Oglašavanje na portalu

Prirodna svojstva proteina određena su njegovom strukturom. Tercijarna struktura. Teorijske osnove časa

Dokazano je postojanje 4 nivoa strukturne organizacije proteinskog molekula.

Primarna struktura proteina- sekvenca lokacije aminokiselinskih ostataka u polipeptidnom lancu. U proteinima su pojedinačne aminokiseline povezane jedna s drugom peptidne veze koje nastaju interakcijom a-karboksilnih i a-amino grupa aminokiselina.

Do sada je dešifrovana primarna struktura desetina hiljada različitih proteina. Da bi se odredila primarna struktura proteina, sastav aminokiselina se određuje metodama hidrolize. Zatim se utvrđuje hemijska priroda terminalnih aminokiselina. Sljedeći korak je određivanje sekvence aminokiselina u polipeptidnom lancu. Za to se koristi selektivna parcijalna (hemijska i enzimska) hidroliza. Moguće je koristiti rendgensku strukturnu analizu, kao i podatke o komplementarnoj nukleotidnoj sekvenci DNK.

Sekundarna struktura proteina- konfiguraciju polipeptidnog lanca, tj. metoda pakovanja polipeptidnog lanca u specifičnu konformaciju. Ovaj proces se ne odvija haotično, već u skladu sa programom koji je postavljen u primarnoj strukturi.

Stabilnost sekundarne strukture osiguravaju uglavnom vodonične veze, međutim određeni doprinos daju kovalentne veze - peptidne i disulfidne.

Razmatran je najvjerovatniji tip strukture globularnih proteina a-helix... Uvrtanje polipeptidnog lanca se dešava u smeru kazaljke na satu. Svaki protein karakteriše određeni stepen spiralizacije. Ako su lanci hemoglobina spiralizirani za 75%, onda je pepsin samo 30%.

Tip konfiguracije polipeptidnih lanaca koji se nalazi u proteinima kose, svile, mišića naziva se b-strukture... Segmenti peptidnog lanca raspoređeni su u jedan sloj, formirajući figuru sličnu presavijenom listu u harmonici. Sloj se može formirati od dva ili velika količina peptidnih lanaca.

U prirodi postoje proteini čija struktura ne odgovara ni β- ni a-strukturi, na primjer, kolagen, fibrilarni protein koji čini glavninu vezivnog tkiva kod ljudi i životinja.

Tercijarna struktura proteina- prostorna orijentacija polipeptidnog heliksa ili metoda savijanja polipeptidnog lanca u određenom volumenu. Prvi protein, čija je tercijarna struktura razjašnjena rendgenskom strukturnom analizom, je mioglobin sperme (slika 2).

U stabilizaciji prostorne strukture proteina, pored kovalentnih veza, glavnu ulogu imaju nekovalentne veze (vodonik, elektrostatičke interakcije naelektrisanih grupa, intermolekularne van der Waalsove sile, hidrofobne interakcije itd.).

Prema modernim konceptima, tercijarna struktura proteina, nakon završetka njegove sinteze, nastaje spontano. Basic pokretačka snaga je interakcija radikala aminokiselina s molekulima vode. U ovom slučaju, nepolarni hidrofobni radikali aminokiselina su uronjeni unutar proteinske molekule, a polarni radikali su orijentirani prema vodi. Proces formiranja prirodne prostorne strukture polipeptidnog lanca naziva se preklapanje... Proteini se izoluju iz ćelija tzv chaperones. Učestvuju u savijanju. Opisano je niz nasljednih bolesti ljudi, čiji je razvoj povezan s kršenjem zbog mutacija u procesu savijanja (pigmentoza, fibroza itd.).

Metodama rendgenske strukturne analize dokazano je postojanje nivoa strukturne organizacije proteinske molekule, između sekundarne i tercijarne strukture. Domain je kompaktan globular strukturna jedinica unutar polipeptidnog lanca (slika 3). Otkriveni su mnogi proteini (na primjer, imunoglobulini) koji se sastoje od domena različite strukture i funkcije, kodiranih različitim genima.

Sve biološka svojstva proteini su povezani sa očuvanjem njihove tercijarne strukture, koja se tzv native... Proteinska globula nije apsolutno kruta struktura: moguća su reverzibilna kretanja dijelova peptidnog lanca. Ove promjene ne narušavaju cjelokupnu konformaciju molekula. Na konformaciju proteinske molekule utiču pH sredine, jonska snaga rastvora i interakcija sa drugim supstancama. Bilo kakvi utjecaji koji dovode do narušavanja prirodne konformacije molekule su praćeni djelomičnim ili potpunim gubitkom proteina njegovih bioloških svojstava.

Kvartarna struktura proteina- metoda polaganja pojedinačnih polipeptidnih lanaca u prostoru, koji imaju istu ili različitu primarnu, sekundarnu ili tercijarnu strukturu, i formiranje jedne makromolekularne formacije u strukturnom i funkcionalnom smislu.

Proteinski molekul koji se sastoji od nekoliko polipeptidnih lanaca naziva se oligomer, i svaki lanac uključen u njega - protometar... Oligomerni proteini se češće grade od parnog broja protomera, na primjer, molekul hemoglobina se sastoji od dva a- i dva b-polipeptidna lanca (slika 4).

Oko 5% proteina, uključujući hemoglobin i imunoglobuline, ima kvarternu strukturu. Struktura podjedinica je karakteristična za mnoge enzime.

Proteinski molekuli koji čine protein kvaternarne strukture formiraju se na ribosomima odvojeno i tek nakon završetka sinteze formiraju zajedničku supramolekularnu strukturu. Protein dobija biološku aktivnost samo kada se kombinuju njegovi sastavni protomeri. Isti tipovi interakcija su uključeni u stabilizaciju kvartarne strukture kao i u stabilizaciji tercijarne.

Neki istraživači priznaju postojanje petog nivoa strukturne organizacije proteina. Ovo metaboloni - polifunkcionalni makromolekularni kompleksi različitih enzima koji katalizuju čitav put transformacije supstrata (sintetaza viših masnih kiselina, kompleks piruvat dehidrogenaze, respiratorni lanac).

Peptidna veza definira okosnicu (greben) primarne strukture proteinske molekule i daje joj krutost.

Teorijske osnove časa

Struktura molekula proteina

Svrha lekcije: proučavati tipove makromolekularne organizacije proteinskih molekula.

Primarna struktura proteina- redoslijed aminokiselina u polipeptidnom lancu (ili lancima) i položaj disulfidnih veza (ako ih ima).

Primarnu strukturu stabilizuju kovalentne veze: peptid, au nekim peptidima i disulfid.

Uništavanje kovalentnih veza primarne strukture - hidroliza: 1) kisela - u 6 n. HCl, 100-110 0 C, 24 sata; 2) enzimski - uz pomoć proteolitičkih enzima u želucu pri pH 1,5-5,0 - pepsin; tripsin, himotripsin, karboksipeptidaze - u duodenumu; dipeptidaze, tripeptidaze i aminopeptidaze - u tankom crijevu, na pH 8,6.

Karakterizacija peptidne veze... Peptidna veza je ravna (komplanarna). C-N veza podsjeća na dvostruku vezu (rotacija je nemoguća) zbog p, π - konjugacije (konjugacija slobodnog para elektrona atoma sa π-elektronima dvostruke veze C = O).

Redoslijed aminokiselina u primarnoj strukturi proteina je specifične karakteristike vrste ovog proteina.

Primarna struktura proteina genetski determinisana i reprodukovana u procesima transkripcije i translacije.

Primarna struktura proteina je osnova za formiranje kasnijih proteinskih struktura zbog interakcije radikala aminokiselinskih ostataka polipeptidnog lanca.

· Zamjena aminokiseline L-serije za aminokiselinu D-serije ili zamjena čak i jedne L-amino kiseline drugom može dovesti do potpunog nestanka biološke aktivnosti peptida.

Fiziološki aktivni peptidi sadrže od 3 do 100 aminokiselinskih ostataka (MW ispod 6000 Da). Za razliku od proteina, polipeptidi mogu sadržavati neproteinogene ili modificirane proteinogene aminokiseline. primjeri:

1. Bradikinin i kalidin izazivaju opuštanje glatkih mišića i produkti su proteolize specifičnih a2-globulina u plazmi, stoga ovi peptidi sadrže samo proteinogene aminokiseline:

bradikinin: arg-pro-pro-gly-phen-ser-pro-phen-arg;

kallidin: Liz-arg-pro-pro-gly-fen-ser-pro-fen-arg.

2. Glutation (γ-glu-cis-gly) se nalazi u svim ćelijama. Neophodan je za transport aminokiselina kroz membrane, za rad niza enzima. Zadržava disulfidne veze, sadrži atipičnu peptidnu vezu kada je glutamat vezan za cistein, a ne preko α-amino grupe.

Polimorfizam proteina- to je postojanje istog proteina u nekoliko molekularnih oblika koji se razlikuju po primarnoj strukturi, fizičkoj hemijska svojstva i manifestacije biološke aktivnosti.



Uzroci polimorfizma proteina su rekombinacije gena i mutacije. Izoproteini su višestruki molekularni oblici proteina koji se nalaze u organizmima istog biološke vrste kao rezultat prisustva više od jednog strukturnog gena u genskom fondu vrste. Više gena može biti predstavljeno kao višestruki aleli ili kao višestruki lokusi gena.

Primjeri polimorfizma proteina.

1. Polimorfizam proteina u filogenezi – postojanje homolognih proteina u različitim vrstama. U ovim proteinima, regije primarne strukture koje su odgovorne za njihovu funkciju ostaju očuvane (nepromijenjene). Za nadoknadu izgubljenih proteina u ljudskom organizmu koriste se homologni proteini životinja, u čijoj primarnoj strukturi postoje minimalne razlike (inzulin goveda, svinja, sperma).

2. Polimorfizam proteina u ontogenezi – postojanje homolognih proteina u različitim dijelovima životnog ciklusa organizma. Fetus ima hemoglobin F (fetalni hemoglobin, α 2 γ 2, ima visok afinitet za kiseonik). Nakon rođenja, zamjenjuje se hemoglobinom A1 (a 2 b 2).

3. Polimorfizam tkiva proteina. Isti enzim u različitim stanicama katalizira istu reakciju, ali ima razlike u primarnoj strukturi - izozimima. Određivanje izoenzima u krvi pomaže u dijagnosticiranju oštećenja određenog tkiva.

4. Polimorfizam proteina u patologiji. Razmotrimo primjer višestrukih oblika naslijeđenih mutacija. U ovom slučaju najčešće se događa zamjena kisele aminokiseline baznom ili neutralnom:

u HbC, zamjena glu 6 u β-lancu sa lizom;

u HbE, zamjena Glu 26 u β-lancu lizom;

u HbI, zamjena lys 16 u β-lancu sa asp;

u HbS, zamjena glo 6 u β-lancu osovinom.

U potonjem slučaju javlja se bolest kao što je anemija srpastih stanica. Abnormalni hemoglobini se razlikuju od normalnih po količini naboja i elektroforetskoj pokretljivosti. Fizičko-hemijske promjene hemoglobina su praćene poremećenim transportom kisika.

Sekundarna struktura proteina- pravilna organizacija polipeptidnog lanca, stabilizovanog vodoničnim vezama. Vodikove veze nastaju između NH i CO grupa peptidnih veza. Razlikovati a-helix, b-strukturu i neuređenu konformaciju (kalem).

a-Spirala. Uvrtanje polipeptidnog lanca odvija se u smjeru kazaljke na satu (desnostrana spirala), što je posljedica strukture L-aminokiselina. Postoji 3,6 aminokiselinskih ostataka za svaki zavoj (korak) heliksa. Korak heliksa je 0,54 nm, za jedan aminokiselinski ostatak postoji 0,15 nm. Spiralni ugao je 26 0. svakih 5 zavoja heliksa (18 aminokiselinskih ostataka), struktura polipeptidnog lanca se ponavlja. Vodikove veze su paralelne osi heliksa i nastaju između svakog prvog i svakog petog aminokiselinskog ostatka. Formiranje a-heliksa sprječavaju prolin i aminokiseline s glomaznim i nabijenim radikalima.

Β-struktura. U fibrilarnim proteinima, dva ili više linearnih polipeptidnih lanaca su čvrsto vezani vodoničnim vezama okomitim na osu molekula (presavijeni b-sloj). Ako su dva polipeptidna lanca koji idu u istom smjeru od N- do C-kraja povezana vodoničnim vezama međulančanih, onda je ovo paralelna β-struktura. Ako su N- i C-krajevi lanaca suprotni, onda je ovo antiparalelna b-struktura. Ako se jedan polipeptidni lanac savija i ide paralelno sa sobom, onda je ovo antiparalelna β-unakrsna struktura. Tačke savijanja lanca određuju se pro, gli, asn-b-bend.

Poremećena konformacija. Područja proteinske molekule koja ne pripadaju spiralnim ili naboranim strukturama nazivaju se neuređenim. U grafičkom prikazu, spiralni dijelovi su prikazani kao cilindar, a presavijene strukture - strelicom. Razlikuje se koncept suprasekundarne strukture, što je redovna izmjena a-helikalnih presjeka i b-struktura.

Tercijarna struktura- konformacija polipeptidnog lanca u cjelini (tj. lokacija u trodimenzionalnom prostoru). Tercijarna struktura je stabilizovana vezama i interakcijama između radikala aminokiselinskih ostataka polipeptidnog lanca: kovalentno - disulfidne veze, kao i vodonik, jonske veze i hidrofobne interakcije. Vrste proteina sa tercijarnom strukturom:

proteini, u kojima dominiraju a-helikalni regioni, imaju oblik globula (globularnih proteina) i obavljaju dinamičke funkcije;

proteini, u kojima prevladavaju strukture presavijenog b-sloja, imaju filamentozni (fibilarni proteini) oblik i obavljaju strukturne funkcije;

kolagen je najrasprostranjeniji protein u životinjskom svijetu (do 25% svih tjelesnih proteina), ima posebnu strukturu. Molekul kolagena (tropokolagen) je izgrađen od tri polipeptidna lanca. Svaki polipeptidni lanac sadrži oko 1000 aminokiselinskih ostataka (35% glicin, 21% prolin i hidroksiprolin, 11% alanin). Svaki polipeptidni lanac ima čvrstu spiralnu konformaciju (3 aminokiselinska ostatka po okretu). U molekulu tropokolagena, sve tri spirale su međusobno isprepletene, formirajući snop. Vodikove veze se formiraju između spirala zbog peptidnih grupa. Ova struktura obezbeđuje snagu kolagenih vlakana.

Nativna struktura proteina.

Mnogi proteini u tercijarnoj strukturi imaju namotane, presavijene i neuređene segmente. Istovremeno, u funkcionalnom i strukturnom smislu, važan je međusobnog dogovora radikali aminokiselina. Koriste se sljedeći termini:

domene – anatomski izdvojena područja tercijarne strukture proteina odgovorna za obavljanje specifične funkcije proteina;

hidrofobni džepovi – šupljine u tercijarnoj strukturi, obložene radikalima hidrofobnih aminokiselina; služe za uranjanje hidrofobnih liganada u proteinski molekul;

hidrofobni klasteri – područja površine proteina gdje su koncentrirani radikali hidrofobnih aminokiselina; služe za interakciju sa hidrofobnim klasterima drugih molekula.

Da bi izvršio funkciju, protein mora imati specifičnu i često samo tercijarnu strukturu (konformaciju) - nativnu strukturu.

To je uzrokovano interakcijom aminokiselinskih ostataka koji su daleko jedan od drugog u linearnom nizu. Faktori održavanja:

    vodonične veze

    hidrofobne interakcije (potrebne za strukturu i biološke funkcije proteina)

    disulfidni i solni mostovi

    jonske i van der Waalsove veze.

U većini proteina, površina molekula sadrži ostatke aminokiselinskih radikala sa hidrofilnim svojstvima. HC - radikali koji su hidrofobni i nalaze se unutar molekula. Ova distribucija je važna u formiranju prirodne strukture i svojstava proteina.

Kao rezultat toga, proteini imaju hidratantnu ljusku, a stabilizacija tercijarne strukture je u velikoj mjeri posljedica hidrofobnih interakcija. Na primjer, 25-30% aminokiselinskih ostataka u molekulima globulina ima izražene hidrofobne radikale, 45-50% sadrži jonske i polarne radikalne grupe.

Bočni lanci aminokiselinskih ostataka koji su odgovorni za strukturu proteina razlikuju se po veličini, obliku, naboju i sposobnosti stvaranja vodikovih veza, kao i po hemijskoj reaktivnosti:

    alifatski bočni lanci kao što su valin, alanin. Upravo ovi ostaci formiraju hidrofobne interakcije.

    hidroksilirani alifatski (serija, treonin). Ovi ostaci aminokiselina sudjeluju u stvaranju vodikovih veza, kao i estera, na primjer, sa sumpornom kiselinom.

    aromatični - to su ostaci fenilalanina, tirozina, triptofana.

    aminokiselinski ostaci sa bazičnim svojstvima (lizin, arginin, histidin). Prevlast takvih aminokiselina u polipeptidnom lancu daje proteinima osnovna svojstva.

    ostaci kiselih svojstava (asparaginska i glutaminska kiselina)

    amid (asparagin, glutamin)

Proteini koji sadrže nekoliko polipeptidnih lanaca imaju kvaternarnu strukturu. Ovo se odnosi na način na koji su lanci postavljeni jedan u odnosu na drugi. Ovi enzimi se zovu podjedinice. Trenutno je uobičajeno koristiti izraz "domena", koji označava kompaktnu globularnu jedinicu proteinske molekule. Mnogi proteini se sastoje od nekoliko takvih jedinica mase od 10 do 20 kDa. U proteinima visoke molekularne težine, pojedinačni domeni su povezani relativno fleksibilnim regionima PCP-a. U tijelu životinja i ljudi postoje još složenije strukturne organizacije proteina, a primjer toga mogu biti multienzimski sistemi, posebno kompleks piruvat dekarboksilaze.

Koncept prirodnog proteina

Pri određenim pH i temperaturnim vrijednostima, PCP obično ima samo jednu konformaciju, koja se naziva nativna i u kojoj protein u tijelu obavlja svoju specifičnu funkciju. Gotovo uvijek, ova pojedinačna konformacija energetski prevladava nad desetinama i stotinama varijanti drugih konformacija.

Klasifikacija. Biološka i hemijska svojstva proteina

Ne postoji zadovoljavajuća klasifikacija proteina, oni se konvencionalno klasifikuju prema njihovoj prostornoj strukturi, rastvorljivosti, biološkim funkcijama, fizičko-hemijskim svojstvima i drugim karakteristikama.

1. U pogledu strukture i oblika molekula, proteini se dijele na:

    globularni (sferični)

    fibrilar (filamentozan)

2. hemijski sastav se deli na:

Jednostavne koje se sastoje samo od aminokiselinskih ostataka

Složeni, sadrže neproteinske spojeve u molekulu. Klasifikacija složenih proteina zasniva se na hemijskoj prirodi ne-proteinskih komponenti.

Jedna od glavnih vrsta klasifikacije:

Z. prema biološkim funkcijama koje obavlja:

Enzimska kataliza. U biološkim sistemima, sve hemijske reakcije kataliziraju specifični proteini, enzimi. Poznato je više od 2000

enzimi. Enzimi su moćni biokatalizatori koji ubrzavaju reakciju najmanje milion puta.

Transport i akumulacija

Prijenos mnogih malih molekula i raznih jona često se obavlja pomoću specifičnih proteina, na primjer, hemoglobina, mioglobina, koji prenose kisik. Primjer akumulacije: Feritin se akumulira u jetri.

koordinisanog kretanja. Proteini su glavna komponenta kontraktilnih mišića (aktinska i miozinska vlakna). Kretanje na mikroskopskom nivou je odvajanje hromozoma tokom mitoze, pomeranja spermatozoida usled flagela.

    mehanička podrška. Visoka elastičnost kože i kostiju je zbog prisustva fibrilarnog proteina - kolagena.

    imunološka zaštita. Antitijela su visoko specifični proteini koji mogu prepoznati i vezati viruse, bakterije i stanice drugih organizama.

Generisanje i prenošenje impulsa. Odgovor nervnih ćelija na impulse posreduju receptorski proteini

regulacija rasta i diferencijacije. Za rast ćelijske diferencijacije neophodna je stroga regulacija redosleda ekspresije genetske informacije. U bilo kom trenutku tokom života organizma, samo mali deo ćelijskog genoma je izražen. Na primjer, pod djelovanjem specifičnog proteinskog kompleksa, u višim organizmima nastaje mreža neurona.

Ostale funkcije peptida i proteina uključuju hormonalne. Nakon što su ljudi naučili da sintetišu hormonske peptide, oni su počeli da imaju izuzetno važan biomedicinski značaj. Peptidi su različiti antibiotici kao što su valinomicin, antineoplastični lijekovi. Osim toga, proteini obavljaju funkciju mehaničke zaštite (keratin kose ili sluzokože koje oblažu gastrointestinalni trakt ili usnu šupljinu).

Glavna manifestacija postojanja bilo kojeg živog organizma je reprodukcija njihove vlastite vrste. Konačno, nasljedna informacija je kodiranje sekvence aminokiselina svih proteina u tijelu. Proteinski toksini utiču na zdravlje ljudi.

Molekularna težina proteina mjeri se u daltonima (Da) - to je jedinica mase koja je skoro jednaka masi vodonika (-1.000). Termini dalton i molekulska težina se unose naizmjenično. Mr većine proteina kreće se od 10 do 100.000.

Rice. 3.9. Tercijarna struktura laktoglobulina - tipičan a/p-protein (prema PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, JH, Cooper, R., Flower, DR, Yewdall, SJ, Polikarpov, I., North, AC, Sawyer, L.: Struktura, 5, str. 481. 1997.)

Prostorna struktura ne zavisi od dužine polipeptidnog lanca, već od redosleda aminokiselinskih ostataka specifičnih za svaki protein, kao i od bočnih radikala karakterističnih za odgovarajuće aminokiseline. Prostornu trodimenzionalnu strukturu ili konformaciju proteinskih makromolekula formiraju prvenstveno vodonične veze, kao i hidrofobne interakcije između nepolarnih bočnih radikala aminokiselina. Vodikove veze igraju veliku ulogu u formiranju i održavanju prostorne strukture proteinske makromolekule. Vodikova veza se formira između dva elektronegativna atoma preko vodikovog protona koji je kovalentno vezan za jedan od ovih atoma. Kada jedan elektron atoma vodika učestvuje u formiranju elektronskog para, proton privlači susjedni atom, formirajući vodikovu vezu. Preduslov za formiranje vodikove veze je prisustvo najmanje jednog slobodnog para elektrona iz elektronegativnog atoma. Što se tiče hidrofobnih interakcija, one nastaju kao rezultat kontakta između nepolarnih radikala koji nisu u stanju razbiti vodikove veze između molekula vode, koja se istiskuje na površinu proteinske globule. Kako se protein sintetiše, nepolarne hemijske grupe se skupljaju unutar globule, a polarne se istiskuju na njenu površinu. Dakle, proteinski molekul može biti neutralan, pozitivno nabijen ili negativno, ovisno o pH otapala i ionogenih grupa u proteinu. Slabe interakcije također uključuju ionske veze i van der Waalsove interakcije. Osim toga, konformaciju proteina održava kovalentna S-S veze formirana između dva cisteinska ostatka. Kao rezultat hidrofobnih i hidrofilnih interakcija, proteinska molekula spontano usvaja jednu ili više termodinamički najpovoljnijih konformacija, a ako je, kao rezultat bilo kakvih vanjskih utjecaja, nativna konformacija poremećena, moguća je njena potpuna ili gotovo potpuna obnova. Ovo je prvi pokazao K. Anfinsen koristeći katalitički aktivnu protein ribonukleazu kao primjer. Pokazalo se da kada se izloži urei ili p-merkaptoetanolu, dolazi do promjene njegove konformacije i, kao posljedica toga, oštrog smanjenja katalitičke aktivnosti. Uklanjanje uree dovodi do prijelaza konformacije proteina u prvobitno stanje, a katalitička aktivnost se obnavlja.

Dakle, konformacija proteina je trodimenzionalna struktura, a kao rezultat njenog formiranja, mnogi atomi koji se nalaze u udaljenim regijama polipeptidnog lanca približavaju se jedni drugima i, djelujući jedan na drugog, stiču nova svojstva koja su odsutna u pojedinačnim aminokiselinama. kiseline ili mali polipeptidi. Ovo je tzv tercijarne strukture, koju karakteriše orijentacija polipeptidnih lanaca u prostoru (slika 3.9). Tercijarna struktura globularnih i fibrilarnih proteina značajno se razlikuje jedna od druge. Usvojeni oblik proteinske molekule karakterizira takav pokazatelj kao stupanj asimetrije (omjer duge ose molekula i kratke). Kod globularnih proteina stepen asimetrije je 3-5, dok je kod fibrilarnih proteina ova vrijednost mnogo veća (od 80 do 150).

Kako se, dakle, primarne i sekundarne nesavijene strukture pretvaraju u urušenu, vrlo stabilnu formu? Proračuni pokazuju da je broj teoretski mogućih kombinacija formiranja trodimenzionalnih struktura proteina nemjerljivo veći od onih koje stvarno postoje u prirodi. Očigledno, energetski najpovoljniji oblici su glavni faktor konformacijske stabilnosti.

Hipoteza rastaljene globule. Jedan od načina za proučavanje savijanja polipeptidnog lanca u trodimenzionalnu strukturu je denaturacija i naknadna resaturacija proteinskog molekula.

Eksperimenti K. Anfinsena sa ribonukleazom nedvosmisleno pokazuju mogućnost sklapanja upravo one prostorne strukture koja je narušena kao rezultat denaturacije (slika 3.10).

U ovom slučaju, restauracija nativne konformacije ne zahtijeva nikakve dodatne strukture. Koji su najvjerovatniji modeli savijanja polipeptidnog lanca u odgovarajuću konformaciju? Jedna od najrasprostranjenijih hipoteza o samoorganizaciji proteina je hipoteza rastaljene globule. U okviru ovog koncepta izdvaja se nekoliko faza samosastavljanja proteina.

  • 1. U nesavijenom polipeptidnom lancu, uz pomoć vodoničnih veza i hidrofobnih interakcija, formiraju se odvojeni dijelovi sekundarne strukture, koji služe kao sjeme za formiranje kompletnih sekundarnih i supersekundarnih struktura.
  • 2. Kada broj ovih mjesta dostigne određenu graničnu vrijednost, dolazi do preorijentacije bočnih radikala i tranzicije polipeptidnog lanca u novi, kompaktniji oblik, te se povećava broj nekovalentnih veza.

Rice. 3.10.

značajno povećava. Karakteristična karakteristika ove faze je formiranje specifičnih kontakata između atoma koji se nalaze u udaljenim regionima polipeptidnog lanca, ali su pronađeni kao bliski kao rezultat formiranja tercijarne strukture.

3. U posljednjoj fazi formira se nativna konformacija proteinskog molekula, povezana sa zatvaranjem disulfidnih veza i konačnom stabilizacijom konformacije proteina. Također je moguće da je nespecifična agregacija djelomično presavijena.

polipstidne lance, koji se mogu klasifikovati kao greške u formiranju nativnih proteina. Djelomično presavijeni polipeptidni lanac (korak 2) naziva se rastopljena globula, a stadijum 3 je najsporiji u stvaranju zrelog proteina.

Na sl. 3.11 prikazuje varijantu formiranja proteinske makromolekule koju kodira jedan gen. Poznato je, međutim, da određeni broj proteina ima domen

Rice. 3.11.

(prema NK Nagradovoj) struktura nastaje kao rezultat umnožavanja gena, a formiranje kontakata između odvojenih domena zahtijeva dodatne napore. Pokazalo se da ćelije imaju posebne mehanizme za regulaciju savijanja novosintetizovanih proteina. Trenutno su otkrivena dva enzima koji su uključeni u implementaciju ovih mehanizama. Jedna od sporih reakcija treće faze savijanja polipeptidnog lanca je *

Rice. 3.12.

Osim toga, ćelije sadrže niz katalitički neaktivnih proteina, koji ipak daju veliki doprinos formiranju prostornih struktura proteina. To su takozvani šaperoni i šaperonini (slika 3.12). Jedan od otkrića molekularnih šaperona, L. Ellis, naziva ih funkcionalnom klasom nepovezanih proteinskih familija koje pomažu u ispravnom nekovalentnom sastavljanju drugih struktura koje sadrže polipeptid in vivo, ali nisu dio sklopljenih struktura i nisu uključene u provedbi svojih normalnih fizioloških funkcija.

Šaperoni pomažu u pravilnom sklapanju trodimenzionalne proteinske konformacije formiranjem reverzibilnih nekovalentnih kompleksa sa djelomično presavijenim polipeptidnim lancem, dok istovremeno inhibiraju malformirane veze što dovodi do formiranja funkcionalno neaktivnih proteinskih struktura. Lista funkcija svojstvenih chaperonima uključuje zaštitu rastaljenih globula od agregacije, kao i prijenos novosintetiziranih proteina u različite stanične lokuse. Šaperoni su pretežno proteini toplotnog šoka, čija se sinteza naglo povećava pod uticajem temperature stresa, pa se nazivaju i hsp (proteini toplotnog šoka). Porodice ovih proteina nalaze se u mikrobnim, biljnim i životinjskim ćelijama. Klasifikacija pratilaca se zasniva na njihovoj molekularna težina, koja varira od 10 do 90 kDa. U osnovi, funkcije šaperona i šaperonina se razlikuju, iako su oba proteina koji pomažu u formiranju trodimenzionalne strukture proteina. Šaperoni održavaju novosintetizovani polipeptidni lanac u nesavijenom stanju, sprečavajući ga da se savija u oblik različit od nativnog, a šaperoni obezbeđuju uslove za formiranje jedine ispravne, nativne strukture proteina (slika 3.13).

Rice. 3.13.

Šaperoni / su vezani za nanscentni polipeptidni lanac koji silazi iz ribozoma. Nakon formiranja polipeptidnog lanca i njegovog oslobađanja iz ribozoma, pratioci se vezuju za njega i sprečavaju agregaciju 2. Nakon savijanja u citoplazmi, proteini se odvajaju od šaperona i prenose u odgovarajući šaperonin, gdje dolazi do konačnog formiranja tercijarne strukture. 3. Uz pomoć citosolnog šaperona, proteini se kreću do vanjske membrane mitohondrija, gdje ih mitohondrijski šaperon uvlači u mitohondrije i "prebacuje" u mitohondrijski šaperon, gdje dolazi do savijanja. 4, 5 je slično 4 , ali u odnosu na endoplazmatski retikulum.

Tercijarna struktura proteina je način na koji se polipeptidni lanac savija u trodimenzionalnom prostoru. Ova konformacija nastaje zbog formiranja hemijskih veza između radikala aminokiselina koji su udaljeni jedan od drugog. Ovaj proces se odvija uz učešće molekularnih mehanizama ćelije i igra veliku ulogu u prenošenju funkcionalne aktivnosti proteinima.

Karakteristike tercijarne strukture

Sljedeće vrste hemijskih interakcija su karakteristične za tercijarnu strukturu proteina:

  • jonski;
  • vodonik;
  • hidrofobni;
  • van der Waals;
  • disulfid.

Sve ove veze (osim kovalentne disulfidne veze) su vrlo slabe, ali zbog svoje količine stabilizuju prostorni oblik molekula.

U stvari, treći nivo savijanja polipeptidnih lanaca je kombinacija različitih elemenata sekundarne strukture (α-heliksa; β-presavijenih slojeva i petlji), koji su orijentisani u prostoru zbog hemijskih interakcija između bočnih radikala aminokiselina. Za šematsko označavanje tercijarne strukture proteina, α-helice su označene cilindrima ili spiralno uvijenim linijama, presavijeni slojevi strelicama, a petlje jednostavnim linijama.

Priroda tercijarne konformacije određena je redoslijedom aminokiselina u lancu, stoga će dva molekula sa istom primarnom strukturom pod jednakim uvjetima odgovarati istoj varijanti prostornog savijanja. Ova konformacija osigurava funkcionalnu aktivnost proteina i naziva se nativnom.

U procesu savijanja proteinske molekule, komponente aktivnog centra se približavaju jedna drugoj, koje se u primarnoj strukturi mogu značajno udaljiti jedna od druge.

Za jednolančane proteine, tercijarna struktura je konačni funkcionalni oblik. Složeni proteini sa više podjedinica formiraju kvartarnu strukturu, koja karakterizira raspored nekoliko lanaca u odnosu jedan na drugi.

Karakterizacija hemijskih veza u tercijarnoj strukturi proteina

Preklapanje polipeptidnog lanca je uglavnom zbog omjera hidrofilnih i hidrofobnih radikala. Prvi imaju tendenciju interakcije s vodonikom (sastavnim elementom vode) i stoga su na površini, dok hidrofobna područja, naprotiv, jure ka centru molekule. Ova konformacija je energetski najpovoljnija. Kao rezultat, formira se globula s hidrofobnom jezgrom.

Hidrofilni radikali, koji ipak padaju u centar molekule, međusobno djeluju tvoreći ionske ili vodikove veze. Jonske veze mogu nastati između suprotno nabijenih radikala aminokiselina, a to su:

  • kationske grupe arginina, lizina ili histidina (imaju pozitivan naboj);
  • karboksilne grupe radikala glutaminske i asparaginske kiseline (imaju negativan naboj).

Vodikove veze nastaju interakcijom nenabijenih (OH, SH, CONH 2) i nabijenih hidrofilnih grupa. Kovalentne veze (najjača u tercijarnoj konformaciji) nastaju između SH-grupa cisteinskih ostataka, formirajući takozvane disulfidne mostove. Obično su ove grupe udaljene jedna od druge u linearnom lancu i približavaju se samo tokom procesa slaganja. Disulfidne veze nisu tipične za većinu intracelularnih proteina.

Konformaciona labilnost

Budući da su veze koje formiraju tercijarnu strukturu proteina vrlo slabe, Brownovo kretanje atoma u lancu aminokiselina može dovesti do njihovog pucanja i stvaranja na novim mjestima. To dovodi do male promjene u prostornom obliku pojedinih regija molekula, ali ne narušava nativnu konformaciju proteina. Ovaj fenomen se naziva konformaciona labilnost. Potonji igra veliku ulogu u fiziologiji ćelijskih procesa.

Na konformaciju proteina utiču njegove interakcije sa drugim molekulima ili promene u fizičko-hemijskim parametrima okoline.

Kako se formira tercijarna struktura proteina

Proces savijanja proteina u njegov nativni oblik naziva se savijanje. Ovaj fenomen se zasniva na želji molekula da prihvati konformaciju sa minimalnom vrednošću slobodne energije.

Nijedan protein ne treba posrednike instruktora da bi odredio tercijarnu strukturu. Obrazac preklapanja je u početku "zapisan" u sekvenci aminokiselina.

Međutim, u normalnim uslovima, bilo bi potrebno više od trilijuna godina da veliki proteinski molekul poprimi svoju nativnu konformaciju prema svojoj primarnoj strukturi. Ipak, u živoj ćeliji ovaj proces traje svega nekoliko desetina minuta. Tako značajno smanjenje vremena je omogućeno učešćem u savijanju specijalizovanih pomoćnih proteina - foldaza i šaperona.

Sklapanje malih proteinskih molekula (do 100 aminokiselina u lancu) odvija se prilično brzo i bez sudjelovanja posrednika, što pokazuju eksperimenti in vitro.

Faktori preklapanja

Pomoćni proteini uključeni u savijanje dijele se u dvije grupe:

  • foldaze - imaju katalitičku aktivnost, potrebne su u količini znatno inferiornoj u odnosu na koncentraciju supstrata (kao i drugi enzimi);
  • chaperoni - proteini s različitim mehanizmima djelovanja, potrebni su u koncentraciji koja je usporediva s količinom savijenog supstrata.

Obje vrste faktora su uključene u savijanje, ali nisu uključene u konačni proizvod.

Grupa foldaza je predstavljena sa 2 enzima:

  • Protein disulfid izomeraza (PDI) - kontrolira pravilno stvaranje disulfidnih veza u proteinima s velikim brojem ostataka cisteina. Ova funkcija je vrlo važna, jer su kovalentne interakcije vrlo jake, a u slučaju pogrešnih veza, protein se ne bi mogao samostalno preurediti i preuzeti nativnu konformaciju.
  • Peptidil-prolil-cis-trans-izomeraza - osigurava promjenu konfiguracije radikala koji se nalaze na stranama prolina, što mijenja prirodu savijanja polipeptidnog lanca na ovom mjestu.

Dakle, foldaze igraju korektivnu ulogu u formiranju tercijarne konformacije proteinske molekule.

Chaperones

Chaperoni se inače nazivaju ili stres. To je zbog značajnog povećanja njihove sekrecije sa negativnim efektima na ćeliju (temperatura, zračenje, teški metali itd.).

Šaperoni pripadaju tri porodice proteina: hsp60, hsp70 i hsp90. Ovi proteini imaju mnoge funkcije, uključujući:

  • zaštita proteina od denaturacije;
  • isključivanje međusobne interakcije novosintetiziranih proteina;
  • sprečavanje stvaranja pogrešnih slabih veza između radikala i njihova labijalizacija (korekcija).

Dakle, šaperoni doprinose brzom sticanju energetski ispravne konformacije, isključujući slučajno nabrajanje mnogih varijanti i štiteći još nezrele proteinske molekule od nepotrebne međusobne interakcije. Osim toga, pratioci pružaju:

  • neke vrste transporta proteina;
  • kontrola ponovnog savijanja (obnova tercijarne strukture nakon njenog gubitka);
  • održavanje stanja nedovršenog savijanja (za neke proteine).

U potonjem slučaju, molekul šaperona ostaje vezan za protein nakon završetka procesa savijanja.

Denaturacija

Povreda tercijarne strukture proteina pod utjecajem bilo kojeg faktora naziva se denaturacija. Gubitak prirodne konformacije nastaje kada se uništi veliki broj slabih veza koje stabiliziraju molekul. U tom slučaju protein gubi svoju specifičnu funkciju, ali zadržava primarnu strukturu (peptidne veze se ne razaraju tokom denaturacije).

Tokom denaturacije dolazi do prostornog povećanja proteinske molekule, a hidrofobne regije ponovo izlaze na površinu. Polipeptidni lanac poprima konformaciju neuređene zavojnice, čiji oblik zavisi od toga koje su veze tercijarne strukture proteina prekinute. U ovom obliku, molekul je podložniji djelovanju proteolitičkih enzima.

Faktori koji narušavaju tercijarnu strukturu

Postoji niz fizičkih i hemijskih efekata koji mogu izazvati denaturaciju. To uključuje:

  • temperatura iznad 50 stepeni;
  • zračenje;
  • promjena pH okoline;
  • soli teških metala;
  • neke organska jedinjenja;
  • deterdženti.

Nakon prestanka denaturirajućeg efekta, protein može obnoviti tercijarnu strukturu. Ovaj proces se naziva renaturacija ili ponovno savijanje. In vitro, ovo je moguće samo za male proteine. U živoj ćeliji, pratioci omogućavaju ponovno presavijanje.