Üç boyutlu yapı bakımından farklılık gösteren protein grupları. Protein Yapısı: BT Çalışanları İçin Bir Giriş

Dört seviye var yapısal organizasyon proteinler: birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül. Her seviyenin kendine has özellikleri vardır.

Proteinlerin birincil yapısı, peptid bağlarıyla birbirine bağlanan amino asitlerden oluşan doğrusal bir polipeptit zinciridir. Birincil yapı, bir protein molekülünün yapısal organizasyonunun en basit seviyesidir. Bir amino asidin a-amino grubu ile başka bir amino asidin a-karboksil grubu arasındaki kovalent peptit bağları ona yüksek stabilite kazandırır. [göstermek] .

Prolin veya hidroksiprolinin imino grubu bir peptid bağının oluşumunda rol oynuyorsa, farklı bir forma sahiptir. [göstermek] .

Hücrelerde peptit bağları oluştuğunda, önce bir amino asidin karboksil grubu aktive olur, daha sonra diğerinin amino grubuyla birleşir. Polipeptitlerin laboratuvar sentezi yaklaşık olarak aynı şekilde gerçekleştirilir.

Bir peptid bağı, bir polipeptit zincirinin tekrarlanan bir parçasıdır. Yalnızca birincil yapının şeklini değil, aynı zamanda polipeptit zincirinin daha yüksek organizasyon seviyelerini de etkileyen bir dizi özelliğe sahiptir:

• eş düzlemlilik - peptid grubuna dahil olan tüm atomlar aynı düzlemdedir;
• iki rezonans formunda (keto veya enol formu) var olma yeteneği;
• ikame edicilerin C-N bağına göre trans konumu;
• hidrojen bağları oluşturma yeteneği ve peptid gruplarının her biri, peptid olanlar dahil diğer gruplarla iki hidrojen bağı oluşturabilir.

Bunun istisnası, prolin veya hidroksiprolinin amino grubunu içeren peptid gruplarıdır. Yalnızca bir hidrojen bağı oluşturabilirler (yukarıya bakın). Bu, proteinin ikincil yapısının oluşumunu etkiler. Prolin veya hidroksiprolinin bulunduğu bölgedeki polipeptit zinciri, her zamanki gibi ikinci bir hidrojen bağı tarafından tutulmadığından kolayca bükülür.

Peptitlerin ve polipeptitlerin isimlendirilmesi . Peptitlerin adı, kendilerini oluşturan amino asitlerin adlarından oluşur. İki amino asit bir dipeptit yapar, üçü bir tripeptit yapar, dördü bir tetrapeptit yapar, vb. Herhangi bir uzunluktaki her bir peptit veya polipeptit zinciri, serbest bir amino grubu içeren bir N-terminal amino asidine ve serbest bir karboksil içeren bir C-terminal amino asidine sahiptir. grup. Polipeptitleri adlandırırken, tüm amino asitler N-terminalinden başlayarak sırayla listelenir, C-terminal hariç adlarındaki -in son eki -yl ile değiştirilir (çünkü peptitlerdeki amino asitler artık bir harfe sahip değildir). karboksil grubu, ancak bir karbonil grubu). Örneğin, Şekil 2'de gösterilen ad. 1 tripeptit - lök silt fenilalan silt treon içinde.

Proteinin birincil yapısının özellikleri . Polipeptit zincirinin omurgasında, sert yapılar (düz peptit grupları), bağların etrafında dönebilen nispeten hareketli bölgeler (-CHR) ile dönüşümlü olarak yer alır. Polipeptit zincirinin bu tür yapısal özellikleri, onun uzaysal düzenlemesini etkiler.

İkincil yapı, aynı zincirin peptid grupları veya bitişik polipeptit zincirleri arasında hidrojen bağlarının oluşması nedeniyle bir polipeptit zincirinin düzenli bir yapıya katlanmasının bir yoludur. Konfigürasyonlarına göre ikincil yapılar sarmal (α-sarmal) ve katmanlı-katlanmış (β-yapı ve çapraz-β-form) olarak ikiye ayrılır.

α-Helis. Bu, bir polipeptit zinciri içindeki peptitler arası hidrojen bağları nedeniyle oluşan, düzenli bir sarmala benzeyen bir tür ikincil protein yapısıdır. Peptit bağının tüm özelliklerini dikkate alan a-sarmalın yapısının modeli (Şekil 2), Pauling ve Corey tarafından önerildi. α sarmalının ana özellikleri:

• sarmal simetriye sahip polipeptit zincirinin sarmal konfigürasyonu;
• her birinci ve dördüncü amino asit kalıntısının peptid grupları arasında hidrojen bağlarının oluşması;
• spiral dönüşlerin düzenliliği;
• yan radikallerin yapısına bakılmaksızın a-sarmalındaki tüm amino asit kalıntılarının eşdeğerliği;
• Amino asitlerin yan radikalleri a sarmalının oluşumuna katılmaz.

Dışarıdan, α-sarmalı bir elektrikli sobanın hafifçe gerilmiş bir spiraline benziyor. Birinci ve dördüncü peptid grupları arasındaki hidrojen bağlarının düzenliliği, polipeptit zincirinin dönüşlerinin düzenliliğini belirler. Bir dönüşün yüksekliği veya a sarmalının eğimi 0,54 nm'dir; 3,6 amino asit kalıntısı içerir, yani her bir amino asit kalıntısı eksen boyunca (bir amino asit kalıntısının yüksekliği) 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm) hareket eder, bu da tüm amino asit kalıntılarının eşdeğerliğinden bahsetmemize olanak tanır α sarmalında. Bir a-sarmalın düzenlilik periyodu 5 dönüş veya 18 amino asit kalıntısıdır; bir periyodun uzunluğu 2,7 nm'dir. Pirinç. 3. Pauling-Corey a-sarmal modeli

β-Yapısı. Bu, polipeptit zincirinin hafif kavisli bir konfigürasyonuna sahip olan ve içindeki peptitler arası hidrojen bağları tarafından oluşturulan bir tür ikincil yapıdır. bireysel alanlar bir polipeptit zinciri veya bitişik polipeptit zincirleri. Aynı zamanda katmanlı katlama yapısı olarak da adlandırılır. β-yapılarının çeşitleri vardır. Bir proteinin bir polipeptit zincirinin oluşturduğu sınırlı katmanlı bölgelere çapraz-β formu (kısa β yapısı) adı verilir. Polipeptit zincirinin halkalarının peptit grupları arasında çapraz beta formundaki hidrojen bağları oluşur. Başka bir tip - tam β yapısı - uzun bir şekle sahip olan ve bitişik paralel polipeptit zincirleri arasındaki peptitler arası hidrojen bağları tarafından tutulan tüm polipeptit zincirinin karakteristiğidir (Şekil 3). Bu yapı akordeonun körüğüne benzemektedir. Ayrıca, β yapılarının çeşitleri de mümkündür: paralel zincirler (polipeptit zincirlerinin N-terminal uçları aynı yöne yönlendirilir) ve antiparalel (N-terminal uçları aynı yöne yönlendirilir) tarafından oluşturulabilirler. farklı taraflar). Bir katmanın yan radikalleri diğer katmanın yan radikalleri arasına yerleştirilir.

Proteinlerde, hidrojen bağlarının yeniden düzenlenmesi nedeniyle α yapılarından β yapılarına ve geriye geçişler mümkündür. Zincir boyunca düzenli peptitlerarası hidrojen bağları yerine (polipeptit zincirinin bir spiral şeklinde bükülmesi sayesinde), sarmal bölümler çözülür ve polipeptit zincirlerinin uzun parçaları arasında hidrojen bağları kapanır. Bu geçiş saçın proteini olan keratinde bulunur. Alkali deterjanlarla saç yıkanırken β-keratinin sarmal yapısı kolayca bozulur ve α-keratine (kıvırcık saçları düzleştirir) dönüşür.

Proteinlerin düzenli ikincil yapılarının (a-sarmalları ve β-yapıları) bir kristalin erimesine benzetilerek yok edilmesine polipeptitlerin "erimesi" denir. Bu durumda hidrojen bağları kopar ve polipeptit zincirleri rastgele bir düğüm şeklini alır. Sonuç olarak, ikincil yapıların stabilitesi, peptitler arası hidrojen bağları tarafından belirlenir. Sistein kalıntılarının bulunduğu yerlerde polipeptit zinciri boyunca disülfit bağları haricinde diğer bağ türleri bunda neredeyse hiç rol almaz. Kısa peptidler disülfit bağları nedeniyle döngülere kapatılır. Birçok protein hem α-sarmal bölgeleri hem de β-yapılarını içerir. %100 a-sarmaldan oluşan neredeyse hiç doğal protein yoktur (istisna, %96-100 a-sarmaldan oluşan bir kas proteini olan paramiyosindir), sentetik polipeptitler ise %100 sarmala sahiptir.

Diğer proteinlerin değişen derecelerde kıvrılmaları vardır. Paramiyozin, miyoglobin ve hemoglobinde yüksek sıklıkta α-sarmal yapılar gözlenir. Buna karşılık, bir ribonükleaz olan trypsin'de polipeptit zincirinin önemli bir kısmı katmanlı β-yapılarına katlanır. Destek dokularının proteinleri: keratin (saç proteini, yün proteini), kollajen (tendon proteini, deri proteini), fibroin (doğal ipek proteini) polipeptit zincirlerinin β-konfigürasyonuna sahiptir. Çeşitli dereceler Proteinlerin polipeptit zincirlerinin sarmallaşması, açıkça sarmallaşmayı kısmen bozan veya polipeptit zincirinin düzenli katlanmasını "kıran" güçlerin bulunduğunu gösterir. Bunun nedeni, protein polipeptit zincirinin belirli bir hacimde, yani üçüncül bir yapıya daha kompakt bir şekilde katlanmasıdır.

Protein üçüncül yapısı

Bir proteinin üçüncül yapısı, polipeptit zincirinin uzayda düzenlenme şeklidir. Üçüncül yapılarının şekline bağlı olarak proteinler esas olarak küresel ve fibrillere ayrılır. Küresel proteinler çoğunlukla elipsoid bir şekle sahiptir ve fibriller (iplik benzeri) proteinler uzun bir şekle (çubuk veya iğ şekli) sahiptir.

Bununla birlikte, proteinlerin üçüncül yapısının konfigürasyonu, fibriler proteinlerin yalnızca bir β yapısına sahip olduğunu ve küresel proteinlerin bir a-sarmal yapıya sahip olduğunu düşünmek için henüz bir neden vermemektedir. Katmanlı, katlanmış ikincil yapı yerine sarmal bir yapıya sahip olan fibriler proteinler vardır. Örneğin, a-keratin ve paramiyozin (yumuşakçaların obturator kasının proteini), tropomiyosinler (proteinler) iskelet kasları) fibril proteinlerine aittir (çubuk şeklinde bir forma sahiptir) ve ikincil yapıları bir a-sarmaldır; tersine, küresel proteinler çok sayıda β-yapısı içerebilir.

Doğrusal bir polipeptit zincirinin spiralleştirilmesi, boyutunu yaklaşık 4 kat azaltır; ve üçüncül yapıya paketlenmesi, onu orijinal zincirden onlarca kat daha kompakt hale getirir.

Bir proteinin üçüncül yapısını stabilize eden bağlar . Amino asitlerin yan radikalleri arasındaki bağlar tersiyer yapının stabilizasyonunda rol oynar. Bu bağlantılar şu şekilde ayrılabilir:

• güçlü (kovalent) [göstermek] .

  Kovalent bağlar, polipeptit zincirinin farklı kısımlarında yer alan sisteinin yan radikalleri arasındaki disülfit bağlarını (-S-S-) içerir; izopeptit veya psödopeptit - lisin, arginin ve a-amino gruplarının yan radikallerinin amino grupları ile amino asitlerin a-karboksil grupları değil, aspartik, glutamik ve aminositrik asitlerin yan radikallerinin COOH grupları arasında. Bu nedenle bu tür bağların adı peptid benzeridir. Nadir bir ester bağı, dikarboksilik amino asitlerin COOH grubu (aspartik, glutamik) ve hidroksiamino asitlerin OH grubu (serin, treonin) tarafından oluşturulur.

• zayıf (kutupsal ve van der Waals) [göstermek] .

  İLE kutupsal bağlar Hidrojen ve iyonik içerir. Hidrojen bağları, her zamanki gibi, bir amino asidin yan radikalinin -NH2, -OH veya -SH grubu ile diğerinin karboksil grubu arasında meydana gelir. İyonik veya elektrostatik bağlar, -NH + 3 (lisin, arginin, histidin) ve -COO - (aspartik ve glutamik asitler) yan radikallerinin yüklü grupları temas ettiğinde oluşur.

  Polar olmayan veya van der Waals tahvilleri arasında oluşur hidrokarbon radikalleri amino asitler. Alanin, valin, izolösin, metionin, fenilalanin amino asitlerinin hidrofobik radikalleri sulu bir ortamda birbirleriyle etkileşime girer. Zayıf van der Waals bağları, protein globülünün içinde polar olmayan radikallerden oluşan hidrofobik bir çekirdeğin oluşumunu teşvik eder. Polar olmayan amino asitler ne kadar fazla olursa, polipeptit zincirinin katlanmasında van der Waals bağlarının oynadığı rol o kadar büyük olur.

Amino asitlerin yan radikalleri arasındaki çok sayıda bağ, protein molekülünün uzaysal konfigürasyonunu belirler.

Protein üçüncül yapısının organizasyonunun özellikleri . Polipeptit zincirinin üçüncül yapısının konformasyonu, içerdiği amino asitlerin yan radikallerinin (birincil ve ikincil yapıların oluşumu üzerinde gözle görülür bir etkisi olmayan) ve mikro ortamın özellikleriyle belirlenir. çevre. Katlandığında, bir proteinin polipeptit zinciri, minimum serbest enerji ile karakterize edilen, enerji açısından uygun bir form alma eğilimindedir. Bu nedenle, sudan "kaçınan" polar olmayan R grupları, polipeptit zincirinin hidrofobik kalıntılarının ana kısmının bulunduğu proteinin üçüncül yapısının iç kısmını oluşturur. Protein globülünün merkezinde neredeyse hiç su molekülü yoktur. Amino asidin polar (hidrofilik) R grupları bu hidrofobik çekirdeğin dışında bulunur ve su molekülleri ile çevrilidir. Polipeptit zinciri üç boyutlu uzayda karmaşık bir şekilde bükülmüştür. Büküldüğünde ikincil sarmal konformasyon bozulur. Zincir, prolin veya hidroksiprolinin bulunduğu zayıf noktalarda "kırılır", çünkü bu amino asitler zincirde daha hareketlidir ve diğer peptit gruplarıyla yalnızca bir hidrojen bağı oluşturur. Başka bir bükülme bölgesi, küçük bir R grubuna (hidrojen) sahip olan glisindir. Bu nedenle, diğer amino asitlerin R grupları istiflendiğinde glisinin bulunduğu yerdeki boş alanı işgal etme eğilimindedir. Bir dizi amino asit - alanin, lösin, glutamat, histidin - proteindeki stabil sarmal yapıların korunmasına katkıda bulunur ve metiyonin, valin, izolösin, aspartik asit gibi β yapılarının oluşumunu destekler. Üçüncül konfigürasyona sahip bir protein molekülünde, a-helisler (sarmal), β-yapılar (katmanlı) ve rastgele bir bobin şeklinde bölgeler vardır. Yalnızca proteinin doğru uzaysal düzenlemesi onu aktif hale getirir; ihlali, protein özelliklerinde değişikliklere ve biyolojik aktivite kaybına yol açar.

Kuaterner protein yapısı

Bir polipeptit zincirinden oluşan proteinler yalnızca üçüncül yapıya sahiptir. Bunlar, oksijenin bağlanmasında rol oynayan bir kas dokusu proteini olan miyoglobini, bir dizi enzimi (lizozim, pepsin, trypsin, vb.) içerir. Ancak bazı proteinler, her biri üçüncül bir yapıya sahip olan birkaç polipeptit zincirinden oluşur. Bu tür proteinler için, üçüncül bir yapıya sahip birkaç polipeptit zincirinin tek bir fonksiyonel protein molekülü halinde organizasyonu olan dördüncül yapı kavramı tanıtılmıştır. Kuaterner yapıya sahip böyle bir proteine ​​​​oligomer adı verilir ve üçüncül yapıya sahip polipeptit zincirlerine protomerler veya alt birimler denir (Şekil 4).

Dördüncül organizasyon seviyesinde, proteinler üçüncül yapının (küresel veya fibriller) temel konfigürasyonunu korur. Örneğin hemoglobin dördüncül yapıya sahip bir proteindir ve dört alt birimden oluşur. Alt birimlerin her biri küresel bir proteindir ve genel olarak hemoglobin de küresel bir konfigürasyona sahiptir. Saç ve yün proteinleri - üçüncül yapı bakımından fibriler proteinlerle ilişkili olan keratinler, fibriler bir konformasyona ve dördüncül bir yapıya sahiptir.

Protein kuaterner yapısının stabilizasyonu . Kuaterner yapıya sahip tüm proteinler, alt birimlere ayrılmayan ayrı makromoleküller formunda izole edilir. Alt birimlerin yüzeyleri arasındaki temaslar yalnızca amino asit kalıntılarının polar grupları nedeniyle mümkündür, çünkü polipeptit zincirlerinin her birinin üçüncül yapısının oluşumu sırasında, polar olmayan amino asitlerin yan radikalleri (çoğunluğunu oluşturur) tüm proteinojenik amino asitler) alt birimin içinde gizlidir. Alt birimleri organize bir kompleks biçiminde sıkı bir şekilde tutan polar grupları arasında çok sayıda iyonik (tuz), hidrojen ve bazı durumlarda disülfit bağları oluşur. Hidrojen bağlarını kıran maddelerin veya disülfit köprülerini azaltan maddelerin kullanımı, protomerlerin parçalanmasına ve proteinin dördüncül yapısının tahrip olmasına neden olur. Tabloda Şekil 1, protein molekülünün farklı organizasyon düzeylerini stabilize eden bağlara ilişkin verileri özetlemektedir. [göstermek] .

Bazı fibriler proteinlerin yapısal organizasyonunun özellikleri

Fibriler proteinlerin yapısal organizasyonu, küresel proteinlerle karşılaştırıldığında bir takım özelliklere sahiptir. Bu özellikler keratin, fibroin ve kollajen örneğinde görülebilir. Keratinler α ve β konformasyonlarında bulunur. a-Keratinler ve fibroin katmanlı-katlanmış bir ikincil yapıya sahiptir, ancak keratinde zincirler paraleldir ve fibroinde antiparaleldir (bkz. Şekil 3); Ek olarak keratin zincirler arası disülfit bağları içerirken fibroinde yoktur. Disülfür bağlarının kırılması, keratinlerdeki polipeptit zincirlerinin ayrılmasına yol açar. Tam tersine eğitim maksimum sayı Oksitleyici maddelerin etkisiyle keratinlerdeki disülfit bağları güçlü bir mekansal yapı oluşturur. Genel olarak fibriler proteinlerde, küresel olanlardan farklı olarak, bazen farklı organizasyon seviyelerini kesin olarak ayırt etmek zordur. (Küresel bir protein için olduğu gibi) üçüncül yapının, bir polipeptit zincirinin uzaya yerleştirilmesiyle ve dördüncül yapının birkaç zincir tarafından oluşturulması gerektiğini kabul edersek, o zaman fibriler proteinlerde, ikincil yapının oluşumunda zaten birkaç polipeptit zinciri yer alır. . Fibriler proteinin tipik bir örneği, insan vücudunda en çok bulunan proteinlerden biri olan (tüm proteinlerin kütlesinin yaklaşık 1/3'ü) kolajendir. Mukavemeti yüksek, uzayabilirliği düşük dokularda (kemik, tendon, deri, diş vb.) bulunur. Kollajendeki amino asit kalıntılarının üçte biri glisindir ve yaklaşık dörtte biri veya biraz daha fazlası prolin veya hidroksiprolindir.

Kollajenin izole edilmiş polipeptit zinciri (birincil yapı) aşağıdakine benzer: kırık çizgi. Yaklaşık 1000 amino asit içerir ve yaklaşık 105 molekül ağırlığına sahiptir (Şekil 5, a, b). Bir polipeptit zinciri, tekrarlanan üçlü amino asitlerden (üçlü) oluşur sonraki kadro: gly-A-B, burada A ve B glisin dışında herhangi bir amino asittir (çoğunlukla prolin ve hidroksiprolin). İkincil ve üçüncül yapıların oluşumu sırasında kollajen polipeptit zincirleri (veya a-zincirleri) (Şekil 5, c ve d), sarmal simetriye sahip tipik a-helisleri üretemez. Prolin, hidroksiprolin ve glisin (antihelikal amino asitler) buna müdahale eder. Bu nedenle, üç α zinciri, bir silindirin etrafına sarılan üç iplik gibi bükülmüş spiraller oluşturur. Üç sarmal α zinciri, tropokollajen adı verilen tekrarlayan bir kolajen yapısı oluşturur (Şekil 5d). Tropokollajen organizasyonunda kolajenin üçüncül yapısıdır. Zincir boyunca düzenli olarak değişen prolin ve hidroksiprolinin düz halkaları, tropokolajenin a-zincirleri arasındaki zincirler arası bağlar gibi (kollajenin gerilmeye karşı dirençli olmasının nedeni budur) ona sertlik kazandırır. Tropokollajen aslında kollajen fibrillerinin bir alt birimidir. Tropokollajen alt birimlerinin kollajenin dördüncül yapısına yerleştirilmesi aşamalı bir şekilde gerçekleşir (Şekil 5e).

Kollajen yapıların stabilizasyonu zincirler arası hidrojen, iyonik ve van der Waals bağları ve az sayıda kovalent bağ nedeniyle oluşur.

Kollajenin α zincirleri farklı kimyasal yapılara sahiptir. α 1 zincirleri var farklı türler(I, II, III, IV) ve a 2 zincirleri. Üç iplikçikli tropokollajen sarmalının oluşumunda hangi a1 - ve a2 zincirlerinin rol oynadığına bağlı olarak, dört tip kollajen ayırt edilir:

• birinci tip - iki α 1 (I) ve bir α 2 zinciri;
• ikinci tip - üç a1 (II) zinciri;
• üçüncü tip - üç α 1 (III) zincir;
• dördüncü tip - üç α 1 (IV) zincir.

En yaygın kolajen birinci tiptir: Kemik dokusunda, deride, tendonlarda bulunur; Tip II kollajen bulunur kıkırdak dokusu vb. Bir doku türü farklı kolajen türleri içerebilir.

Kollajen yapıların düzenli toplanması, sertliği ve inertliği, kollajen liflerinin yüksek mukavemetini sağlar. Kolajen proteinleri aynı zamanda karbonhidrat bileşenleri de içerir, yani protein-karbonhidrat kompleksleridir.

Kollajen, tüm organlarda bulunan bağ dokusu hücrelerinin oluşturduğu hücre dışı bir proteindir. Bu nedenle, kolajenin hasar görmesi (veya oluşumunun bozulması) ile organların bağ dokusunun destekleyici fonksiyonlarında çoklu ihlaller meydana gelir.

Sudaki doğrusal bir polipeptit zinciri, kendiliğinden karmaşık bir üç boyutlu yapıya (kürecik) katlanma yeteneğine sahiptir ve proteinler yalnızca bu katlanmış formda kimyasal kataliz ve diğer ilginç işleri gerçekleştirebilir. Bu nedenle proteinin üç boyutlu katlanmasını bilmek bizim için temelde önemlidir, çünkü ancak bu seviyede proteinin nasıl çalıştığı netleşir.

Soru: Belirli bir proteine ​​​​kaç tane üç boyutlu yapı karşılık gelir?
Cevap: Bir, küçük “düzensiz” döngülerin hafif hareketliliğine kadar. Bir dizinin oldukça farklı 2 yapıya karşılık geldiği bilinen bir istisna vardır; bunlar prionlardır.

Soru: Bir proteinin üç boyutlu yapısı neye dayanmaktadır?
Cevap: kısacası, esas olarak çok sayıda kovalent olmayan etkileşim üzerine. Prensip olarak, bir proteinin kimyasal grupları şunları oluşturabilir: (1) bir hidrojen bağı, bu gruplar hem ana zincirde hem de bazı yan gruplarda bulunur, (2) zıt yüklü yan gruplar arasında bir iyonik bağ - elektrostatik etkileşim, ( 3) Van der Waals etkileşimi ve (4) proteinin genel yapısının dayandığı hidrofobik etki. Sonuç olarak, bir protein her zaman hidrofobik aromatik kalıntılar içerir; bunların kutupsal su molekülleriyle temasa geçmesi enerji açısından sakıncalıdır, ancak birbirlerine "birbirine yapışmaları" avantajlıdır. Böylece, bir protein katlandığında, hidrofobik gruplar sulu ortamın dışına itilir, birbirlerine "yapışır" ve bir "hidrofobik çekirdek" oluştururken, polar ve yüklü gruplar ise tam tersine sulu ortama yönelerek yüzeyi oluşturur. protein globülünün Ayrıca (5) iki sistein kalıntısının yan grupları kendi aralarında bir disülfür köprüsü oluşturabilir - proteini katı bir şekilde sabitleyen tam teşekküllü bir kovalent bağ.

Buna göre tüm amino asitler hidrofobik, polar (hidrofilik), pozitif ve negatif yüklü olarak ayrılır. Ayrıca birbirleriyle kovalent bağlar oluşturabilen sisteinler. Glisin özel özelliklere sahiptir - diğer kalıntıların konformasyonel hareketliliğini büyük ölçüde sınırlayan bir yan gruba sahip değildir, bu nedenle çok güçlü bir şekilde "bükülebilir" ve protein zinciri konuşlandırılması gerekiyor. Prolinde ise tam tersine, yan grup ana zincire kovalent olarak bağlı bir halka oluşturarak onun konformasyonunu sıkı bir şekilde sabitler. Prolinler, protein zincirini katı ve esnek olmayan hale getirmenin gerekli olduğu yerlerde bulunur. Pek çok hastalık, protein yapısının hafifçe "yüzmesine" neden olan prolinden glisine mutasyonla ilişkilidir.

Soru: Proteinlerin üç boyutlu yapılarını nasıl biliyoruz?
Cevap: deneye göre bu kesinlikle güvenilir bir veridir.
Artık protein yapısının deneysel olarak belirlenmesi için 3 yöntem vardır: nükleer manyetik rezonans (NMR), kriyo-EM (elektron mikroskobu) ve protein kristallerinin X-ışını kırınım analizi.

NMR, çözeltideki bir proteinin yapısını belirleyebilir, ancak yalnızca çok küçük proteinler için işe yarar (büyük proteinlerin ayrıştırılması imkansızdır).


Bu yöntem, bir proteinin yalnızca üç boyutlu bir yapıya sahip olduğunun ve kristaldeki proteinin yapısının çözeltidekiyle aynı olduğunun genel kanıtı açısından önemliydi. Bu, izotopik olarak etiketlenmiş proteinler gerektirdiğinden çok pahalı bir yöntemdir.

Cryo-EM, basitçe bir protein çözeltisinin dondurulmasını ve mikroskopla incelenmesini içerir. Yöntemin dezavantajı düşük çözünürlüktür (yalnızca genel şekil molekülün içinde nasıl düzenlendiği görülmez), ayrıca proteinin yoğunluğu su/çözücü yoğunluğuna yakındır, dolayısıyla sinyal yüksek düzeyde bir gürültü içinde boğulur. Bu yöntem aktif olarak kullanılıyor bilgisayar teknolojisi Gürültüden sinyal çıkarmak için resimler ve istatistiklerle çalışmak.

Milyonlarca protein molekülü resmi seçilir, molekülün substrata göre yönelimine, sınıflar arası ortalamaya, özgörüntülerin oluşturulmasına, yeni bir ortalama alma turuna vb. bağlı olarak sınıflara bölünür ve yakınlaşana kadar bu şekilde devam eder. Daha sonra gelen bilgilerden farklı sınıflar molekülün düşük çözünürlüklü 3 boyutlu görünümünü yeniden oluşturmak mümkündür. Parçacıkların iç simetrisi varsa (örneğin, virüslerin kriyo-EM analizinde), o zaman her parçacığın simetri operatörlerine göre ortalaması alınabilir - o zaman çözünürlük daha iyi, ancak X-ışını durumunda olduğundan daha kötü olacaktır. kırınım analizi.

X-ışını kırınım analizi, protein yapılarını belirlemek için ana yöntemdir. Başlıca avantajı, düzinelerce proteinden çok büyük komplekslerin bile kristallerini elde etmenin potansiyel olarak mümkün olmasıdır (örneğin, ribozomun yapısı bu şekilde belirlendi - Nobel Ödülü 2009). Bu yöntemin dezavantajı öncelikle bir protein kristali elde etmeniz gerekmesidir ancak her protein kristalleşmek istemez.

Ancak kırınım yoluyla kristal elde edildikten sonra x-ışını radyasyonu Bir protein molekülündeki tüm (sıralı) atomların konumlarını açık bir şekilde belirleyebilen bu yöntem, en yüksek verimi verir. yüksek çözünürlük ve izin verir en iyi durumlar tek tek atomların konumlarına bakın. Kristaldeki proteinin yapısının, çözeltideki yapıya benzersiz bir şekilde karşılık geldiği kanıtlandı.

Şimdi bir kural var; eğer bir proteinin yapısını deneysel yöntemlerden herhangi birini kullanarak belirlediyseniz fiziksel yöntemler, yapı Protein Veri Bankası'nda (PDB, www.pdb.org) kamuya açık hale getirilmelidir, şu anda orada 90.000'den fazla yapı vardır (ancak bunların çoğu, örneğin aynı kompleksleri tekrarlamaktadır) ilaçlar gibi çeşitli küçük moleküllere sahip protein). PDB'de tüm yapılar aniden pdb adı verilen standart bir formattadır. Yapıdaki her atomun bir satıra karşılık geldiği, yapıdaki atomun numarasını, atomun adını (karbon, nitrojen vb.), amino asidin adını belirten bir metin formatıdır. atomun bir parçası olduğu, protein zincirinin adı (A, B, C, vb., eğer bu birkaç proteinden oluşan bir kompleksin kristali ise), zincirdeki amino asitin numarası ve üç boyutlu koordinatları orijine göre angstromlardaki atom artı sözde sıcaklık faktörü ve nüfus (bunlar tamamen kristalografik parametrelerdir).

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 C HIS A 17 -10,274 8,970 5,544 1,00 22. 01 C ATOM 4 O HIS 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 8,421 1,00 21,18 C ATOM 7 ND1 HIS A 17 -13,73 1 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 -13,869 8,058 10,168 1,00 22,66 N ATOM 1 1 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 18 -7,425 8,919 7,929 1,00 18,80 O 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 ATOM 18 CD1 ILE A 18 -6,161 12,824 5,749 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 22 O ASN A 19 -3,431 8,715 6,575 1,00 .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 1,00 26,18 O ATOM 26 ND2 ASN A 19 -6,320 99 5,151 1,00 31,73K

Sonraki var özel programlar Bu metin dosyasındaki verilere göre, bir protein molekülünün güzel üç boyutlu yapısını grafiksel olarak görüntüleyebilen, monitör ekranında döndürülebilen ve Guy Dodson'un dediği gibi "moleküle fareyle dokunabilen" (örneğin, örneğin PyMol, CCP4mg, eski RasMol). Yani protein yapılarına bakmak kolaydır - programı yükleyin, indirin istenilen yapı PDB'den ve doğanın güzelliğinin tadını çıkarın.

4. Yapıyı analiz edin

Bir proteinin ikincil yapısı, protein omurgasındaki atomların etkileşimleri tarafından belirlenir. Yukarıda belirtildiği gibi, bir proteinin ana zinciri hidrojen bağı donörlerini ve alıcılarını içerir, böylece ana zincir bir miktar yapı kazanabilir. Daha kesin olarak, ana zincirin grupları arasında farklı alternatif hidrojen bağlarının oluşması mümkün olduğundan, birkaç farklı yapı (detaylar hala farklı yan gruplara bağlıdır) mümkündür. Yapılar şu şekildedir: alfa sarmalı, paralel veya anti-paralel olabilen beta yaprakları (birkaç beta şeridinden oluşur), beta dönüşü. Ayrıca zincirin bir kısmı, örneğin protein halkası dönüşü bölgesinde belirgin bir yapıya sahip olmayabilir. Bu tür yapıların kendi yerleşik şematik tanımları vardır - sarmal veya silindir biçiminde alfa sarmalı, geniş oklar biçiminde beta şeritleri. İkincil yapı, birincil yapıdan oldukça güvenilir bir şekilde tahmin edilebilir (JPred standarttır), alfa sarmalları en doğru şekilde tahmin edilir ve beta şeritleriyle örtüşmeler vardır.

Bir proteinin üçüncül yapısı, amino asit kalıntılarının yan gruplarının etkileşimi ile belirlenir; bu, proteinin üç boyutlu yapısıdır. İkincil yapının oluştuğu ve şimdi bu helislerin ve beta iplikçiklerin kompakt bir üç boyutlu yapıya uyum sağlamak istedikleri, böylece tüm hidrofobik yan grupların protein globülünün derinliklerinde sessizce "birbirine yapıştığı" ve bu yapıyı oluşturduğu hayal edilebilir. hidrofobik bir çekirdek ve polar ve yüklü kalıntılar suya yapışarak proteinin yüzeyini oluşturur ve ikincil yapının elemanları arasındaki temasları stabilize eder. Üçüncül yapı şematik olarak çeşitli şekillerde gösterilmektedir. Sadece tüm atomları çizerseniz, karışıklık elde edersiniz (her ne kadar bir proteinin aktif bölgesini analiz ettiğimizde, aktif kalıntıların tüm atomlarına bakmak istesek de).

Genel olarak proteinin tamamının nasıl organize edildiğini görmek istersek, ilerlemesini görmek için ana zincirin yalnızca bazı atomlarını görüntüleyebiliriz. Bir seçenek olarak, ikincil yapının elemanlarının atomların gerçek düzeninin üzerine şematik olarak çizildiği güzel bir diyagram çizebilirsiniz - bu şekilde protein katlanması ilk bakışta görülebilir. Tüm yapıyı genel, şematik bir biçimde inceledikten sonra aktif bölgenin kimyasal gruplarını görüntüleyebilir ve onlara odaklanabilirsiniz. Bir proteinin üçüncül yapısını tahmin etme problemi önemsiz değildir ve özel durumlarda çözülebilmesine rağmen genel durumda çözülemez. Daha fazla ayrıntı aşağıda.

Kuaterner protein yapısı - evet, böyle bir şey var, ancak tüm proteinlerde bulunmasa da. Pek çok protein kendi başına çalışır (monomerler, bu durumda monomer, tek katlanmış bir polipeptit zinciri, yani tüm protein anlamına gelir), o zaman dördüncül yapıları üçüncül yapıya eşittir. Bununla birlikte, pek çok protein yalnızca birkaç polipeptit zincirinden (alt birimler veya monomerler - dimerler, trimerler, tetramerler, multimerler) oluşan bir kompleks içinde çalışır, o zaman birkaç ayrı zincirin böyle bir birleşimine dördüncül yapı denir. En sıradan örnek, 4 alt birimden oluşan hemoglobindir; bence en güzel örnek, 11 özdeş alt birimden oluşan TRAP bakteriyel proteinidir.

5. Hesaplamalı görevler

Birincil yapı düzeyinde– benzer amino asit dizilerine sahip proteinlerin araştırılması, bunlara dayalı evrim ağaçları oluşturulması vb. – klasik problemler biyoinformatik. Ana merkez NCBI'dir - Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi, www.ncbi.nlm.nih.gov. Benzer dizilere sahip proteinleri aramak için standart olarak BLAST kullanılır: blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi

Protein çözünürlüğünün tahmini. Mesele şu ki, eğer bir hayvanın genomunu okursak, ondan gelen protein dizilerini belirlersek ve bu genleri Escherichia coli'ye veya bakulovirüs ekspresyon sistemine klonlarsak, bu sistemlerde eksprese edildiğinde proteinlerin yaklaşık üçte birinin, doğru yapıya katlanmayacak ve sonuç olarak çözünmez olacaktır. Burada, büyük proteinlerin aslında her biri proteinin özerk, işlevsel bir bölümünü temsil eden (işlevlerinden birini taşıyan) ayrı "alanlardan" oluştuğu ve çoğu zaman bir genden ayrı bir alanı "keserek", şunları yapabileceğiniz ortaya çıkıyor: Çözünür bir protein elde edip yapısını belirleyip onunla deneyler yapmak. İnsanlar makine öğrenimini kullanmaya çalışıyor ( sinir ağları, SVM ve diğer sınıflandırıcılar) protein çözünürlüğünü tahmin etmek için, ancak oldukça zayıf çalışıyor (Google, "protein çözünürlüğü tahmini" sorgusu için birçok şey gösterecek - birçok sunucu var, ancak deneyimlerime göre hepsi proteinlerim üzerinde iğrenç bir şekilde çalışıyor) . İdeal olarak, bu çözünür alanların bir proteinde nerede bulunduğunu güvenilir bir şekilde söyleyebilecek, böylece kesilip üzerinde çalışılabilecek bir hizmet görmek isterim - böyle bir hizmet yoktur.

İkincil yapı düzeyinde– aynı ikincil yapının birincil yapıdan tahmini (JPred)

Üçüncül yapı düzeyinde– benzer üç boyutlu yapılara sahip proteinleri arayın (DALI, en.wikipedia.org/wiki/Structural_alignment),
Belirli bir alt yapıya dayalı yapıları arayın. Örneğin, uzayda üç aktif bölge amino asidinin düzenlenmesine sahibim. Aynı üç amino asidi aynı göreceli düzende içeren yapılar bulmak veya mutasyonu, gerekli amino asitlerin istenen şekilde düzenlenmesini mümkün kılacak protein yapıları bulmak istiyorum. (Google “protein altyapı araması”)
Üç boyutlu bir yapının potansiyel hareketliliğinin tahmini, olası konformasyonel değişiklikler - normal mod analizi, ElNemo.

Kuaterner yapı düzeyinde– iki proteinin yapısının bilindiğini varsayalım. Bir kompleks oluşturdukları biliniyor. Kompleksin yapısını tahmin edin (örneğin, bu iki proteinin şekil eşleştirme yoluyla nasıl etkileşime gireceğini belirleyin). Google “protein-protein kenetleme”

6. Protein yapısı tahmini

Deneysel olarak biliyoruz ki, bir proteini alıp tamamen açıp suya atarsanız, milisaniyeler ila saniyeler arasında bir sürede orijinal durumuna katlanacağını biliyoruz (bu ifade en azından herhangi bir patolojisi olmayan küçük küresel proteinler için geçerlidir). Bu, bir proteinin üç boyutlu yapısını belirlemek için gerekli tüm bilginin dolaylı olarak birincil dizisinde yer aldığı anlamına gelir; bu nedenle, bir proteinin üç boyutlu yapısının amino asitten nasıl tahmin edileceğini öğrenmek için büyük bir istek vardır. sekans Silico'da! Ancak genel durumda bu sorun henüz çözülmedi. Sorun ne? Gerçek şu ki, birincil dizi yapıyı oluşturmak için gerekli bilgiyi açıkça içermiyor. İlk olarak, ana zincirin yapısı hakkında hiçbir bilgi yoktur ve sterik nedenlerden dolayı sınırlı olmasına rağmen önemli bir hareketliliğe sahiptir. Ayrıca, her bir amino asidin her bir yan zinciri farklı konformasyonlarda olabilir; arginin gibi uzun yan zincirler için bu bir düzineden fazla konformasyon olabilir.

Ne yapalım? Khabra sakinlerinin oldukça iyi bildiği bir tane var. genel yaklaşım, “moleküler dinamik” olarak adlandırılır ve her molekül ve sistem için uygundur. Katlanmamış bir proteini alıyoruz, tüm atomlara rastgele hızlar atadık, atomlar arasındaki etkileşimleri sayıyoruz ve sistem, katlanmış proteine ​​karşılık gelen kararlı bir duruma ulaşana kadar bunu tekrarlıyoruz. Bu neden işe yaramıyor? Çünkü modern bilgi işlem gücü, suya yerleştirilen bir protein gibi binlerce atomdan oluşan bir sistem için aylar süren kümeleme işlemi boyunca on nanosaniyeyi saymayı mümkün kılıyor. Protein katlanma süresi milisaniye veya daha fazladır, yani yeterli hesaplama gücü yoktur, boşluk birkaç büyüklüktedir. Ancak birkaç yıl önce Amerikalılar bazı atılımlar gerçekleştirdiler. Vektör hesaplamaları için optimize edilmiş özel donanım kullandılar ve donanım seviyesinde optimizasyondan sonra, aylarca süren makine çalışması boyunca, çok küçük bir protein ve katlanmış protein için moleküler dinamiği milisaniyelere kadar hesaplayabildiler; yapı, deneysel olarak belirlenen yapıya karşılık geliyordu. (http://en.wikipedia.org/wiki /Anton_(bilgisayar))! Ancak zaferi kutlamak için henüz çok erken. Çok küçük (boyutu ortalama proteinden 5-10 kat daha küçüktür) ve en hızlı katlanan proteinlerden biri olan, üzerinde katlanmanın çalışıldığı klasik bir model protein aldılar. Büyük proteinler için hesaplama süresi doğrusal olmayan bir şekilde artmakta ve yıllar alacaktır, bu da hala yapılması gereken işler olduğu anlamına gelmektedir.

Rosetta'da farklı bir yaklaşım uygulanıyor. Protein dizisini çok kısa (3-9 kalıntı) parçalara bölüyorlar ve bu parçalar için PDB'de hangi konformasyonların mevcut olduğuna bakıyorlar, ardından tüm varyantlar üzerinde Monte Carlo'yu çalıştırıyorlar ve ne olduğunu görüyorlar. Bazen iyi bir şey ortaya çıkıyor, ancak benim durumumda, birkaç günlük kümeleme işleminden sonra öyle bir donut elde edersiniz ki, sessiz bir soru ortaya çıkar: "Bir tür değerlendirme fonksiyonunu kim yazdı? iyi not bu dalgalı çizgi mi?

Ayrıca manuel modelleme için araçlar da vardır; ikincil yapıyı tahmin edebilir ve en uygun olanı bularak onu manuel olarak bükmeyi deneyebilirsiniz. Bazı parlak insanlar Hatta proteini şematik olarak temsil eden ve sanki bir bulmacayı birleştiriyormuş gibi katlamanıza izin veren bir oyuncak FoldIt bile piyasaya sürdüler (yapıyla ilgilenenler için bunu tavsiye ederim!). CASP adı verilen protein yapısı tahminleri için tamamen resmi bir rekabet var. Mesele şu ki, deneyciler belirlediğinde yeni yapı PDB'de analogu olmayan bir proteini hemen PDB'de yayınlamayabilirler ancak bu proteinin dizisini CASP tahmin yarışmasına sunabilirler. Bir süre sonra herkes tahmin modellerini tamamladığında, deneyciler deneysel olarak belirledikleri protein yapılarını ortaya koyuyor ve tahmin edicilerin ne kadar iyi çalıştığını görüyorlar. En ilginç olanı ise bilim insanı olmayan FoldIt oyuncularının, protein yapı modelleme profesyonellerine karşı bir şekilde CASP kazanması ve protein yapısını daha doğru tahmin etmesidir. Ancak bu başarılar bile protein yapısını tahmin etme sorununun çözüldüğünü söylememize izin vermiyor; çoğu zaman model gerçek yapıdan çok uzaktır.

Bütün bunlar protein modellemeyle ilgili başlangıçta, yapı hakkında önceden bilgi olmadığında. Bununla birlikte, çoğu zaman bazı proteinler için PDB'de önceden bilinen bir yapıya sahip uzak bir akrabanın mevcut olduğu durumlar vardır. Göreli olarak, benzer bir birincil diziye sahip bir protein kastedilmektedir. Birincil dizi benzerliği %30'un üzerinde olan proteinlerin aynı omurga katlanmasına sahip olduğu kabul edilir (her ne kadar istatistiksel olarak anlamlı herhangi bir birincil dizi benzerliği sergilemeyen proteinler için de benzer katlanma gözlemlenmiş olsa da). Bilinen bir yapıya sahip bir homolog (benzer protein) varsa, "homolog modelleme" yapabilirsiniz, yani proteininizin dizisini basitçe "uzatabilirsiniz" bilinen yapı homolog ve ardından tüm bunları bir şekilde çözmek için enerji minimizasyonuna yönelin. Bu modelleme şunu gösteriyor iyi sonuçlarÇok yakın homologların varlığında, homolog ne kadar uzaktaysa hata da o kadar büyük olur. Homoloji modellemeye yönelik araçlar – Modeller, SwissModel.

Diğer sorunları çözebilirsiniz, örneğin bir proteine ​​şu veya bu mutasyonu katarsanız ne olacağını simüle etmeye çalışın. Örneğin, bir proteinin yüzeyindeki hidrofilik bir amino asidi başka bir hidrofilik amino asitle değiştirirseniz, büyük olasılıkla proteinin yapısı hiç değişmeyecektir. Hidrofobik bir çekirdekteki bir amino asidi, farklı boyuttaki başka bir hidrofobik amino asitle değiştirirseniz, o zaman büyük olasılıkla protein katı aynı kalacak, ancak bir angstromun kesirleri kadar hafifçe "kayacaktır". Hidrofobik çekirdekteki amino asidi yüklü olanla değiştirirseniz, büyük olasılıkla protein basitçe "patlayacak" ve katlanamayacaktır.

İşler o kadar da kötü değilmiş gibi görünebilir ve protein katlanması konusunda oldukça iyi bir anlayışa sahibiz. Evet bazı şeyleri anlıyoruz mesela geneli bir yere kadar anlıyoruz fiziksel prensipler Polipeptit zincirinin katlanmasının altında yatanlar - bunlar Ptitsyn ve Finkelstein'ın "Protein Fiziği" adlı harika ders kitabında tartışılıyor. Ancak bu genel anlayış, “Bu protein katlanacak mı, katlanmayacak mı?”, “Bu protein nasıl bir yapıya sahip olacak?”, “İstenilen yapıya sahip bir protein nasıl yapılır?” sorularına cevap vermemize imkan vermiyor.

İşte bir örnek: Büyük bir proteinin etki alanlarından birini lokalize etmek istiyoruz, bu standart görev. Elimizde katlanabilen ve çözülebilen bir parça var, yani bu canlı ve sağlıklı bir protein. Minimal kısmını bulup yöntemleri kullanmaya başlamak istiyoruz. genetik mühendisliği her iki uçtan 2-3 amino asit çıkarın, böyle kesilmiş bir proteini bakterilerde eksprese edin ve katlanmasını deneysel olarak gözlemleyin. Bu kadar küçük silmelerle onlarca yapı yapıyoruz ve şu tabloyu görüyoruz: Tamamen çözünebilen ve yaşayan bir protein, tamamen ölü ve katlanmayan bir proteinden 3 amino asit kadar farklıdır. Tekrar ediyorum, bu objektif bir deneysel sonuçtur. Sorun şu ki, bir proteinin katlanmasını en azından evet/hayır düzeyinde tahmin edebilecek ve bana katlanan ve katlanmayan protein arasındaki sınırın nerede olduğunu söyleyebilecek bir hesaplama yönteminin şu anda bulunmaması, bu nedenle klonlamaya ve deneysel olarak test etmeye zorlanıyoruz. onlarca çeşit. Bu, protein yapısına ilişkin anlayışımızın mükemmel olmaktan uzak olduğu gerçeğinin yalnızca bir örneğidir. Richard Feynman'ın dediği gibi, "Yeniden yaratamadığım şeyi anlamıyorum."

Yani beyler, programcılar, fizikçiler ve matematikçiler, hâlâ yapacak işlerimiz var.

Bu iyimser notta, izninizle ayrılmama izin verin, bu eserde ustalaşan herkese teşekkür ederim.

Konu alanının derinlemesine anlaşılması için aşağıdaki asgari bilgileri öneriyorum:
1) “Protein Fiziği” Ptitsyn ve Finkelstein. Alexey Vitalievich Finkelshtein materyalin çoğunu çevrimiçi olarak yayınladı ve bunu kullanmanızı minnetle tavsiye ediyorum: phys.protres.ru/lectures/protein_physics/index.html (ve oradan birkaç fotoğraf çaldım)
2) Patrushev, "Yapay genetik sistemler", özellikle bölüm II "Protein mühendisliği." Torrentlerde Djvu formatında mevcut
3) Biyolojik bilimsel dergilerde yayınlanan bilgiler için resmi arama motoru PubMed (www.pubmed.org) bulunmaktadır - ondan "protein mühendisliği" ve benzerleri hakkında okumasını istemeye değer.

Etiketler:

• biyoloji
• biyoinformatik
• biyoteknoloji

L Amino asitlerin fonksiyonel gruplarının etkileşimi nedeniyle, bireysel proteinlerin doğrusal polipeptit zincirleri, "konformasyon" adı verilen belirli bir uzamsal üç boyutlu yapı kazanır. Bireysel proteinlerin (yani aynı birincil yapıya sahip olan) tüm molekülleri çözeltide aynı konformasyonu oluşturur. Sonuç olarak uzaysal yapıların oluşumu için gerekli olan tüm bilgiler proteinlerin birincil yapısında bulunmaktadır.

Proteinlerde polipeptit zincirlerinin 2 ana konformasyonu türü vardır: ikincil ve üçüncül yapılar.

2. Proteinlerin ikincil yapısı - Peptit omurgasının fonksiyonel grupları arasındaki etkileşimden kaynaklanan uzaysal yapı.

Bu durumda peptit zincirleri iki türden düzenli yapılara sahip olabilir: α-helisler

β-yapısıβ-yapısı ile akordeon gibi katlanmış bir tabakaya benzer bir şekli kastediyoruz. Şekil, bir polipeptit zincirinin kıvrım yapan doğrusal bölgelerindeki peptit gruplarının atomları arasında veya farklı polipeptit grupları arasında birçok hidrojen bağının oluşması nedeniyle oluşur.

Bağlar hidrojendir, makromoleküllerin ayrı ayrı parçalarını stabilize ederler.

3. Proteinlerin üçüncül yapısı - polipeptit zincirinde birbirinden oldukça uzakta bulunabilen amino asit radikalleri arasındaki etkileşimler nedeniyle oluşan üç boyutlu uzaysal yapı.

Yapısal olarak, hidrofobik etkileşimlerin kritik bir rol oynadığı, çeşitli etkileşim türleri ile stabilize edilmiş ikincil yapı elemanlarından oluşur.
proteinin üçüncül yapısının stabilizasyonu gerçekleşir:

· kovalent bağlar (iki sistein kalıntısı arasında - disülfür köprüleri);

· amino asit kalıntılarının zıt yüklü yan grupları arasındaki iyonik bağlar;

· hidrojen bağları;

· hidrofilik-hidrofobik etkileşimler. Çevredeki su molekülleri ile etkileşime girdiğinde protein molekülü, amino asitlerin polar olmayan yan gruplarının sulu çözeltiden izole edileceği şekilde "katlanma eğilimi gösterir"; molekülün yüzeyinde polar hidrofilik yan gruplar belirir.

4. Kuaterner yapı, tek bir protein kompleksi içindeki birkaç polipeptit zincirinin göreceli düzenlenmesidir. Kuaterner yapıya sahip bir proteini oluşturan protein molekülleri, ribozomlarda ayrı ayrı oluşturulur ve ancak sentezin tamamlanmasından sonra ortak bir supramoleküler yapı oluşturur. Kuaterner yapıya sahip bir protein, hem aynı hem de farklı polipeptit zincirleri içerebilir. Kuaterner yapının stabilizasyonuna katılın üçüncül stabilizasyondakiyle aynı türde etkileşimler. Supramoleküler protein kompleksleri düzinelerce molekülden oluşabilir.

Rol.

Vücutta peptitlerin oluşumu birkaç dakika içinde gerçekleşirken, laboratuvardaki kimyasal sentez oldukça hızlıdır. uzun süreç Bu birkaç gün sürebilir ve sentez teknolojisinin gelişimi birkaç yıl sürebilir. Ancak buna rağmen doğal peptit analoglarının sentezi üzerine çalışmalar yapılması lehine oldukça güçlü argümanlar var. İlk olarak, peptidlerin kimyasal modifikasyonu ile birincil yapı hipotezinin doğrulanması mümkündür. Bazı hormonların amino asit dizileri, analoglarının laboratuvarda sentezlenmesiyle kesin olarak biliniyordu.

İkincisi, sentetik peptidler, bir amino asit dizisinin yapısı ile aktivitesi arasındaki ilişkiyi daha ayrıntılı olarak incelememize olanak tanır. Peptitin spesifik yapısı ile biyolojik aktivitesi arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturmak için binden fazla analogun sentezi üzerinde büyük miktarda çalışma yapıldı. Sonuç olarak, bir peptidin yapısındaki tek bir amino asidin değiştirilmesinin, onun biyolojik aktivitesini birkaç kat artırabileceği veya yönünü değiştirebileceği bulundu. Amino asit dizisinin uzunluğunun değiştirilmesi, peptidin aktif merkezlerinin konumunun ve reseptör etkileşiminin yerinin belirlenmesine yardımcı olur.

Üçüncüsü, orijinal amino asit dizisinin değiştirilmesi sayesinde farmakolojik ilaçlar elde etmek mümkün hale geldi. Doğal peptit analoglarının oluşturulması, moleküllerin daha "etkili" konfigürasyonlarının tanımlanmasını mümkün kılar. biyolojik etki veya daha uzun süre dayanmasını sağlayın.

Dördüncüsü, peptidlerin kimyasal sentezi ekonomik açıdan faydalıdır. Çoğu tedavi edici ilaç, doğal bir üründen yapılsaydı onlarca kat daha pahalı olurdu.

Çoğu zaman aktif peptitler doğada yalnızca nanogram miktarlarda bulunur. Ayrıca peptitlerin saflaştırılması ve izole edilmesi için yöntemler doğal kaynaklar istenen amino asit dizisini zıt veya başka etkiye sahip peptitlerden tamamen ayıramaz. Ve insan vücudu tarafından sentezlenen spesifik peptidler söz konusu olduğunda, bunlar yalnızca sentez yoluyla elde edilebilir. laboratuvar koşulları.

57. Proteinlerin sınıflandırılması: basit ve karmaşık, küresel ve fibriller, monomerik ve oligomerik. Proteinlerin vücuttaki görevleri.

Yapı türüne göre sınıflandırma

İle genel tip Proteinlerin yapısı üç gruba ayrılabilir:

1. Fibriller proteinler - polimerler oluştururlar, yapıları genellikle oldukça düzenlidir ve esas olarak farklı zincirler arasındaki etkileşimlerle korunur. Mikrofilamentler, mikrotübüller, fibriller oluştururlar ve hücrelerin ve dokuların yapısını desteklerler. Fibriller proteinler arasında keratin ve kollajen bulunur.

2. Küresel proteinler suda çözünür, molekülün genel şekli az çok küreseldir.

3. Membran proteinleri - hücre zarını geçen alanlara sahiptir, ancak bunların bir kısmı zardan hücreler arası ortama ve hücrenin sitoplazmasına doğru çıkıntı yapar. Membran proteinleri reseptör görevi görür, yani sinyalleri iletirler ve ayrıca çeşitli maddelerin zar ötesi taşınmasını sağlarlar. Taşıyıcı proteinler spesifiktir; her biri yalnızca belirli moleküllerin veya belirli bir sinyalin zardan geçmesine izin verir.

Basit proteinler , Karmaşık proteinler

Pek çok protein, peptit zincirlerinin yanı sıra amino asit olmayan grupları da içerir ve bu kritere göre proteinler ikiye ayrılır. büyük gruplar - basit ve karmaşık proteinler(proteitler). Basit proteinler yalnızca polipeptit zincirlerinden oluşur; karmaşık proteinler ayrıca amino asit olmayan veya protez gruplar da içerir.

Basit.

Küresel proteinler arasında şunları ayırt edebiliriz:

1. albüminler - geniş bir pH aralığında (4 ila 8,5 arası) suda çözünür,% 70-100'lük bir amonyum sülfat çözeltisi ile çökeltilir;

2. Daha yüksek moleküler ağırlığa sahip, suda daha az çözünen, tuzlu su çözeltilerinde çözünen çok işlevli globülinler genellikle bir karbonhidrat kısmı içerir;

3. histonlar, molekülde yüksek miktarda arginin ve lizin kalıntıları içeren, temel özelliklerini belirleyen düşük moleküler ağırlıklı proteinlerdir;

4. protaminler, histonlar gibi daha da yüksek bir arginin içeriğiyle (% 85'e kadar) ayırt edilirler, nükleoproteinlerin ayrılmaz bir parçası olan düzenleyici ve baskılayıcı proteinler olarak görev yapan nükleik asitlerle stabil bağlantılar oluştururlar;

5. prolaminler, suda çözünmeyen, %50-90 etanolde çözünen yüksek miktarda glutamik asit (%30-45) ve prolin (%15'e kadar) içeriği ile karakterize edilir;

6. Glutelinler, prolaminler gibi yaklaşık %45 oranında glutamik asit içerir ve sıklıkla tahıl proteinlerinde bulunur.

Fibriller proteinler lifli bir yapıyla karakterize edilir ve su ve tuzlu su çözeltilerinde pratik olarak çözünmezler. Moleküllerdeki polipeptit zincirleri birbirine paralel yerleştirilmiştir. Bağ dokusunun yapısal elemanlarının (kollajenler, keratinler, elastinler) oluşumuna katılın.

Karmaşık proteinler

(proteinler, holoproteinler), peptit zincirlerine (basit protein) ek olarak amino asit olmayan bir bileşen - bir protez grubu içeren iki bileşenli proteinlerdir. Kompleks proteinler hidrolize edildiğinde amino asitlere ek olarak protein olmayan kısım veya onun parçalanma ürünleri de açığa çıkar.

Çeşitli organik (lipitler, karbonhidratlar) ve inorganik (metaller) maddeler protez grubu görevi görebilir.

Protez grupların kimyasal yapısına bağlı olarak karmaşık proteinler arasında aşağıdaki sınıflar ayırt edilir:

· Protez grup olarak kovalent bağlı karbonhidrat kalıntıları içeren glikoproteinler ve bunların alt sınıfı olan proteoglikanlar, mukopolisakkarit protez gruplarla birlikte. Karbonhidrat kalıntılarıyla bağların oluşumu genellikle şunları içerir: hidroksil grupları serin veya treonin. Hücre dışı proteinlerin çoğu, özellikle immünoglobulinler, glikoproteinlerdir. Proteoglikanların karbonhidrat kısmı ~%95'tir; bunlar hücreler arası matrisin ana bileşenidir.

· Protez parçası olarak kovalent olmayan şekilde bağlı lipidler içeren lipoproteinler. Lipoproteinler, lipitleri kendilerine bağlayan ve lipit taşıma işlevini yerine getiren apolipoprotein proteinleri tarafından oluşturulur.

· Hem olmayan koordineli metal iyonları içeren metaloproteinler. Metaloproteinler arasında depolama ve taşıma işlevlerini yerine getiren proteinler (örneğin demir içeren ferritin ve transferrin) ve enzimler (örneğin çinko içeren karbonik anhidraz ve aktif merkezler olarak bakır, manganez, demir ve diğer metal iyonlarını içeren çeşitli süperoksit dismutazlar) bulunur. )

· Kovalent olmayan şekilde bağlı DNA veya RNA içeren nükleoproteinler, özellikle kromozomları oluşturan kromatin bir nükleoproteindir.

· Prostetik grup olarak kovalent bağlı fosforik asit kalıntıları içeren fosfoproteinler. Serin veya treoninin hidroksil grupları fosfatla bir ester bağı oluşumuna katılır; özellikle süt kazeini bir fosfoproteindir:

· Kromoproteinler, çeşitli kimyasal yapılarda renkli prostetik gruplara sahip karmaşık proteinlerin ortak adıdır. Bunlar, çeşitli işlevleri yerine getiren metal içeren porfirin protez grubuna sahip birçok proteini içerir - hemoproteinler (protez grup olarak hem içeren proteinler - hemoglobin, sitokromlar vb.), flavin grubuna sahip flavoproteinler, vb.

1. Yapısal işlev

2. Koruyucu fonksiyon

3. Düzenleme işlevi

4. Alarm fonksiyonu

5. Taşıma işlevi

6. Yedek (yedekleme) işlevi

7. Alıcı işlevi

8. Motor (motor) işlevi

Proteinler organik yüksek moleküllü bileşiklerdir. Bu maddelere proteinler ve polipeptitler de denir. Şimdi proteinlerin yapısına ve işlevlerine bakalım.

Genel bilgi

Proteinlerin kimyasal yapısı, bir peptit bağı yoluyla bir zincire bağlanan alfa amino asitlerle temsil edilir. Canlı organizmalarda kompozisyon genetik kod tarafından belirlenir. Sentez sürecinde çoğu durumda standart tipte 20 amino asit kullanılır. Bunların birçok kombinasyonu, çok çeşitli özelliklere sahip protein molekülleri oluşturur. Amino asit kalıntıları sıklıkla translasyon sonrası değişikliklere tabidir. Protein işlevlerini yerine getirmeye başlamadan önce ve hücredeki aktivitesi sırasında ortaya çıkabilirler. Canlı organizmalarda birçok molekül sıklıkla karmaşık kompleksler oluşturur. Bir örnek fotosentetik birleşmedir.

Bağlantıların amacı

Proteinler, vücutlarının gerekli tüm amino asitleri sentezleyemediği için insan ve hayvan beslenmesinin önemli bir bileşeni olarak kabul edilir. Bazıları proteinli yiyeceklerle birlikte gelmelidir. Bileşiklerin ana kaynakları et, fındık, süt, balık ve tahıllardır. Daha az oranda proteinler sebzelerde, mantarlarda ve meyvelerde bulunur. Enzimler yoluyla sindirim sırasında tüketilen proteinler amino asitlere parçalanır. Zaten vücutta kendi proteinlerinin biyosentezinde kullanılırlar veya enerji elde etmek için daha fazla parçalanmaya uğrarlar.

Tarihsel arka plan

İnsülin protein yapısının sırası ilk olarak Frederij Senger tarafından belirlendi. Bu çalışmasıyla 1958'de Nobel Ödülü'nü aldı. Sanger sıralama yöntemini kullandı. Daha sonra (1950'lerin sonunda) X-ışını kırınımı kullanılarak miyoglobin ve hemoglobinin üç boyutlu yapıları elde edildi. Çalışma John Kendrew ve Max Perutz tarafından gerçekleştirildi.

Protein molekül yapısı

Doğrusal polimerleri içerir. Bunlar da monomer olan alfa amino asit kalıntılarından oluşur. Ek olarak protein yapısı, amino asit olmayan yapıdaki bileşenleri ve değiştirilmiş amino asit kalıntılarını içerebilir. Bileşenleri belirtirken 1 veya 3 harfli kısaltmalar kullanılır. İki ila birkaç düzine kalıntı içeren bir bileşiğe genellikle "polipeptit" adı verilir. Bir amino asidin alfa-karboksil grubunun diğerinin alfa-amino grubu ile etkileşimi sonucunda bağlar ortaya çıkar (protein yapısının oluşumu sırasında). Bileşiğin C- ve N-terminal uçları, amino asit kalıntısının hangi grubunun serbest olduğuna bağlı olarak ayırt edilir: -COOH veya -NH2. Ribozom üzerindeki protein sentezi sürecinde, ilk terminal kalıntısı genellikle bir metiyonin kalıntısıdır; sonrakiler öncekilerin C terminaline bağlanır.

Organizasyon seviyeleri

Lindrem-Lang tarafından önerildiler. Bu bölümün biraz modası geçmiş olduğu düşünülmesine rağmen hala kullanılmaktadır. Bağlantı organizasyonunun dört düzeyinin ayırt edilmesi önerildi. Bir protein molekülünün birincil yapısı, genin genetik kodu ve özellikleri tarafından belirlenir. Daha yüksek seviyeler, protein katlanması sırasındaki oluşumla karakterize edilir. Bir proteinin uzaysal yapısı bir bütün olarak amino asit zinciri tarafından belirlenir. Bununla birlikte oldukça değişkendir. O etkilenmiş olabilir dış faktörler. Bu bakımdan bileşiğin en uygun ve enerji açısından en çok tercih edilen konformasyonundan bahsetmek daha doğrudur.

Seviye 1

Bir polipeptit zincirinin bir dizi amino asit kalıntısı ile temsil edilir. Kural olarak bir veya üç harfli gösterimler kullanılarak tanımlanır. Proteinlerin birincil yapısı, amino asit kalıntılarının stabil kombinasyonları ile karakterize edilir. Belirli görevleri yerine getirirler. Bu tür "muhafazakar motifler" türün evrimi sırasında korunmaya devam eder. Bilinmeyen bir protein sorununu tahmin etmek için sıklıkla kullanılabilirler. Amino asit zincirlerindeki benzerlik (homoloji) derecesinin değerlendirilmesi çeşitli organizmalar Bu organizmaları oluşturan taksonlar arasında oluşan evrimsel mesafeyi belirlemek mümkündür. Proteinlerin birincil yapısı, bir genetik kod tablosu kullanılarak mRNA'nın sekanslanmasıyla veya orijinal kompleksiyle belirlenir.

Bir zincir bölümünün yerel sıralaması

Bu, organizasyonun bir sonraki seviyesidir; proteinlerin ikincil yapısı. Bunun birkaç türü vardır. Bir polipeptit zincirinin bir kısmının yerel düzeni, hidrojen bağları ile stabilize edilir. En popüler türler şunlardır:

Mekansal yapı

Proteinlerin üçüncül yapısı önceki seviyedeki unsurları içerir. Stabilize oluyorlar farklı türler etkileşimler. Hidrofobik bağlar çok önemlidir. Stabilizasyon şunları içerir:

• Kovalent etkileşimler.
• Zıt yüklere sahip amino asit yan grupları arasında oluşan iyonik bağlar.
• Hidrojen etkileşimleri.
• Hidrofobik bağlar. Çevreleyen H20 elementleri ile etkileşim sürecinde protein, polar olmayan yan amino asit gruplarının sulu çözeltiden izole edileceği şekilde katlanır. Hidrofilik gruplar (polar) molekülün yüzeyinde belirir.

Proteinlerin üçüncül yapısı manyetik (nükleer) rezonans yöntemleri, belirli mikroskopi türleri ve diğer yöntemlerle belirlenir.

Döşeme prensibi

Araştırmalar, 2. ve 3. seviyeler arasında bir seviye daha belirlemenin uygun olduğunu göstermiştir. Buna “mimari”, “döşeme motifi” denir. İkincil yapının bileşenlerinin (beta şeritleri ve alfa helisleri) kompakt bir kürecik (protein alanı) sınırları içindeki göreceli konumu ile belirlenir. Bağımsız olarak var olabilir veya diğer benzer proteinlerle birlikte daha büyük bir proteinin içine dahil edilebilir. Stil motiflerinin oldukça muhafazakar olduğu tespit edilmiştir. Ne evrimsel ne de işlevsel ilişkileri olmayan proteinlerde bulunurlar. Mimarlığın tanımı rasyonel (fiziksel) sınıflandırmanın temelidir.

Etki alanı organizasyonu

Şu tarihte: göreceli konum Bir protein kompleksi içindeki birkaç polipeptit zinciri, proteinlerin dördüncül yapısını oluşturur. Onu oluşturan elementler ribozomlarda ayrı ayrı oluşturulur. Ancak sentezin tamamlanmasından sonra bu protein yapısı oluşmaya başlar. Hem farklı hem de aynı polipeptit zincirlerini içerebilir. Proteinlerin dördüncül yapısı, önceki seviyedeki aynı etkileşimler nedeniyle stabilize edilir. Bazı kompleksler birkaç düzine protein içerebilir.

Protein yapısı: koruyucu görevler

Hücre iskeletinin polipeptitleri bir şekilde takviye görevi görerek birçok organele şekil verir ve değişimine katılır. Yapısal proteinler vücuda koruma sağlar. Mesela kolajen böyle bir proteindir. Bağ dokularının hücreler arası maddesinin temelini oluşturur. Keratinin koruyucu bir işlevi de vardır. Boynuzların, tüylerin, saçların ve epidermisin diğer türevlerinin temelini oluşturur. Proteinler toksinlere bağlandığında çoğu durumda ikincisinin detoksifikasyonu meydana gelir. Vücudun kimyasal koruma görevi bu şekilde gerçekleştirilir. Toksinleri nötralize etme sürecinde özellikle önemli rol insan vücudu karaciğer enzimleri oynar. Zehirleri parçalayabilir veya çözünür forma dönüştürebilirler. Bu vücuttan daha hızlı taşınmasını kolaylaştırır. Kanda ve diğer vücut sıvılarında bulunan proteinler, bağışıklık savunmasını sağlayarak hem patojen saldırısına hem de yaralanmaya karşı bir tepkiyi tetikler. İmmünoglobulinler (antikorlar ve kompleman sisteminin bileşenleri) bakterileri, yabancı proteinleri ve virüsleri nötralize edebilir.

Düzenleyici mekanizma

Ne enerji kaynağı ne de yapı malzemesi olarak görev yapmayan protein molekülleri birçok hücre içi süreci kontrol eder. Böylece, bunlara bağlı olarak translasyon, transkripsiyon, dilimleme ve diğer polipeptitlerin aktivitesi düzenlenir. Düzenleyici mekanizma enzimatik aktiviteye dayanır veya diğer moleküllere spesifik bağlanma nedeniyle kendini gösterir. Örneğin, transkripsiyon faktörleri, aktivatör polipeptitler ve baskılayıcı proteinler, gen transkripsiyonunun yoğunluğunu kontrol etme kapasitesine sahiptir. Bunu yaparken gen düzenleyici dizilerle etkileşime girerler. Hücre içi süreçlerin seyrini kontrol etmede en önemli rol, protein fosfatazlara ve protein kinazlara atanır. Bu enzimler, diğer proteinlere fosfat grupları ekleyerek veya çıkararak onların aktivitesini tetikler veya inhibe eder.

Sinyal görevi

Genellikle düzenleyici işlevle birleştirilir. Bunun nedeni, birçok hücre içi ve hücre dışı polipeptitin sinyal iletebilmesidir. Büyüme faktörleri, sitokinler, hormonlar ve diğer bileşikler bu yeteneğe sahiptir. Steroidler kan yoluyla taşınır. Hormonun reseptörle etkileşimi, hücre tepkisini tetikleyen bir sinyal görevi görür. Steroidler kandaki ve hücrelerdeki bileşiklerin içeriğini, üremeyi, büyümeyi ve diğer süreçleri kontrol eder. Bir örnek insülindir. Glikoz seviyelerini düzenler. Hücrelerin etkileşimi, hücreler arası madde yoluyla iletilen sinyal proteini bileşikleri aracılığıyla gerçekleştirilir.

Elementlerin taşınması

Küçük moleküllerin hareketinde rol oynayan çözünür proteinler, artan konsantrasyonda bulunan substrat için yüksek bir afiniteye sahiptir. Ayrıca içeriğinin az olduğu bölgelerde kolaylıkla salıverme özelliğine de sahiptirler. Bir örnek taşıma proteini hemoglobindir. Oksijeni akciğerlerden diğer dokulara taşır ve onlardan karbondioksiti aktarır. Bazı zar proteinleri de küçük moleküllerin hücre duvarlarından taşınmasına katılarak onları değiştirir. Sitoplazmanın lipit tabakası su geçirmezdir. Bu, yüklü veya polar moleküllerin difüzyonunu önler. Membran taşıma bağlantıları genellikle taşıyıcılara ve kanallara ayrılır.

Yedekleme bağlantıları

Bu proteinler sözde rezervleri oluşturur. Örneğin bitki tohumlarında ve hayvan yumurtalarında birikirler. Bu tür proteinler yedek madde ve enerji kaynağı görevi görür. Bazı bileşikler vücut tarafından amino asit deposu olarak kullanılır. Bunlar da metabolizmanın düzenlenmesinde rol oynayan aktif maddelerin öncüleridir.

Hücresel reseptörler

Bu tür proteinler ya doğrudan sitoplazmada bulunabilir ya da duvara gömülü olabilir. Bağlantının bir kısmı sinyali alır. Kural olarak, kimyasal bir maddedir ve bazı durumlarda mekanik bir etki (örneğin esneme), ışık ve diğer uyaranlardır. Bir sinyalin molekülün belirli bir parçasına (polipeptit reseptörü) maruz kalması sürecinde konformasyonel değişiklikler başlar. Uyarıyı hücrenin diğer bileşenlerine ileten parçanın geri kalan kısmının yapısında bir değişikliğe neden olurlar. Sinyal göndermek farklı şekillerde yapılabilir. Bazı reseptörler kimyasal bir reaksiyonu katalize etme yeteneğine sahipken, diğerleri bir uyaranın etkisi altında kapanan veya açılan iyon kanalları gibi davranır. Bazı bileşikler hücre içindeki haberci molekülleri spesifik olarak bağlar.

Motor polipeptitler

Vücuda hareket sağlayan bir protein sınıfı vardır. Motor proteinleri kas kasılmasında, hücre hareketinde ve flagella ve silia aktivitesinde rol oynar. Onlar sayesinde yönlendirilmiş ve aktif taşıma. Kinesinler ve dineinler, enerji kaynağı olarak ATP hidrolizini kullanarak molekülleri mikrotübüller boyunca taşır. İkincisi, organelleri ve diğer elemanları çevresel hücresel alanlardan sentrozoma doğru hareket ettirir. Kinesinler ters yönde hareket eder. Dyneinler ayrıca flagella ve siliaların aktivitesinden de sorumludur.

Canlı organizmalardaki proteinler veya proteinler, enzimlerin varlığında polikondensasyon reaksiyonunun bir sonucu olarak esas olarak en önemli 20 doğal amino asitten oluşur. Proteinlerin molekül ağırlıkları çok geniş bir aralıkta değişir: 10.000 ila 1.000.000 ve üzeri.

Protein zincirinin omurgası, peptit bağlarıyla birbirine bağlanan amino asit parçalarından oluşur ve çeşitli proteinlerle çevrilidir. kimyasal doğa milletvekilleri. Proteinlerdeki peptit bağı, nötr bir ortamda 37°C'de stabildir, ancak asidik veya alkali bir ortamda hidrolize edilebilir. Vücutta protein hidrolizi, peptidaz enzimlerinin etkisi altında gerçekleştirilir ve sıkı bir şekilde kontrol edilir.

İÇİNDE doğal proteinler Zincirin uzunluğu ve bileşimi büyük ölçüde değişiklik gösterir; bu da moleküllerinin çözelti içinde bile çeşitli görevler üstlenmesine olanak tanır. konformasyon.

konformasyonlarÇözeltideki protein makromolekülleri, bireysel moleküler parçaların tekli bağlar etrafında dönmesi sonucu ortaya çıkan ve aralarındaki moleküller arası bağlar nedeniyle stabilize olan çeşitli uzaysal formlarını temsil eder. ayrı gruplar belirli bir makromolekül veya çevredeki çözeltide bulunan maddelerin molekülleri.

Karşılıklı konformasyonel geçişler esas olarak protein makromolekülündeki kovalent bağları koparmadan gerçekleştirilir. Bir proteinin bileşimini ve konformasyonunu açıklarken kavramlar kullanılır. birincil, ikincil, üçüncül Ve dördüncül yapı.

Birincil yapı tek bir proteine ​​özgüdür ve zincirinin amino asit kalıntılarının bileşimi ve dizisi ile belirlenir. yazarken tam formüller proteinler, zincirin N-terminalinden başlayarak üç harfli adlarını kullanarak birbirini takip eden amino asit kalıntılarının sırasını belirtir. Molekülde yalnızca 153 amino asit kalıntısı içeren insan miyoglobinin birincil yapısı hakkında bir fikir, aşağıdaki kısaltılmış gösterimle verilmektedir:

Polipeptit zincirinin kesinlikle doğrusal düzenlenmesi, amino asit kalıntılarının farklı radikalleri arasındaki etkileşimleri pratik olarak ortadan kaldırdığı için enerji açısından elverişsizdir. Tam olarak bu tür etkileşimlerin bir sonucu olarak, protein zincirinin uzaydaki şu veya bu konformasyonunu stabilize eden ek bağlar ortaya çıkar. Bu, aşağıdaki etkileşimler yoluyla gerçekleşir: iyon-iyon etkileşimi; hidrojen bağı; polar grupların hidrasyonu; disülfit bağı; Vander Waals etkileşimleri polar olmayan ikame ediciler arasında; hidrofobik etkileşimler, su moleküllerinin polar olmayan ikame edicilerin birbirleriyle etkileşim bölgesinin dışına itilmesinin bir sonucu olarak bağışçı-alıcı bağı kompleks iyonu ile proteinin ligand grupları arasında (Şekil 21.3).

Protein ikincil yapısı sarmal olabilen bir polipeptit zincirinin şeklini karakterize eder (bir yapı), katlanmış (B -yapı) veya düzensiz (Şekil 21.4). İkincil yapının oluşumunda ve sürdürülmesinde ana rol

Pirinç. 21.3. Bir protein molekülünün amino asit kalıntılarının ikame edicileri ile sulu ortam arasındaki etkileşim türleri

Pirinç. 21.4. Proteinlerin ikincil yapısı: A- a-yapısı (spiral), B- P-yapısı (katlanmış), polipeptit zincirinin omurga grupları arasında ortaya çıkan hidrojen bağları tarafından oynanır.

A-yapısının uzamsal düzenlemesi, polipeptit zincirinin bir silindir etrafına sarıldığı ve yan radikallerinin dışarıya doğru yönlendirildiği hayal edilerek hayal edilebilir. Sarmalın dönüşleri, sarmalın bitişik dönüşlerinde bulunan peptit grupları arasındaki hidrojen bağları ile bir arada tutulur. Ve bu bağların enerjisi küçük olmasına rağmen, büyük sayıları önemli bir enerji etkisine yol açar, bunun sonucunda a-yapısı oldukça kararlı ve katı olur.

Katlanmış (3-yapıdan oluşan büyük sayı birbirine birçok hidrojen bağıyla bağlanan paralel uzun polipeptit zincirleri. Yan radikaller R, elde edilen katlanmış tabaka boyunca çizilen düzlemin üstünde ve altında bulunur.

Bireysel protein fragmanlarının düzensiz yapısı, düzenlenmelerindeki uzaysal düzen eksikliği ile karakterize edilir.

Bir proteinin hangi ikincil yapısının gerçekleşeceği, onun amino asit bileşimine, yani birincil yapısına bağlıdır. Çoğu doğal protein, a-, p- ve düzensiz yapılara sahip parçaların bir molekülünde bir arada bulunmasıyla karakterize edilir.

Hidrojen bağlarının düşük mukavemeti, ikincil yapının dış etkiler altında dönüştürülmesini nispeten kolaylaştırır: sıcaklık, bileşim veya ortamın pH'ındaki değişiklikler veya mekanik etki altında. Proteinin ikincil yapısının dönüştürülmesi sonucunda doğal, yani doğası gereği birincil olan özellikleri ve dolayısıyla biyolojik ve fizyolojik işlevleri değişir.

Protein üçüncül yapısı polipeptit zincirinin uzaydaki genel konumunu belirler. Protein molekülünün üçüncül yapısının oluşumunda ve stabilizasyonunda olduğuna inanılmaktadır. belirleyici rol polipeptit zincirinin bükülmeleri nedeniyle uzayda birbirine yakınlaştırılan yan amino asit ikame edicilerinin etkileşimine aittir. Bu etkileşimlerin türleri Şekil 2'de gösterilmiştir. 21.3.

Bir protein molekülünün üçüncül yapısı, polipeptit zincirinin birincil ve ikincil yapılarına ve ayrıca çevredeki çözeltinin bileşimine göre kendi kendine organizasyonunun bir sonucu olarak tamamen otomatik olarak ortaya çıkar. Bir proteinin polipeptit zincirini kesin olarak tanımlanmış üç boyutlu bir formasyona katlayan itici güç, amino asit radikallerinin birbirleriyle ve çevredeki çözeltinin molekülleriyle etkileşimidir. Aynı zamanda, sulu çözeltilerde, hidrofobik ikame ediciler protein molekülünün içine itilerek orada kuru bölgeler ("yağ damlaları") oluşturulur ve hidrofilik ikame ediciler yana doğru yönlendirilir. su ortamı. Bir noktada molekülün sulu ortam için enerji açısından uygun bir konformasyonu elde edilir ve protein molekülünün bu konformasyonu stabilize edilir. Bu durumda polipeptit zincirinin entropisi azalırken sistemin bir bütün olarak entropisi (polipeptit zinciri + sulu ortam) sabit kalır veya artar. Böylece, termodinamiğin II yasasının konumundan, bir proteinin üçüncül yapısının sulu bir ortamda stabilizasyonu, protein molekülünün sulu ortamının bir duruma geçme eğilimi ile sağlanır. maksimum entropi. Miyoglobin ve lizozim proteinlerinin moleküllerinin üçüncül yapısı hakkında bir fikir, Şekil 2'de verilmiştir. 21.5. Şekilde, miyoglobin molekülündeki gölgeli disk, bir porfirin ligandını ve Fe2+ kompleks katyonunu içeren bir hemdir. Lizozim molekülü, bu proteinin üçüncül yapısının stabilize edilmesinde rol oynayan S-S disülfit köprülerini gösterir.

Pirinç. 21.5. Üçüncül yapılar: miyoglobin (a) ve lizozim (b)

Bir proteinin üçüncül yapısı, ikincil yapısına göre dış etkenlere karşı daha hassastır. Bu nedenle, zayıf oksitleyici maddelerin etkisi, çözücülerdeki değişiklikler, iyonik güçteki, pH ve sıcaklıktaki değişiklikler, proteinlerin üçüncül yapısını ve dolayısıyla doğal özelliklerini bozar.

Kuaterner yapı. Molekül ağırlığı 60.000'den fazla olan büyük protein molekülleri genellikle nispeten küçük molekül ağırlığına sahip birkaç polipeptit zincirinden oluşan agregatlardır. Üstelik her zincir, kendine özgü birincil, ikincil ve üçüncül yapısını koruyarak, daha fazla özelliğe sahip olan bu kümenin bir alt birimi olarak hareket eder. yüksek seviye mekansal organizasyon - dördüncül yapı. Böyle bir molekül kümesi tek bir bütünü temsil eder ve bireysel alt birimlerin özelliği olmayan biyolojik bir işlevi yerine getirir. Örneğin, hemoglobin molekülü 4 alt birimden oluşur ve miyoglobinin özelliklerinde ortaya çıkan, kompleksin oksijenle bireysel alt birimlerinden önemli ölçüde daha fazla kararsızlığı ile karakterize edilir (bölüm 10.4). Bir proteinin dördüncül yapısı, öncelikle hidrojen bağları ve van der Waals etkileşimleri ile ve bazen de birleştirilen polipeptit zincirleri arasındaki disülfit bağları ile sabitlenir. Kuaterner yapıya sahip proteinlerin moleküler ağırlığı birkaç on milyona ulaşabilir. Proteinlerin dördüncül yapısı dış etkenlere karşı hassastır ve bunlar tarafından bozulabilir.

Protein moleküllerinin şekli. Doğal proteinler, yani doğanın programladığı biyolojik özellikler sergileyenler, molekülün şekline göre ikiye ayrılır: fibriller Ve küresel. Fibriller protein molekülleri genellikle bir B yapısına ve lifli bir yapıya sahiptir; Yüzeylerinde çok sayıda hidrofobik radikal bulunduğundan suda çözünmezler. Fibriller proteinler protein fibronlardır; saç, cilt, tırnakların keratini; tendonların ve kemik dokusunun kolajeni; kas dokusunun miyozini.

Küresel proteinler silindirik veya küresel bir şekle ve 10 -9 -10 -7 m boyuta sahiptirler. Yüzeyleri çoğunlukla polar gruplar içerdiğinden genellikle suda çözünürler. Suda çözünen küresel proteinler liyofilik koloidal çözeltiler oluşturur (Bölüm 27.3). Küresel protein örnekleri: albümin ( yumurta akı), miyoglobin, hemen hemen tüm enzimler.

Sıvı kristal durumu. Protein molekülleri oldukça büyük oluşumlardır ve bir bütün olarak anizotropik olabilen sabit bir uzaysal yapıya sahiptir veya peptid zincirinin ayrı ayrı parçaları anizotropik olabilir. Bu nedenle, birçok protein, belirli bir sıcaklık aralığında bir sıvı kristal durumu (termotropik sıvı kristal durumu) veya çözeltideki belirli bir madde konsantrasyonunda sulu bir ortamın katılımıyla bir veya daha fazla liyotropik sıvı kristal durumunun oluşumu ile karakterize edilir. Sıvı kristal bir durumun oluşumu veya bir sıvı kristal durumdan diğerine geçişler, bir protein molekülünün ayrı ayrı parçalarının oryantasyonunda bir değişiklik veya sistemdeki hareketin tutarlılığında bir değişiklik ile birlikte büyük enerji harcamaları gerektirmez; ancak onun değişmesine yol açabilir biyolojik fonksiyonlar. Örneğin, kas lifi miyozinin kasılma fonksiyonunu, enzimatik aktivitesini, proteinlerin taşıma fonksiyonunu veya bunların koruyucu özelliklerini etkiler. koloidal sistemler. Böylece belirli koşullar altında hemoglobin molekülleri sıvı kristal duruma dönüşür. Bu, kırmızı kan hücrelerinin elastikiyetinin kaybıyla kendini gösteren bir dizi patolojik bozukluğa yol açar. Sonuç olarak kılcal damarları tıkarlar ve oksijen taşınması bozulur. Üriner veya safra sistemlerinde taş oluşumu sadece konsantrasyonda değil aynı zamanda durumdaki bir değişiklikle de ilişkilidir. koruyucu proteinler bu sistemlerde. Yakın zamana kadar, herhangi bir canlı sistemin hayati aktivitesi açısından bu özelliklerin aşırı önemine rağmen, proteinlerin ve bunların çözeltilerinin sıvı kristal duruma dönüşme yeteneği, biyoloji, biyokimya ve tıpta pratikte dikkate alınmıyordu.

Denatürasyon. Proteinlerin uzaysal yapısı, daha önce de belirtildiği gibi, bir dizi faktörün etkisi altında bozulabilir: artan sıcaklık, ortamın pH'ındaki ve iyonik gücündeki değişiklikler, UV ışınlaması ve röntgen, bir protein molekülünü (etanol, aseton, üre) dehidre edebilen veya ikame edicileriyle (oksitleyici maddeler, indirgeyici maddeler, formaldehit, fenol) ve hatta çözeltilerin kuvvetli mekanik karıştırılmasıyla etkileşime girebilen maddelerin varlığı.

Denatürasyon, bir protein makromolekülünün doğal (doğal) yapısının dış etki altında yok edilmesidir.

Denatürasyon sırasında dördüncül, üçüncül ve ikincil yapılar yok edilir, ancak proteinin birincil yapısı korunur. Bu nedenle denatürasyon geri döndürülebilir (denatürasyon - renatürasyon) ve proteinin doğasına ve dış etkinin yoğunluğuna bağlı olarak geri döndürülemez. Geri dönüşü olmayan denatürasyon genellikle ısıya maruz kaldığında meydana gelir (örneğin, yumurta kaynatılırken yumurta albüminin pıhtılaşması). Denatüre küresel proteinlerin suya karşı afinitesi azalır, çünkü moleküllerin yüzeyinde birçok hidrofobik radikal görülür. Bu nedenle çözünürlükleri azalır ve pul veya tortu ortaya çıkar. Önemli olan, denatürasyon sırasında hem küresel hem de fibriler proteinlerin biyolojik aktivitesinin kaybolmasıdır, bu da izolasyonlarının birçok yönteminde gözlenir (Bölüm 11.3). Proteinin denatürasyonunu önlemek ve izolasyon işlemi sırasında doğal konformasyonunu korumak için tüm işlemler, kimyasal reaktiflerin sert etkilerinden kaçınarak, 5°C'yi aşmayan bir sıcaklıkta yumuşak koşullar altında gerçekleştirilir.

Proteinlerin yüzey özellikleri. Protein molekülleri, alifatik ve aromatik hidrokarbonlara dayanan hidrofobik radikallere ve bir peptid grubu dahil olmak üzere hidrofilik radikallere sahip farklı amino asitler içerir. Bu radikaller zincir boyunca dağılmıştır ve bu nedenle çoğu protein yüzey aktif maddedir (Bölüm 26.6). Protein yüzey aktif maddelerin karakteristik bir özelliği, moleküllerinde keskin bir şekilde farklı hidrofilik-lipofilik dengeye sahip fragmanların varlığıdır; bu, onları liyofobik dispers sistemler, yağ ve kolesterol emülgatörleri ve biyolojik zarların aktif bileşenleri için etkili stabilizatörler haline getirir.

Yüzey aktif madde özelliklerinden dolayı, bazı proteinler lipitlerle (kolesterol ve esterleri dahil) liyofilik miseller (Bölüm 27.3) oluştururlar. lipoproteinler. Lipoproteinlerde protein ve lipit molekülleri arasında kovalent bağ yoktur, yalnızca moleküller arası etkileşim vardır. Dış yüzey lipoprotein misel proteinlerin hidrofilik parçalarından ve fosfolipit moleküllerinden oluşur ve iç kısım(çekirdek), yağların, kolesterolün ve esterlerinin çözündüğü hidrofobik bir ortamdır (Şekil 21.6). Lipoproteinlerde hidrofilik bir dış kabuğun varlığı, bu lipid açısından zengin miselleri suda "çözünür" hale getirir ve yağların ince bağırsaktan yağ depolarına ve çeşitli dokulara taşınması için çok uygun hale getirir. Lipoprotein misellerinin çapı 7 ila 1000 nm arasında değişir.

Yoğunluğa, misellerin büyüklüğüne ve içlerindeki protein ve lipit oranına bağlı olarak lipoproteinler 4 sınıfa ayrılır (Tablo 21.2).

Pirinç. 21.6. Lipoprotein misel

Şilomikronların ve çok düşük yoğunluklu lipoproteinlerin rolü, yağların taşınması ve lipoprotein lipazın etkisi altında hidrolizidir. Yağlar parçalandıkça aşağıdaki dönüşüm meydana gelir:

P-lipoproteinler esas olarak kolesterolü hücrelere taşır ve a-lipoproteinler fazla kolesterolü hücrelerden uzaklaştırır.

Kan serumunun lipoprotein bileşimini incelerken şunu tespit ettik: daha fazla tutum B-lipoproteinler/a-lipo-proteinler, vücutta bol miktarda kolesterol birikmesi riski o kadar artar iç yüzey kan damarları, yani ateroskleroz. Ateroskleroz, beyindeki veya kalpteki daralmış damarlardan kan akışını kısıtlayarak felç veya miyokard enfarktüsü gelişimine katkıda bulunur.

Moleküller arası etkileşim yeteneklerini karakterize eden proteinlerin yüzey özellikleri, bir enzimin bir substratla (Bölüm 5.6) ve bir antikorun bir antijenle etkileşiminin temelini oluşturur ve biyolojide spesifik tamamlayıcılık (“anahtar ve kilit”) olarak adlandırılan çeşitli etkileşimleri açıklar. teorisi). Tüm bu durumlarda, yüzey yapısı ile etkileşime giren parçacıkların özellikleri arasında, aralarındaki çeşitli moleküller arası etkileşimlerin yüksek verimliliğini sağlayan sıkı bir yazışma vardır (Şekil 21.3). Biyolojide bu genellikle etkileşim halindeki parçacıkların şekillerinin ve boyutlarının grafiksel karşılığı kullanılarak basitleştirilmiş bir şekilde yansıtılır (Şekil 21.7).

Proteinlerin bilgi özellikleri. Protein molekülleri ve bunların bireysel parçaları, biyolojik taşıyıcılar olarak kabul edilir.

Pirinç. 21.7. Spesifik tamamlayıcılık veya "anahtar ve kilit" teorisi ile tanımlanan protein parçacıkları arasındaki moleküller arası etkileşimlerin yazışmalarının grafiksel yorumlanması

Alfabedeki harflerin rolünün 20 amino asit kalıntısı tarafından oynandığı bilgisi. Bu bilginin okunması çeşitli moleküller arası etkileşimlere ve sistemin bunları etkili bir şekilde kullanma isteğine dayanmaktadır. Örneğin, aktif merkeze yakın enzimlerde, protein molekülünün bir kısmı belirli amino asit kalıntıları içerir; bunların ikame edicileri, bu enzimin reaksiyona girdiği kesin olarak tanımlanmış bir substratın tanınmasını sağlayacak şekilde uzayda yönlendirilir. Etkileşim benzer şekilde ilerler antikor- antijen veya ortaya çıkan antijene karşılık gelen antikorun sentezi vücutta meydana gelir. Proteinlerin bilgilendirici özellikleri, bütünleyici bir sistem olan bağışıklığın temelini oluşturur. biyolojik mekanizmalar“Arkadaş” ve “uzaylı” tanımanın bilgi süreçlerine dayanan vücudun kendini savunması. 20 birim içeren “Amino asit dili”, bireysel organların şekli ve bir bütün olarak organizma hakkındaki bilgiler de dahil olmak üzere, canlı sistemlerin işleyişi için önemli bilgileri kodlamanın en uygun ve güvenilir yollarından biridir.

Asit-baz özellikleri. Proteinler, a-amino asitler (Bölüm 8.2) gibi, iyonize olmayan karboksil grupları -COOH, tiyol gruplarının amonyum grupları -SH ve ayrıca n-hidroksi- nedeniyle asidik özellikler sergileyen poliamfolitlerdir.

fenil grupları Proteinler ana özelliklerini - COO-, amino grupları - NH2 ve ayrıca imidazol ikame edicileri -C3H3N2 ve guanidin - (CH5N3) + grupları nedeniyle sergiler. Sulu çözeltilerde, ortamın pH'ına bağlı olarak proteinler, pH'ta iki kutuplu iyonik bir yapıya sahip, moleküler, yani nötr formda proteinin pH = pl'sinde mevcut olabilir.< рI белка появля­ется катионная форма, и при рН >Proteinin pl'si, esas olarak ikame edicilerin (-RH) iyonlaşmasına bağlı olarak anyonik bir formda görünür.

Kuvvetli asidik bir ortamda, proteinin iyonize karboksil grubu protonlanır ve kuvvetli alkalin bir ortamda, terminal amonyum grubu protondan arındırılır. Ancak bu kadar uç pH değerleriyle karakterize edilmeyen biyolojik ortamlarda protein molekülleriyle bu tür dönüşümler meydana gelmez. Protein moleküllerindeki asit-baz dönüşümlerine doğal olarak konformasyonlarındaki bir değişiklik eşlik eder ve bu nedenle bir protein katyonunun veya anyonunun biyolojik ve fizyolojik işlevleri yalnızca birbirlerinden değil, aynı zamanda moleküllerinin işlevlerinden de farklı olacaktır.

Amino asit bileşimine bağlı olarak proteinler “nötr” (pI = 5,0 - 7,0), “asidik” (pI) olarak ayrılır.< 4,0) и "основные", или "щелочные" (рI >7.5) (Tablo 21.3). Asidik proteinler yüksek oranda aspartik veya glutamik asit içeriğine sahipken, "temel" proteinler yüksek oranda arginin, lizin veya histidin içeriğine sahiptir. Protein tampon sistemleri vücutta proteinlere dayalı olarak çalışır (Bölüm 8.4).

Proteinlerin asit-baz özelliklerindeki farklılık, protein karışımlarının elektroforez ve iyon değişim kromatografisi ile ayrılması ve analizinin temelini oluşturur. Sabit bir elektrik alanında, proteinler elektroforetik hareketliliğe sahiptir ve katoda veya anoda doğru hareketlerinin yönü, çözeltinin pH değerine ve proteinin pl'sine bağlıdır. pH'ta< рI белок частично находится в форме катиона и перемещается к катоду. При рН >PI proteini kısmen anyon formunda olduğundan anoda doğru hareket eder. pH = pI'da protein tamamen moleküler formdadır ve etki altındadır. elektrik alanı hareket etmiyor. Bir protein iyonunun elektroforetik hareketliliği, çözeltinin pH'ının yanı sıra boyutuna ve yüküne de bağlıdır. Çözeltinin pH'ı ile proteinin pH'ı arasındaki fark ne kadar büyük olursa, iyon hareketliliği de o kadar büyük olur. Elektroforez yoluyla protein analizi, klinik biyokimyada hastalık teşhisi için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kompleksleştirici özellikler. Proteinler aktif çok dişli ligandlardır (bölüm 10.1), özellikle yumuşak fonksiyonel gruplar içerir: tiyol, imidazol, guanidin, amino grubu:

Protein moleküllerinde çeşitli fonksiyonel grupların varlığı nedeniyle, kompleks oluşturan iyonun polarize edilebilirliğine bağlı olarak değişen stabiliteye sahip kompleks bileşikler oluştururlar. Düşük polarize edilebilir (sert) katyonlar K + ve Na + ile proteinler, vücutta belirli biyokimyasal işlemler için substrat olarak proteinlerin katyonları veya aktivatörleri için iyonofor görevi gören düşük kararlı kompleksler oluşturur. Daha az sert katyonlar olan Mg 2+ veya Ca 2+ ile proteinler oldukça güçlü kompleksler oluşturur. D-metal katyonları ile: yeterince polarize olabilen demir, bakır, manganez, çinko, kobalt, molibden ("yaşam metalleri"), yani. yumuşak proteinler güçlü kompleksler oluşturur. Bununla birlikte, toksik metallerin katyonları ile özellikle güçlü kompleksler oluştururlar: kurşun, kadmiyum, cıva ve yüksek polarizasyon sergileyen, yani çok yumuşak olan diğerleri. Proteinlerin metal katyonlu kararlı komplekslerine sıklıkla denir. metaloproteinler.

Pek çok enzim, bir proteinin bir tür “yaşam metali” katyonuyla oluşturduğu şelat kompleksleridir. Bu durumda, protein ligandının etkisi altında kompleks yapıcı katyon oluşur. aktif merkez Bu merkeze yakın bir protein molekülünün bir parçası genellikle substratın tanımlanması ve aktivatörü olarak görev yapar. Metaloenzimin protein bileşenine sıklıkla denir apoenzim.

Tüm proteinler, alkali bir ortamda bakır tuzları ile işlendiğinde, mor renkli bir şelat kompleksi oluşturur; bu, proteinlere kalitatif bir reaksiyondur. biüre reaksiyonu:

Bu reaksiyon, alkalin ortamın ve içindeki kompleks iyonun varlığının kolaylaştırdığı, proteinin peptid gruplarının deprotonasyonuyla meydana gelir.

Elektrofilik-nükleofilik reaksiyonlar. Bu reaksiyonlar öncelikle proteinlerin hidrolizini içerir - bunların vücuttaki katabolizmasının (bozulmasının) ana yolu. Protein hidrolizi sırasında, bir su molekülü olan reaktif, hem OH" nedeniyle bir nükleofil, hem de H+ nedeniyle bir elektrofil gibi davranır. Nükleofilik parçacık OH", peptid bağının elektrofilik merkezine, yani molekülün karbon atomuna saldırır. karbonil grubu ve bu bağın nükleofilik merkezi - nitrojen atomu - bir elektrofil - bir proton tarafından saldırıya uğrar. Su moleküllerinin saldırısı sonucunda proteinlerdeki peptit bağları kırılır ve önce osamino asitler ve peptitler oluşur, son ürünler os-amino asitlerdir.

Proteinlerin hidrolitik parçalanması vücudun herhangi bir hücresinde, daha doğrusu hidrolitik enzimlerin yoğunlaştığı lipozomlarda meydana gelir. Protein hidrolizi kısmi (peptidlere) ve tam (amino asitlere) olabilir. Kısmi hidroliz hızlanır proteinazlar, Peptit oluşumunu teşvik eden. Ortaya çıkan peptitler, katılımıyla amino asitlere hidrolize edilir. peptidaz. Vücutta protein hidrolizi esas olarak her biri belirli amino asitlerin oluşturduğu peptit bağını parçalayan bir dizi enzim tarafından gerçekleştirilir. Bu yüzden, karboksipeptidazözellikle C-terminal amino asidini proteinlerden ayırır, Tripsin Amino asitler arasındaki peptit bağını polar olmayan (hidrofobik) bir ikame edici ile hidrolize eder. Kimotripsin fenilalanin, tirozin, triptofanın diğer amino asitlerle oluşturduğu peptid bağını keser. Vücutta, yaşam boyu esas olarak serbest amino asitler kullanıldığı için gıda proteinleri tamamen parçalanır.

Laboratuvar koşullarında proteinler hem asidik hem de alkali ortamlarda hidrolize edilir. Bununla birlikte, bu koşullar altında birçok osaminik asidin kararsızlığı nedeniyle alkalin hidrolizi pratikte kullanılmaz. Tipik olarak tam hidroliz, proteinin kapalı bir ampul içinde %20 HC1 ile 24 saat süreyle 110°C'ye ısıtılmasıyla gerçekleştirilir. Bu koşullar altında protein hidrolizi tamamlanmaya ilerler, ancak ortaya çıkan triptofan tamamen ayrışır. Bu nedenle enzimatik hidroliz tercih edilir.

Aspartik ve glutamik asitleri içeren vücut proteinleri, bir nükleofil olarak ikame edicinin serbest karboksil gruplarında reaksiyona giren amonyak alıcısı olarak görev yapabilir; protein amidasyon reaksiyonu:

Amidasyon reaksiyonu endergoniktir, dolayısıyla vücutta ATP hidroliz reaksiyonu ile ilişkilidir.

Bu reaksiyonun sonucunda protein geri dönülemez biçimde denatüre olduğundan doğal özelliklerini kaybeder.

Aktif elektrofilik reaktifler (EX): 2,4-dinitroflorobenzen, fenil izotiyosiyanat veya dansil klorür - Proteinlerin veya peptidlerin birincil yapısını belirlemek için kullanılır. Bazların varlığında, protein anyonunun N-terminal amino asidinde reaksiyona girerler ve kromatografik veya spektral olarak kolayca tanımlanabilen ilgili türev E-NH-CRH-COOH formunda eliminasyonunu desteklerler:

Proteinin geri kalan kısmı yok edilmez ve bir sonraki amino asidin çıkarılması işlemleri tekrarlanabilir. Bu reaksiyonlar, otomatik bir protein birincil yapı analiz cihazının çalışmasının temelini oluşturur. Tipik olarak, analiz edilecek protein ilk olarak birkaç peptid üretmek üzere kısmi hidrolize tabi tutulur. Ortaya çıkan peptitler ayrılır, saflaştırılır ve her birinin amino asit dizisi belirlenir ve ardından analiz edilen proteinin birincil yapısı derlenir.

Redoks özellikleri. Sistein amino asidini içerenler hariç, proteinler hafif oksidasyona nispeten dirençlidir, çünkü sisteinin tiyol grubu kolayca bir disülfür grubuna oksitlenir ve süreç tersine çevrilebilir:

Bu dönüşümler sonucunda proteinin yapısında ve doğal özelliklerinde bir değişiklik meydana gelir. Bu nedenle kükürt içeren proteinler, vücut radyasyona veya toksik oksijen formlarına maruz kaldığında ortaya çıkan serbest radikal oksidasyonuna veya indirgenmesine karşı hassastır (Bölüm 9.3.9).

Sistein ve sistin bileşiminin bir parçası olduğundan, keratin proteininin tiyol-disülfid dönüşümleri kimyasal saç permasının temelidir. Öncelikle saça indirgeyici bir madde uygulanarak sistinin -S-S- bağları kırılır ve sistein tiyol gruplarına dönüştürülür. Daha sonra saç bukleler halinde şekillendirilir (kıvrılır) ve oksitleyici bir madde ile işlemden geçirilir. Bu durumda saçın yeni şeklini korumasına yardımcı olan sistin disülfit bağları oluşur.

Daha şiddetli oksidasyonla, proteinlerin tiyol grubu neredeyse geri dönülemez bir şekilde bir sülfo grubuna oksitlenir:

Proteinlerin CO2, H2O ve amonyum tuzlarına sert oksidasyonu, vücut tarafından gereksiz proteinleri ortadan kaldırmak ve enerji kaynaklarını (16,5 - 17,2 kJ/g) yenilemek için kullanılır.

Vücutta, lisin, prolin, fenilalanin ve triptofan kalıntılarını içeren proteinler, oksijenin ve indirgenmiş bir koenzim formunun katılımıyla enzimatik hidroksilasyona (monooksijenaz oksidasyonu) uğrar:

Hidroksilasyon reaksiyonu sonucunda proteinin hidrofilik özellikleri ve hidrojen bağları oluşturma yeteneği artar. Bu, oluşumuna hidroksiprolin kalıntılarının da katıldığı, hidrojen bağları nedeniyle üç zincirin stabil bir süper sarmal halinde birleştirildiği tropokollajende meydana gelir.

Tropokollajen molekülünde de benzer bir reaksiyon meydana gelir ve bu da peptit zincirlerinin daha da güçlü bir "çapraz bağlanmasına" yol açar.

Ninhidrinin etkisi altında proteinlerin oksidatif deaminasyonu, mavi bir rengin oluşmasıyla birlikte - proteinlere karşı karakteristik bir niteliksel reaksiyon - ninhidrin reaksiyonu(bkz. bölüm 21.2.4).

Aromatik ve heterosiklik amino asitler içeren proteinleri tespit etmek için kullanılır. ksantoprotein reaksiyonu, Konsantre nitrik asite maruz kaldığında, alkali veya amonyak eklendiğinde turuncuya dönüşen sarı bir renk görünümü eşlik eder:

Ksantoprotein reaksiyonunun bir sonucu olarak konsantre maddeyle temas ettiğinde ciltte sarı bir renk görülür. nitrik asit.

Bu nedenle, proteinler aşağıdakilerle karakterize edilir: belirli bir konformasyon, sıvı kristal durum, yüzey aktif ve bilgi özelliklerinin yanı sıra dört tür kimyasal reaksiyonun tümü: hayati aktivitenin altında yatan asit-baz, kompleks oluşturma, elektrofilik-nükleofilik ve redoks. herhangi bir canlı sistemin Tüm bu özelliklerin birleşimi, proteinlerin tüm canlılar dünyası için benzersizliğini açıklamaktadır.