteinave qëndron në themel të ndarjes dhe analizës së përzierjeve të proteinave me elektroforezë dhe kromatografi të shkëmbimit të joneve. Në një fushë elektrike konstante, proteinat kanë lëvizshmëri elektroforetike dhe drejtimi i lëvizjes së tyre në katodë ose anodë varet nga vlera e pH e tretësirës dhe pI e proteinës. Në pH< рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При рН >Proteina pI lëviz në anodë sepse është pjesërisht në formën e një anioni. Në pH = pI proteina është plotësisht brenda formë molekulare dhe nën ndikim fushë elektrike nuk lëviz. Lëvizshmëria elektroforetike e një joni proteinik varet nga madhësia dhe ngarkesa e tij, si dhe nga pH e tretësirës. Sa më i madh të jetë ndryshimi midis pH-së së tretësirës dhe pH-së së proteinës, aq më e madhe është lëvizshmëria e joneve. Analiza e proteinave me elektroforezë përdoret gjerësisht në biokiminë klinike për diagnostikimin e sëmundjeve.

Vetitë komplekse. Proteinat janë ligande polidentate aktive (seksioni 10.1), veçanërisht që përmbajnë grupe të buta funksionale: tiol, imidazol, guanidinë, grup amino:

Për shkak të pranisë së grupeve të ndryshme funksionale në molekulat e proteinave, ato formohen komponimet komplekse qëndrueshmëri të ndryshme në varësi të polarizimit të jonit kompleks. Me kationet K + dhe Na + me polarizim të ulët (të fortë), proteinat formojnë komplekse me qëndrueshmëri të ulët, të cilat në trup veprojnë si jonofore për kationet ose aktivizues të proteinave si substrate për procese të caktuara biokimike. Me katione më pak të ngurtë Mg 2+ ose Ca 2+, proteinat formojnë komplekse mjaft të forta. Me kationet e d-metaleve: hekuri, bakri, mangani, zinku, kobalti, molibden ("metalet e jetës"), të cilat janë mjaftueshëm të polarizueshme, pra të buta, proteinat formojnë komplekse të forta. Sidoqoftë, ato formojnë komplekse veçanërisht të forta me kationet e metaleve toksike: plumb, kadmium, merkur dhe të tjera që shfaqin polarizueshmëri të lartë, d.m.th., janë shumë të butë. Shpesh quhen komplekse të qëndrueshme të proteinave me katione metalike metaloproteinat.

Shumë enzima janë komplekse kelate të një proteine ​​me një kation të një "metali të jetës". Në këtë rast, është kationi kompleks që, nën ndikimin e ligandit proteinik, është qendër aktive enzimë, dhe një fragment i një molekule proteine ​​pranë kësaj qendre zakonisht shërben si një identifikues dhe aktivizues i substratit. Komponenti proteinik i metaloenzimës shpesh quhet apoenzimë.

Të gjitha proteinat, kur trajtohen me kripëra bakri në një mjedis alkalik, formojnë një kompleks kelate vjollcë, e cila është një reagim cilësor ndaj proteinave të quajtur Reagimi i biuretit:

Ky reagim ndodh me deprotonimin e grupeve peptide të proteinës, gjë që lehtësohet nga mjedisi alkalik dhe prania e një joni kompleks në të.

Reaksionet elektrofilo-nukleofile. Këto reaksione përfshijnë kryesisht hidrolizën e proteinave - rruga kryesore e katabolizmit (zbërthimit) të tyre në trup. Gjatë hidrolizës së proteinave, reagjenti - një molekulë uji - vepron edhe si nukleofile për shkak të OH" dhe si elektrofil për shkak të H +. Grimca nukleofile OH" sulmon qendrën elektrofile lidhje peptide, d.m.th., atomi i karbonit i grupit karbonil, dhe qendra nukleofile e kësaj lidhjeje - atomi i azotit - sulmohet nga një elektrofil - një proton. Si rezultat i sulmit nga molekulat e ujit, lidhjet peptide në proteina thyhen, dhe fillimisht formohen osaminoacidet dhe peptidet, dhe produktet përfundimtare janë os-aminoacidet.

Zbërthimi hidrolitik i proteinave ndodh në çdo qelizë të trupit, më saktë, në liposomet e tij, ku janë të përqendruara enzimat hidrolitike. Hidroliza e proteinave mund të jetë e pjesshme (në peptide) dhe e plotë (për aminoacide). Hidroliza e pjesshme përshpejtohet proteinazat, të cilat nxisin formimin e peptideve. Peptidet që rezultojnë hidrolizohen në aminoacide me pjesëmarrjen peptidaza. Në trup, hidroliza e proteinave kryhet kryesisht nga një grup i tërë enzimash, secila prej të cilave prish lidhjen peptide të formuar nga aminoacide të caktuara. Pra, karboksipeptidaza në mënyrë specifike shkëput aminoacidin C-terminal nga proteinat, tripsinën hidrolizon lidhjen peptide ndërmjet aminoacideve me një zëvendësues jopolar (hidrofobik). Kimotripsina këput lidhjen peptide të formuar nga fenilalanina, tirozina, triptofani me aminoacide të tjera. Në trup, proteinat e ushqimit shpërbëhen plotësisht, pasi kryesisht aminoacidet e lira përdoren për jetën.

Në kushte laboratorike, proteinat hidrolizohen si në mjedise acidike ashtu edhe në ato alkaline. Sidoqoftë, hidroliza alkaline praktikisht nuk përdoret për shkak të paqëndrueshmërisë së shumë acideve osamine në këto kushte. Në mënyrë tipike, hidroliza e plotë kryhet duke ngrohur proteinën në 110 ° C në një ampulë të mbyllur me 20% HC1 për 24 orë, në këto kushte, hidroliza e proteinave vazhdon deri në përfundim, por triptofani që rezulton dekompozohet plotësisht. Prandaj, përparësi i jepet hidrolizës enzimatike.

Proteinat e trupit që përmbajnë acide aspartike dhe glutamike mund të veprojnë si një pranues i amoniakut, i cili, si një nukleofil, reagon në grupet e lira karboksil të zëvendësuesit, d.m.th. Reagimi i amidimit të proteinave:

Reaksioni i amidimit është endergonik, prandaj në organizëm shoqërohet me reaksionin e hidrolizës ATP.

Si rezultat i këtij reagimi, proteina humbet vetitë e saj amtare, pasi denatyrohet në mënyrë të pakthyeshme.

Reagentët elektrofilë aktivë (EX): 2,4-dinitrofluorbenzen, fenil izotiocianat ose klorur dansyl - përdoret për të përcaktuar strukturën parësore të proteinave ose peptideve. Në prani të bazave, ato reagojnë në aminoacidin N-terminal të anionit të proteinës dhe nxisin eleminimin e tij në formën e derivatit përkatës E-NH-CRH-COOH, i identifikuar lehtësisht ose kromatografikisht ose spektralisht:

Pjesa e mbetur e proteinës nuk shkatërrohet dhe operacionet e heqjes së aminoacidit të ardhshëm mund të përsëriten. Këto reaksione janë në themel të funksionimit të një analizuesi automatik të strukturës primare të proteinave. Në mënyrë tipike, proteina që do të analizohet fillimisht i nënshtrohet hidrolizës së pjesshme për të prodhuar disa peptide. Peptidet që rezultojnë ndahen, pastrohen dhe përcaktohet sekuenca e aminoacideve të secilit dhe më pas përpilohet struktura primare e proteinës që analizohet.

Vetitë redoks. Proteinat janë relativisht rezistente ndaj oksidimit të butë, me përjashtim të atyre që përmbajnë aminoacidin cisteinë, pasi grupi tiol i këtij të fundit oksidohet lehtësisht në një grup disulfidi dhe procesi mund të jetë i kthyeshëm:

Si rezultat i këtyre transformimeve, ndodh një ndryshim në konformacionin e proteinës dhe vetitë e saj amtare. Prandaj, proteinat që përmbajnë squfur janë të ndjeshme ndaj oksidimit ose reduktimit të radikaleve të lira, që ndodh kur trupi ekspozohet ndaj rrezatimit ose formave toksike të oksigjenit (Seksioni 9.3.9).

Transformimet tiol-disulfide të proteinës së keratinës janë baza e permit kimik të flokëve, pasi cisteina dhe cistina janë pjesë e përbërjes së saj. Fillimisht, flokët trajtohen me një agjent reduktues për të thyer lidhjet -S-S- të cistinës dhe për ta kthyer atë në grupe cisteine ​​të tiolit. Më pas flokët stilohen në rrathë (kaçurrela) dhe trajtohen me një agjent oksidues. Në këtë rast krijohen lidhje disulfide cistine, të cilat ndihmojnë flokët të ruajnë formën e re.

Me oksidim më të rëndë, grupi tiol i proteinave oksidohet në një grup sulfo pothuajse në mënyrë të pakthyeshme:

Oksidimi i fortë i proteinave në kripëra CO2, H2O dhe amoniumi përdoret nga trupi për të eliminuar proteinat e panevojshme dhe për të rimbushur burimet e tij të energjisë (16,5 - 17,2 kJ/g).

Në trup, proteinat që përmbajnë lizinë, prolinë, fenilalaninë dhe mbetjet e triptofanit i nënshtrohen hidroksilimit enzimatik (oksidimi i monooksigjenazës) me pjesëmarrjen e oksigjenit dhe një formë të reduktuar të koenzimës:

Si rezultat i reaksionit të hidroksilimit, rriten vetitë hidrofile të proteinës dhe aftësia e saj për të formuar lidhje hidrogjenore. Kjo ndodh në tropokolagjenin, në të cilin tre zinxhirë kombinohen në një superhelikë të qëndrueshme për shkak të lidhjeve hidrogjenore, në formimin e të cilit marrin pjesë edhe mbetjet e hidroksiprolinës.

Një reagim i ngjashëm ndodh në molekulën e tropokolagjenit, e cila çon në një "lidhje të kryqëzuar" edhe më të fortë të zinxhirëve të tij peptidikë.

Deaminimi oksidativ i proteinave nën ndikimin e ninhidrinës, i shoqëruar nga formimi i një ngjyre blu - një reagim cilësor karakteristik ndaj proteinave - reaksioni i ninhidrinës(shih seksionin 21.2.4).

Për të zbuluar proteinat që përmbajnë aminoacide aromatike dhe heterociklike, përdoret reaksioni i ksantoproteinës, e cila, kur ekspozohet ndaj acidit nitrik të koncentruar, shoqërohet me shfaqjen e një ngjyre të verdhë, e cila kthehet në portokalli kur shtohet alkali ose amoniaku:

Është si rezultat i reaksionit të ksantoproteinës që vërehet një ngjyrim i verdhë i lëkurës kur bie në kontakt me acid nitrik.

Kështu, proteinat karakterizohen nga: një konformacion i caktuar, gjendja kristalore e lëngshme, vetitë sipërfaqësore aktive dhe informative, si dhe nga të katër llojet e reaksioneve kimike: acid-bazë, kompleks, elektrofilik-nukleofilik dhe redoks, të cilat qëndrojnë në themel të aktivitetit jetësor të çdo sistem të gjallë. Kombinimi i të gjitha këtyre vetive shpjegon veçantinë e proteinave për të gjithë botën e gjallë.

Ekzistojnë katër nivele të organizimit strukturor të proteinave: primar, sekondar, terciar dhe kuaternar. Çdo nivel ka karakteristikat e veta.

Struktura primare e proteinave është një zinxhir polipeptid linear i aminoacideve të lidhur me lidhje peptide. Struktura primare është niveli më i thjeshtë i organizimit strukturor të një molekule proteine. Stabilitet i lartë i jepet nga lidhjet peptide kovalente midis grupit α-amino të një aminoacidi dhe grupit α-karboksil të një aminoacidi tjetër. [shfaq] .

Nëse grupi imino i prolinës ose hidroksiprolinës është i përfshirë në formimin e një lidhjeje peptide, atëherë ai ka një formë tjetër. [shfaq] .

Kur formohen lidhjet peptide në qeliza, fillimisht aktivizohet grupi karboksil i një aminoacidi dhe më pas bashkohet me grupin amino të një tjetri. Ata e bëjnë atë në të njëjtën mënyrë sinteza laboratorike polipeptidet.

Një lidhje peptide është një fragment i përsëritur i një zinxhiri polipeptid. Ka një numër karakteristikash që ndikojnë jo vetëm në formën e strukturës parësore, por edhe në nivelet më të larta të organizimit të zinxhirit polipeptid:

• bashkëplanariteti - të gjithë atomet e përfshirë në grupin peptid janë në të njëjtin plan;
• aftësia për të ekzistuar në dy forma rezonance (forma keto ose enol);
• pozicioni trans i zëvendësuesve në lidhje me lidhjen C-N;
• aftësia për të formuar lidhje hidrogjeni, dhe secili nga grupet peptide mund të formojë dy lidhje hidrogjenore me grupe të tjera, duke përfshirë ato peptide.

Përjashtim bëjnë grupet peptide që përfshijnë grupin amino të prolinës ose hidroksiprolinës. Ata janë në gjendje të formojnë vetëm një lidhje hidrogjeni (shih më lart). Kjo ndikon në formimin e strukturës dytësore të proteinës. Zinxhiri polipeptid në zonën ku ndodhet prolina ose hidroksiprolina përkulet lehtësisht, pasi nuk mbahet, si zakonisht, nga një lidhje e dytë hidrogjeni.

Nomenklatura e peptideve dhe polipeptideve . Emri i peptideve përbëhet nga emrat e aminoacideve përbërëse të tyre. Dy aminoacide bëjnë një dipeptid, tre bëjnë një tripeptid, katër bëjnë një tetrapeptid, etj. Çdo peptid ose zinxhir polipeptid i çdo gjatësie ka një aminoacid N-terminal që përmban një amino grup të lirë dhe një aminoacid C-terminal që përmban një karboksil të lirë grup. Gjatë emërtimit të polipeptideve, të gjitha aminoacidet renditen në mënyrë sekuenciale, duke filluar me atë N-terminal, duke zëvendësuar në emrat e tyre, përveç atij C-terminal, prapashtesën -in me -yl (pasi aminoacidet në peptide nuk kanë më një grup karboksil, por një karbonil). Për shembull, emri i treguar në Fig. 1 tripeptid - leuc llum fenilalani llum threon në.

Karakteristikat e strukturës primare të proteinës . Në shtyllën kurrizore të zinxhirit polipeptid, strukturat e ngurtë (grupe peptide të sheshta) alternohen me rajone relativisht të lëvizshme (-CHR), të cilat janë të afta të rrotullohen rreth lidhjeve. Tipare të tilla strukturore të zinxhirit polipeptid ndikojnë në rregullimin e tij hapësinor.

Struktura dytësore është një mënyrë e palosjes së një zinxhiri polipeptid në një strukturë të renditur për shkak të formimit të lidhjeve hidrogjenore midis grupeve peptide të të njëjtit zinxhir ose zinxhirëve polipeptidë ngjitur. Sipas konfigurimit të tyre, strukturat dytësore ndahen në spirale (α-helix) dhe me shtresa-palosje (strukturë β dhe formë tërthore β).

α-Heliks. Ky është një lloj strukture proteine ​​dytësore që duket si një spirale e rregullt, e formuar për shkak të lidhjeve hidrogjenore ndërpeptide brenda një zinxhiri polipeptid. Modeli i strukturës së α-spiralës (Fig. 2), i cili merr parasysh të gjitha vetitë e lidhjes peptide, u propozua nga Pauling dhe Corey. Karakteristikat kryesore të α-spiralës:

• konfigurimi spirale i zinxhirit polipeptid që ka simetri spirale;
• formimi i lidhjeve hidrogjenore midis grupeve peptide të secilës mbetje të parë dhe të katërt të aminoacideve;
• rregullsia e kthesave spirale;
• ekuivalenca e të gjitha mbetjeve të aminoacideve në α-spiralën, pavarësisht nga struktura e radikaleve të tyre anësore;
• radikalet anësore të aminoacideve nuk marrin pjesë në formimin e heliksit α.

Nga jashtë, a-spiralja duket si një spirale pak e shtrirë e një sobë elektrike. Rregullsia e lidhjeve hidrogjenore midis grupit të parë dhe të katërt peptid përcakton rregullsinë e kthesave të zinxhirit polipeptid. Lartësia e një kthese, ose hapi i spirales α, është 0,54 nm; ai përfshin 3,6 mbetje aminoacide, d.m.th., secila mbetje aminoacide lëviz përgjatë boshtit (lartësia e një mbetjeje aminoacidi) me 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), gjë që na lejon të flasim për ekuivalencën e të gjitha mbetjeve të aminoacideve në α-spiralën. Periudha e rregullsisë së një α-helix është 5 kthesa ose 18 mbetje aminoacide; gjatësia e një periode është 2.7 nm. Oriz. 3. Modeli a-helix Pauling-Corey

β-Struktura. Ky është një lloj strukture dytësore që ka një konfigurim pak të lakuar të zinxhirit polipeptid dhe është formuar nga lidhjet hidrogjenore ndërpeptide brenda zona individuale një zinxhir polipeptid ose zinxhir polipeptid ngjitur. Quhet gjithashtu një strukturë e palosshme me shtresa. Ka lloje të strukturave β. Rajonet me shtresa të kufizuara të formuara nga një zinxhir polipeptid i një proteine ​​quhen forma ndër-β (strukturë e shkurtër β). Lidhjet hidrogjenore në formën kryq-β formohen midis grupeve peptide të sytheve të zinxhirit polipeptid. Një lloj tjetër - struktura e plotë β - është karakteristikë për të gjithë zinxhirin polipeptid, i cili ka një formë të zgjatur dhe mbahet nga lidhje hidrogjenore ndërpeptide midis zinxhirëve polipeptidikë paralelë ngjitur (Fig. 3). Kjo strukturë i ngjan shakullit të një fizarmonikëje. Për më tepër, variantet e strukturave β janë të mundshme: ato mund të formohen nga zinxhirë paralelë (skajet N-terminale të zinxhirëve polipeptidë drejtohen në të njëjtin drejtim) dhe antiparalele (skajet e terminalit N drejtohen në drejtime të ndryshme). Radikalet anësore të një shtrese vendosen ndërmjet radikaleve anësore të një shtrese tjetër.

Në proteinat, kalimet nga struktura α në b-strukturat dhe mbrapa janë të mundshme për shkak të rirregullimit të lidhjeve hidrogjenore. Në vend të lidhjeve të rregullta hidrogjenore ndërpeptide përgjatë zinxhirit (në sajë të së cilës zinxhiri polipeptid është i përdredhur në një spirale), seksionet spirale hapen dhe lidhjet hidrogjenore mbyllen midis fragmenteve të zgjatura të zinxhirëve polipeptidikë. Ky tranzicion gjendet në keratin, proteina e flokëve. Kur lani flokët me alkaline detergjentët Struktura spirale e β-keratinës shkatërrohet lehtësisht dhe shndërrohet në α-keratinë (flokët kaçurrelë drejtohen).

Shkatërrimi i strukturave dytësore të rregullta të proteinave (a-helika dhe β-struktura), në analogji me shkrirjen e një kristali, quhet "shkrirja" e polipeptideve. Në këtë rast, lidhjet e hidrogjenit prishen dhe zinxhirët polipeptidë marrin formën e një lëmshi të rastësishëm. Rrjedhimisht, qëndrueshmëria e strukturave dytësore përcaktohet nga lidhjet hidrogjenore interpeptide. Llojet e tjera të lidhjeve pothuajse nuk marrin pjesë në këtë, me përjashtim të lidhjeve disulfide përgjatë zinxhirit polipeptid në vendndodhjet e mbetjeve të cisteinës. Peptidet e shkurtra mbyllen në cikle për shkak të lidhjeve disulfide. Shumë proteina përmbajnë si rajone α-spiralë ashtu edhe struktura β. Pothuajse nuk ka proteina natyrale që përbëhen nga 100% spirale α (përjashtim bën paramiozina, një proteinë muskulore që është 96-100% α-spira), ndërsa polipeptidet sintetike kanë 100% spirale.

Proteinat e tjera kanë shkallë të ndryshme të mbështjelljes. Një frekuencë e lartë e strukturave α-spiralore vërehet në paramiozinë, mioglobinë dhe hemoglobinë. Në të kundërt, në tripsinë, një ribonukleazë, një pjesë e rëndësishme e zinxhirit polipeptid paloset në struktura β-shtresore. Proteinat e indeve mbështetëse: keratina (proteina e flokëve, leshi), kolagjeni (proteina e tendinave, e lëkurës), fibroina (proteina e mëndafshit natyral) kanë një konfigurim β të zinxhirëve polipeptidikë. Shkall të ndryshme helikalizimi i zinxhirëve polipeptidikë të proteinave tregon se, padyshim, ka forca që prishin pjesërisht helikalizimin ose "thyejnë" palosjen e rregullt të zinxhirit polipeptid. Arsyeja për këtë është një palosje më kompakte e zinxhirit polipeptid proteinik në një vëllim të caktuar, d.m.th., në një strukturë terciare.

Struktura terciare e proteinave

Struktura terciare e një proteine ​​është mënyra se si zinxhiri polipeptid është rregulluar në hapësirë. Në bazë të formës së strukturës së tyre terciare, proteinat ndahen kryesisht në globulare dhe fibrilare. Proteinat globulare më së shpeshti kanë një formë elipsoidale, dhe proteinat fibrilare (si fije) kanë një formë të zgjatur (formë shufre ose bosht).

Sidoqoftë, konfigurimi i strukturës terciare të proteinave nuk jep ende arsye për të menduar se proteinat fibrilare kanë vetëm një strukturë β, dhe proteinat globulare kanë një strukturë α-spiral. Ka proteina fibrilare që kanë një strukturë dytësore të palosur spirale dhe jo me shtresa. Për shembull, α-keratina dhe paramiozina (proteina e muskulit obturator të molusqeve), tropomyosin (proteinat e muskujve skeletorë) i përkasin proteinave fibrilare (kanë formë shufre) dhe struktura e tyre dytësore është α-spiralja; përkundrazi, në proteinat globulare mund të ketë numër i madhβ-strukturat.

Spiralizimi i një zinxhiri polipeptid linear zvogëlon madhësinë e tij përafërsisht 4 herë; dhe paketimi në strukturën terciare e bën atë dhjetëra herë më kompakt se zinxhiri origjinal.

Lidhje që stabilizojnë strukturën terciare të një proteine . Lidhjet ndërmjet radikaleve anësore të aminoacideve luajnë një rol në stabilizimin e strukturës terciare. Këto lidhje mund të ndahen në:

• i fortë (kovalent) [shfaq] .

  Lidhjet kovalente përfshijnë lidhjet disulfide (-S-S-) ndërmjet radikaleve anësore të cisteineve të vendosura në pjesë të ndryshme të zinxhirit polipeptid; izopeptid, ose pseudopeptid, - midis grupeve amino të radikaleve anësore të lizinës, argininës dhe jo grupeve α-amino, dhe grupeve COOH të radikaleve anësore të acideve aspartike, glutamike dhe aminocitrike, dhe jo grupeve α-karboksil të aminoacideve. Prandaj emri i këtij lloji të lidhjes - i ngjashëm me peptidin. Një lidhje e rrallë esterike formohet nga grupi COOH i aminoacideve dikarboksilike (aspartik, glutamik) dhe grupi OH i hidroksiaminoacideve (serina, treonina).

• i dobët (polar dhe van der Waals) [shfaq] .

  TE lidhjet polare përfshijnë hidrogjenin dhe jonik. Lidhjet hidrogjenore, si zakonisht, ndodhin midis grupit -NH 2, -OH ose -SH të radikalit anësor të një aminoacidi dhe grupit karboksil të një tjetri. Lidhjet jonike ose elektrostatike formohen kur grupet e ngarkuara të radikalëve anësor -NH + 3 (lizina, arginina, histidina) dhe -COO - (acidet aspartike dhe glutamike) vijnë në kontakt.

  Lidhje jo polare, ose van der Waals formohet midis radikaleve hidrokarbure të aminoacideve. Radikalët hidrofobikë të aminoacideve alaninë, valinë, izoleucinë, metioninë, fenilalaninë ndërveprojnë me njëri-tjetrin në një mjedis ujor. Lidhjet e dobëta van der Waals nxisin formimin e një bërthame hidrofobike të radikaleve jopolare brenda globulës së proteinave. Sa më shumë aminoacide jopolare të ketë, aq më i madh është roli i lidhjeve van der Waals në palosjen e zinxhirit polipeptid.

Lidhjet e shumta ndërmjet radikaleve anësore të aminoacideve përcaktojnë konfigurimin hapësinor të molekulës së proteinës.

Karakteristikat e organizimit të strukturës terciare të proteinave . Konformimi i strukturës terciare të zinxhirit polipeptid përcaktohet nga vetitë e radikaleve anësore të aminoacideve të përfshira në të (të cilat nuk kanë një efekt të dukshëm në formimin e strukturave parësore dhe dytësore) dhe mikromjedisit, d.m.th. mjedisi. Kur paloset, zinxhiri polipeptid i një proteine ​​tenton të marrë një formë energjike të favorshme, e karakterizuar nga një minimum energjie të lirë. Prandaj, grupet R jopolare, duke "shmangur" ujin, formojnë, si të thuash, pjesën e brendshme të strukturës terciare të proteinës, ku ndodhet pjesa kryesore e mbetjeve hidrofobike të zinxhirit polipeptid. Nuk ka pothuajse asnjë molekula uji në qendër të globulës së proteinave. Grupet R polare (hidrofile) të aminoacidit ndodhen jashtë kësaj bërthame hidrofobike dhe janë të rrethuar nga molekula uji. Zinxhiri polipeptid është i përkulur në mënyrë të ndërlikuar në hapësirën tre-dimensionale. Kur përkulet, konformimi spirale dytësor prishet. Zinxhiri "prihet" në pikat e dobëta ku ndodhen prolina ose hidroksiprolina, pasi këto aminoacide janë më të lëvizshme në zinxhir, duke formuar vetëm një lidhje hidrogjeni me grupet e tjera peptide. Një vend tjetër i përkuljes është glicina, e cila ka një grup të vogël R (hidrogjen). Prandaj, grupet R të aminoacideve të tjera, kur grumbullohen, priren të zënë hapësirën e lirë në vendndodhjen e glicinës. Një numër aminoacidesh - alanina, leucina, glutamati, histidina - kontribuojnë në ruajtjen e strukturave të qëndrueshme spirale në proteina, dhe si metionina, valina, izoleucina, acidi aspartik favorizojnë formimin e strukturave β. Në një molekulë proteine ​​me një konfigurim terciar, ka rajone në formën e α-spiraleve (spiralja), strukturave β (shtresore) dhe një spirale të rastësishme. Vetëm rregullimi i saktë hapësinor i proteinës e bën atë aktive; shkelja e tij çon në ndryshime në vetitë e proteinave dhe humbje të aktivitetit biologjik.

Struktura e proteinave kuaternare

Proteinat e përbëra nga një zinxhir polipeptid kanë vetëm strukturë terciare. Këto përfshijnë mioglobinën - një proteinë e indit muskulor të përfshirë në lidhjen e oksigjenit, një sërë enzimash (lizozima, pepsina, tripsina, etj.). Megjithatë, disa proteina ndërtohen nga disa zinxhirë polipeptidikë, secila prej të cilave ka një strukturë terciare. Për proteina të tilla është futur koncepti i strukturës kuaternare, i cili është organizimi i disa zinxhirëve polipeptidikë me strukturë terciare në një molekulë të vetme funksionale proteinike. Një proteinë e tillë me strukturë kuaternare quhet oligomer dhe vargjet e saj polipeptide me strukturë terciare quhen protomerë ose nënnjësi (Fig. 4).

Në nivelin kuaternar të organizimit, proteinat ruajnë konfigurimin bazë të strukturës terciare (globulare ose fibrilare). Për shembull, hemoglobina është një proteinë me strukturë kuaternare dhe përbëhet nga katër nënnjësi. Secila prej nënnjësive është një proteinë globulare dhe, në përgjithësi, hemoglobina ka gjithashtu një konfigurim globular. Proteinat e flokëve dhe të leshit - keratinat, të lidhura në strukturën terciare me proteinat fibrilare, kanë një konformacion fibrilar dhe një strukturë kuaternare.

Stabilizimi i strukturës kuaternare të proteinave . Të gjitha proteinat që kanë një strukturë kuaternare janë të izoluara në formën e makromolekulave individuale që nuk ndahen në nënnjësi. Kontaktet ndërmjet sipërfaqeve të nënnjësive janë të mundshme vetëm për shkak të grupeve polare të mbetjeve të aminoacideve, pasi gjatë formimit të strukturës terciare të secilit prej zinxhirëve polipeptidikë, radikalet anësore të aminoacideve jopolare (të cilat përbëjnë shumicën e të gjitha aminoacidet proteinogjene) janë të fshehura brenda nënnjësisë. Midis grupeve të tyre polare formohen lidhje të shumta jonike (kripë), hidrogjeni dhe në disa raste disulfide, të cilat i mbajnë fort nënnjësitë në formën e një kompleksi të organizuar. Përdorimi i substancave që thyejnë lidhjet hidrogjenore ose substancave që reduktojnë urat disulfide shkakton zbërthimin e protomerëve dhe shkatërrimin e strukturës kuaternare të proteinës. Në tabelë 1 përmbledh të dhënat për stabilizimin e lidhjeve nivele të ndryshme organizimi i molekulës së proteinave [shfaq] .

Veçoritë e organizimit strukturor të disa proteinave fibrilare

Organizimi strukturor i proteinave fibrilare ka një sërë veçorish në krahasim me proteinat globulare. Këto karakteristika mund të shihen në shembullin e keratinës, fibroinës dhe kolagjenit. Keratinat ekzistojnë në konformacione α- dhe β. α-keratinat dhe fibroina kanë një strukturë dytësore të palosur me shtresa, megjithatë, në keratin zinxhirët janë paralelë, dhe në fibroinë ato janë antiparalele (shih Fig. 3); Përveç kësaj, keratina përmban lidhje disulfide ndërzinxhirë, ndërsa fibroina nuk i ka ato. Thyerja e lidhjeve disulfide çon në ndarjen e zinxhirëve polipeptidikë në keratina. Përkundrazi, arsimi numri maksimal Lidhjet disulfide në keratina nëpërmjet veprimit të agjentëve oksidues krijojnë një strukturë të fortë hapësinore. Në përgjithësi, në proteinat fibrilare, ndryshe nga ato globulare, ndonjëherë është e vështirë të bëhet dallimi rigoroz midis niveleve të ndryshme të organizimit. Nëse pranojmë (si për një proteinë globulare) që struktura terciare duhet të formohet duke vendosur një zinxhir polipeptid në hapësirë, dhe struktura kuaternare nga disa zinxhirë, atëherë në proteinat fibrilare disa zinxhirë polipeptidikë janë përfshirë tashmë në formimin e strukturës dytësore. . Një shembull tipik i një proteine ​​fibrilare është kolagjeni, i cili është një nga proteinat më të bollshme në trupin e njeriut (rreth 1/3 e masës së të gjitha proteinave). Gjendet në inde që kanë forcë të lartë dhe shtrirje të ulët (kockat, tendinat, lëkurën, dhëmbët, etj.). Në kolagjen, një e treta e mbetjeve të aminoacideve janë glicina, dhe rreth një e katërta ose pak më shumë janë prolina ose hidroksiprolina.

Zinxhiri i izoluar polipeptid i kolagjenit (struktura primare) është i ngjashëm me vijë e thyer. Ai përmban rreth 1000 aminoacide dhe ka një peshë molekulare prej rreth 10 5 (Fig. 5, a, b). Një zinxhir polipeptid përbëhet nga një treshe përsëritëse e aminoacideve (treshe) formacioni i radhës: gly-A-B, ku A dhe B janë çdo aminoacid tjetër përveç glicinës (më shpesh prolina dhe hidroksiprolina). Zinxhirët polipeptidë të kolagjenit (ose zinxhirët α) gjatë formimit të strukturave dytësore dhe terciare (Fig. 5, c dhe d) nuk mund të prodhojnë α-spira tipike me simetri spirale. Prolina, hidroksiprolina dhe glicina (aminoacide antihelike) ndërhyjnë në këtë. Prandaj, tre zinxhirë α formojnë, si të thuash, spirale të përdredhura, si tre fije që mbështillen rreth një cilindri. Tre zinxhirë α spirale formojnë një strukturë kolagjeni të përsëritur të quajtur tropokolagjen (Fig. 5d). Tropokolagjeni në organizimin e tij është struktura terciare e kolagjenit. Unazat e sheshta të prolinës dhe hidroksiprolinës, të alternuara rregullisht përgjatë zinxhirit, i japin asaj ngurtësi, siç bëjnë lidhjet ndërzinxhirore midis zinxhirëve α të tropokolagjenit (kjo është arsyeja pse kolagjeni është rezistent ndaj shtrirjes). Tropokolagjeni është në thelb një nënnjësi e fibrileve të kolagjenit. Vendosja e nënnjësive të tropokolagjenit në strukturën kuaternare të kolagjenit ndodh në mënyrë hap pas hapi (Fig. 5e).

Stabilizimi i strukturave të kolagjenit ndodh për shkak të lidhjeve të ndërlidhura të hidrogjenit, jonike dhe van der Waals dhe një numri të vogël lidhjesh kovalente.

Zinxhirët α të kolagjenit kanë struktura të ndryshme kimike. Ekzistojnë lloje të ndryshme të zinxhirëve α 1 (I, II, III, IV) dhe zinxhirët α 2. Në varësi të cilat zinxhirë α 1 dhe α 2 përfshihen në formimin e spirales me tre fije të tropokolagjenit, dallohen katër lloje të kolagjenit:

• lloji i parë - dy α 1 (I) dhe një zinxhir α 2;
• lloji i dytë - tre zinxhirë α 1 (II);
• lloji i tretë - tre zinxhirë α 1 (III);
• lloji i katërt - tre zinxhirë α 1 (IV).

Kolagjeni më i zakonshëm është i llojit të parë: gjendet në indet e eshtrave, lëkurën, tendinat; kolagjeni i tipit 2 gjendet në indet e kërcit, etj. Një lloj indi mund të përmbajë lloje të ndryshme kolagjeni.

Grumbullimi i renditur i strukturave të kolagjenit, ngurtësia dhe inertiteti i tyre sigurojnë forcën e lartë të fibrave të kolagjenit. Proteinat e kolagjenit përmbajnë gjithashtu përbërës karbohidrate, pra janë komplekse protein-karbohidrate.

Kolagjeni është një proteinë jashtëqelizore që formohet nga qelizat e indit lidhës që gjenden në të gjitha organet. Prandaj, me dëmtimin e kolagjenit (ose ndërprerjen e formimit të tij), ndodhin shkelje të shumta të funksioneve mbështetëse të indit lidhës të organeve.

Proteinat janë molekula polimere në të cilat aminoacidet shërbejnë si monomere. Vetëm 20 α-aminoacide gjenden në proteinat në trupin e njeriut. Të njëjtat aminoacide janë të pranishme në proteina me struktura dhe funksione të ndryshme. Individualiteti i molekulave të proteinave përcaktohet nga rendi i alternimit të aminoacideve në proteinë. Aminoacidet mund të konsiderohen si shkronja të alfabetit, me ndihmën e të cilave, si me një fjalë, shkruhet informacioni. Një fjalë mbart informacion, për shembull, për një objekt ose veprim, dhe sekuenca e aminoacideve në një proteinë mbart informacion rreth strukturës struktura hapësinore dhe funksionet e kësaj proteine.

Një tipar i përbashkët strukturor i aminoacideve është prania e grupeve amino dhe karboksil të lidhur me të njëjtin atom α-karbon. R - radikal aminoacid - në rastin më të thjeshtë ai përfaqësohet nga një atom hidrogjeni (glicina), por mund të ketë një strukturë më komplekse.

Të 20 aminoacidet në trupin e njeriut ndryshojnë në strukturën, madhësinë dhe vetitë fiziko-kimike të radikalëve të lidhur me atomin α-karbon.

Sipas strukturës së tyre kimike, aminoacidet mund të ndahen në alifatike, aromatike dhe heterociklike (Tabela 1-1).

Aminoacidet mund të lidhen në mënyrë kovalente me njëri-tjetrin duke përdorur lidhje peptide. Një lidhje peptide formohet midis grupit α-karboksil të një aminoacidi dhe grupit β-amino të një tjetri, d.m.th. është një lidhje amide. Në këtë rast, molekula e ujit ndahet.

Zinxhirët peptidikë përmbajnë dhjetëra, qindra e mijëra mbetje aminoacide të lidhura me lidhje të forta peptide. Për shkak të ndërveprimeve intramolekulare, proteinat formojnë një strukturë të caktuar hapësinore të quajtur "konformimi i proteinave". Sekuenca lineare e aminoacideve në një proteinë përmban informacion në lidhje me ndërtimin e një strukture hapësinore tredimensionale. Ekzistojnë 4 nivele të organizimit strukturor të proteinave, të quajtura struktura primare, sekondare, terciare dhe kuaternare (Fig. 1-3). Ekzistojnë rregulla të përgjithshme me të cilat ndodh formimi i strukturave hapësinore të proteinave.

Mbetjet e aminoacideve në zinxhirin peptid të proteinave nuk alternohen rastësisht, por janë të renditura në një rend të caktuar. Sekuenca lineare e mbetjeve të aminoacideve në një zinxhir polipeptid quhet "Struktura primare e një proteine". Zinxhirët linearë polipeptidikë të proteinave individuale, për shkak të bashkëveprimit të grupeve funksionale të aminoacideve, fitojnë një strukturë të caktuar hapësinore tre-dimensionale të quajtur "konformacion". Të gjitha molekulat e proteinave individuale (d.m.th., që kanë të njëjtën strukturë primare) formojnë të njëjtin konformacion në tretësirë. Rrjedhimisht, i gjithë informacioni i nevojshëm për formimin e strukturave hapësinore ndodhet në strukturën parësore të proteinave.

Në proteinat, ekzistojnë 2 lloje kryesore të konformimit të zinxhirëve polipeptid: strukturat dytësore dhe terciare.

1. Struktura sekondare e proteinave

Struktura dytësore e proteinave- një strukturë hapësinore e formuar si rezultat i ndërveprimeve midis grupeve funksionale që përbëjnë shtyllën kurrizore peptide. Në këtë rast, zinxhirët peptidikë mund të fitojnë struktura të rregullta të dy llojeve: α-helix dhe β-strukturë.

?-Spirale

Në këtë lloj strukture, shtylla kurrizore peptide është e përdredhur në formën e një spiraleje për shkak të formimit të lidhjeve hidrogjenore midis atomeve të oksigjenit të grupeve karbonil dhe atomeve të azotit të grupeve amino që janë pjesë e grupeve peptide përmes 4 mbetjeve aminoacide. . Lidhjet hidrogjenore janë të orientuara përgjatë boshtit spirale (Fig. 1-5). Ka 3.6 mbetje aminoacide për rrotullim të α-spiralës.

Pothuajse të gjithë atomet e oksigjenit dhe hidrogjenit të grupeve peptide marrin pjesë në formimin e lidhjeve hidrogjenore. Si rezultat, α-spiralja "tërhiqet së bashku" nga shumë lidhje hidrogjeni. Pavarësisht se këto lidhje klasifikohen si të dobëta, numri i tyre siguron stabilitetin maksimal të mundshëm të α-spiralës. Meqenëse të gjitha grupet hidrofile të shtyllës kurrizore peptide zakonisht marrin pjesë në formimin e lidhjeve hidrogjenore, hidrofiliteti (d.m.th., aftësia për të formuar lidhje hidrogjenore me ujin) të α-helikave zvogëlohet dhe hidrofobia e tyre rritet.

Struktura spirale është konformacioni më i qëndrueshëm i shtyllës kurrizore peptide, që korrespondon me energjinë minimale të lirë. Si rezultat i formimit të α-helikave, zinxhiri polipeptid shkurtohet, por nëse krijohen kushte për thyerjen e lidhjeve hidrogjenore, zinxhiri polipeptid do të zgjatet përsëri.

Kur formohen lidhje hidrogjenore midis atomeve të shtyllës kurrizore peptide të zinxhirëve të ndryshëm polipeptidikë, ato quhen lidhje ndërzinxhirësh. Lidhjet hidrogjenore që ndodhin midis rajoneve lineare brenda një zinxhiri polipeptid quhen intrazinxhirë. Në strukturat β, lidhjet hidrogjenore janë të vendosura pingul me zinxhirin polipeptid.

2. Struktura terciare e proteinave

Struktura terciare e proteinave- një strukturë hapësinore tre-dimensionale e formuar për shkak të ndërveprimeve midis radikaleve të aminoacideve, të cilat mund të vendosen në një distancë të konsiderueshme nga njëri-tjetri në zinxhirin polipeptid.

Lidhjet e përfshira në formimin e strukturës terciare të proteinave

Ndërveprimet hidrofobike

Kur paloset, zinxhiri polipeptid i një proteine ​​tenton të marrë një formë energjike të favorshme, e karakterizuar nga një minimum energjie të lirë. Prandaj, radikalet hidrofobike të aminoacideve priren të kombinohen brenda strukturës globulare të proteinave të tretshme në ujë. Midis tyre ka të ashtuquajturat ndërveprimet hidrofobike, si dhe forcat e van der Waals-it ndërmjet atomeve të afërta. Si rezultat, a bërthama hidrofobike. Gjatë formimit të strukturës dytësore, grupet hidrofile të shtyllës kurrizore peptide formojnë shumë lidhje hidrogjenore, gjë që pengon lidhjen e ujit me to dhe shkatërrimin e strukturës së brendshme, të dendur të proteinës.

Lidhjet jonike dhe hidrogjenore

Radikalet hidrofile të aminoacideve kanë tendencë të formojnë lidhje hidrogjeni me ujin dhe për këtë arsye janë të vendosura kryesisht në sipërfaqen e molekulës së proteinës.

Të gjitha grupet hidrofile të radikaleve të aminoacideve që gjenden brenda bërthamës hidrofobike ndërveprojnë me njëri-tjetrin duke përdorur lidhje jonike dhe hidrogjenore (Fig. 1-11).

Lidhjet jonike mund të ndodhë ndërmjet grupeve karboksil të ngarkuar negativisht (anionik) të radikaleve të acidit aspartik dhe glutamik dhe grupeve të ngarkuara pozitivisht (kationike) të radikaleve të lizinës, argininës ose histidinës.

Lidhjet e hidrogjenit ndodhin ndërmjet grupeve hidrofile pa ngarkesë (siç janë grupet -OH, -CONH 2, SH) dhe çdo grupi tjetër hidrofil. Proteinat që funksionojnë në një mjedis jopolar (lipid), për shembull proteinat e membranës, kanë strukturë të kundërt: radikalet hidrofile aminoacidet ndodhen brenda proteinës, ndërsa aminoacidet hidrofobike janë të lokalizuara në sipërfaqen e molekulës dhe janë në kontakt me një mjedis jopolar.

Në secilin rast, radikalet e aminoacideve zënë pozicionin më të favorshëm bioenergjetik.

Lidhje kovalente Struktura terciare e disa proteinave është e stabilizuar lidhjet disulfide,

formuar për shkak të ndërveprimit të grupeve SH të dy mbetjeve të cisteinës. Këto dy mbetje të cisteinës mund të jenë larg njëra-tjetrës në strukturën primare lineare të proteinës, por kur formohet struktura terciare, ato afrohen më shumë dhe formojnë një lidhje të fortë radikale kovalente.

Struktura kuaternare e proteinave

Shumë proteina përmbajnë vetëm një zinxhir polipeptid. Proteinat e tilla quhen monomere. Proteinat monomerike përfshijnë gjithashtu proteina të përbëra nga disa zinxhirë, por të lidhur në mënyrë kovalente, për shembull me lidhje disulfide (prandaj, insulina duhet të konsiderohet një proteinë monomerike).

Në të njëjtën kohë, ekzistojnë proteina të përbëra nga dy ose më shumë zinxhirë polipeptidikë. Pas formimit të strukturës tre-dimensionale të secilit zinxhir polipeptid, ato kombinohen duke përdorur të njëjtat ndërveprime të dobëta që morën pjesë në formimin e strukturës terciare: hidrofobike, jonike, hidrogjen. Numri dhe pozicioni relativ i vargjeve polipeptidike në hapësirë ​​quhet"Struktura kuaternare e proteinave".

Zinxhirët individualë të polipeptidit në një proteinë të tillë quhen protomerë, ose nënnjësi. Një proteinë që përmban disa protomerë quhet oligomerike. Të gjitha proteinat me të njëjtën strukturë parësore, të ekspozuara ndaj të njëjtave kushte, fitojnë të njëjtën karakteristikë konformimi të një proteine ​​të caktuar individuale, e cila përcakton funksionin e saj specifik. Konformacioni funksionalisht aktiv i një proteine ​​quhet

Sëmundje të ndryshme shkaktojnë ndryshime në përbërjen e proteinave të indeve. Këto ndryshime quhen proteinopati. Ka proteinopati të trashëguara dhe të fituara. Proteinopatitë trashëgimore zhvillohen si rezultat i dëmtimit të aparatit gjenetik të një individi të caktuar. Një proteinë nuk sintetizohet fare ose sintetizohet, por struktura e saj primare ndryshon. Shembuj të proteinopative të trashëguara janë hemoglobinopatitë, të diskutuara më sipër. Në varësi të rolit të proteinës me defekt në jetën e trupit, nga shkalla e prishjes së konformacionit dhe funksionit të proteinave, nga homo- ose heterozigoziteti i individit për këtë proteinë, proteinopatitë trashëgimore mund të shkaktojnë sëmundje me shkallë të ndryshme. të ashpërsisë, madje edhe vdekjes, edhe para lindjes ose në muajt e parë pas lindjes.

polimorfizmi i proteinave - ekzistenca e formave të ndryshme të një proteine ​​që kryejnë të njëjtën ose shumë funksione të ngjashme(izoproteinat). Polimorfizmi i enzimës (d.m.th., prania e izoenzimeve) studiohet më shpesh, pasi ato janë shumë më të lehta për t'u zbuluar se proteinat e tjera nga reaksioni që ato katalizojnë.

2 .Vetitë fiziko-kimike të proteinave

Proteinat individuale ndryshojnë në vetitë e tyre fizike dhe kimike: forma molekulare, pesha molekulare, ngarkesa totale.

molekulat, raporti i grupeve polare dhe jopolare në sipërfaqen e molekulës së proteinës vendase, tretshmëria e proteinave, si dhe shkalla e rezistencës ndaj agjentëve denatyrues.

1. Dallimet në proteinat në bazë të formës së molekulave

Siç u përmend më lart, në bazë të formës së molekulave të tyre, proteinat ndahen në globulare dhe fibrilare. Proteinat globulare kanë një strukturë më kompakte, radikalet e tyre hidrofobike janë kryesisht të fshehura në bërthamën hidrofobike dhe ato janë shumë më të tretshme në lëngjet e trupit sesa proteinat fibrilare (me përjashtim të proteinave të membranës).

2. Dallimet në proteinat sipas peshës molekulare

Proteinat janë komponime me molekulare të lartë, por mund të ndryshojnë shumë në peshën molekulare, e cila varion nga 6000 në 1,000,000 D dhe më e lartë. Pesha molekulare e një proteine ​​varet nga numri i mbetjeve të aminoacideve në zinxhirin polipeptid, dhe për proteinat oligomerike, nga numri i protomerëve (ose nënnjësive) të përfshira në të.

3. Ngarkesa totale e proteinave

Proteinat përmbajnë radikale të lizinës, argininës, histidinës, acideve glutamike dhe aspartike, që përmbajnë grupe funksionale të aftë për jonizimin (grupet jonogjene). Përveç kësaj, në skajet N- dhe C të zinxhirëve polipeptidikë ka grupe α-amino dhe α-karboksil, të cilët janë gjithashtu të aftë për jonizimin. Ngarkesa totale e një molekule proteine ​​varet nga raporti i radikalëve anionikë të jonizuar Glu dhe Asp dhe radikalëve kationikë Lys, Apr dhe His.

Shkalla e jonizimit të grupeve funksionale të këtyre radikaleve varet nga pH e mjedisit. Në një pH të tretësirës prej rreth 7, të gjitha grupet jonike të proteinës janë në gjendje të jonizuar. Në një mjedis acid, një rritje në përqendrimin e protoneve (H+) çon në shtypjen e disociimit të grupeve karboksil dhe një ulje të ngarkesës negative të proteinave: -COO - + H + → -COOH. Në një mjedis alkalik, lidhja e tepërt OH" me protonet e formuara gjatë shpërbërjes së NH 3 + me formimin e ujit çon në një ulje të ngarkesës pozitive të proteinave:

NH 3 + + OH - → -NH 2 + H 2 O.

Vlera e pH në të cilën një proteinë fiton një ngarkesë neto zero quhet "pika izoelektrike" dhe shënohet si pI. Në pikën izoelektrike, numri i grupeve të proteinave të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht është i barabartë, d.m.th. proteina është në gjendje izoelektrike.

Meqenëse shumica e proteinave në qelizë përmbajnë më shumë grupe anionike (-COO-), pika izoelektrike e këtyre proteinave qëndron në një mjedis pak acid. Pika izoelektrike e proteinave, në të cilën mbizotërojnë grupet kationike, është në një mjedis alkalik. Shembulli më i mrekullueshëm i proteinave të tilla ndërqelizore që përmbajnë shumë argininë dhe lizinë janë histonet, të cilat janë pjesë e kromatinës.

Proteinat që kanë një ngarkesë neto pozitive ose negative janë më të tretshme se proteinat që janë në pikën izoelektrike. Ngarkesa totale rrit numrin e dipoleve të ujit të aftë për t'u lidhur me një molekulë proteine ​​dhe parandalon kontaktin e molekulave të ngarkuara në mënyrë të ngjashme, si rezultat, tretshmëria e proteinave rritet. Proteinat e ngarkuara mund të lëvizin në një fushë elektrike: proteinat anionike, të cilat kanë një ngarkesë negative, do të lëvizin drejt anodës së ngarkuar pozitivisht (+), dhe proteinat kationike do të lëvizin drejt katodës së ngarkuar negativisht (-). Proteinat që janë në gjendje izoelektrike nuk lëvizin në një fushë elektrike.

4. Raporti polare dhe jopolare grupet në sipërfaqen e molekulave vendase proteinat

Sipërfaqja e shumicës së proteinave ndërqelizore dominohet nga radikalet polare, por raporti i grupeve polare me ato jopolare ndryshon midis proteinave individuale. Kështu, protomerët e proteinave oligomerike në zonën e kontaktit me njëri-tjetrin shpesh përmbajnë radikale hidrofobike. Sipërfaqet e proteinave që funksionojnë si pjesë e membranave ose të lidhura me to gjatë funksionimit janë gjithashtu të pasuruara me radikale hidrofobike. Proteinat e tilla janë më të tretshme në lipide sesa në ujë.