Proteiinimolekyylin rakenne. Proteiinimolekyylin tai proteiinirakenteen rakenteellisen organisoinnin tasot Prosessissa proteiinimolekyylit toimivat

Hyvin " Molekyyliemäkset elämän prosesseja"

KURSSISUUNNITELMA

Luento nro 4. Proteiinin toimintamekanismit

Viime luennossa pohdimme vuorovaikutuksia, jotka määräävät proteiinimolekyylin tilarakenteen. Kuitenkaan kaikki proteiiniryhmät, jotka pystyvät osallistumaan tällaisiin vuorovaikutuksiin, eivät löydä kumppania proteiinimolekyylistä. SISÄÄN vesiliuokset nämä ryhmät ovat yleensä vuorovaikutuksessa liuotinmolekyylien kanssa ja varautuneet ryhmät vuorovaikutuksessa veteen liuenneiden suola-ionien kanssa. Elävässä solussa proteiinimolekyylejä muodostavat usein heikkoja sidoksia muiden molekyylien kanssa eloperäinen aine mukaan lukien proteiinit.

Koska proteiinimolekyylissä on monia ryhmiä, jotka voivat päästä ei-kovalenttiseen vuorovaikutukseen, tällainen molekyyli voi sitoutua suuri numero muita molekyylejä tai muodostaa useita sidoksia yhteen molekyyleistä. Jos vuorovaikutuksessa olevien ryhmien määrä kahdessa tällaisessa molekyylissä on pieni, muodostuu epästabiileja komplekseja, jotka voidaan helposti tuhota esimerkiksi molekyylien lämpöliikkeen vaikutuksesta. Jos proteiinimolekyylin ja toisen molekyylin välille muodostuu kuitenkin riittävän suuri määrä vetysidoksia ja monet kohdat liittyvät sähköstaattisten, van der Waalsin ja hydrofobisten vuorovaikutusten kautta, alkaa yhteistyövaikutus vaikuttaa, ts. kompleksin vahvuudesta tulee paljon suurempi kuin muodostuu muodostuneiden sidosten energian yksinkertaisesta summauksesta.

Tämä on mahdollista, jos reagoivat ryhmät vuorovaikutuksessa olevissa molekyyleissä sijaitsevat tiukasti määritellyllä tavalla: yhden molekyylin negatiivisesti varautuneet ryhmät ovat vastapäätä toisen positiivisesti varautuneita ryhmiä ja päinvastoin, vetysidoksia muodostavat ryhmät ovat läheisiä ja oikein orientoituneita. , molempien molekyylien hydrofobiset alueet ovat toisiaan vastapäätä . Voidaan sanoa, että vuorovaikutuksessa olevien molekyylien pinnoilla on täydentävä rakenne. Proteiinimolekyyli voi muodostaa tällaisia ​​pareja vain tiukasti määriteltyjen aineiden molekyylien kanssa, mikä tarkoittaa, että proteiinimolekyylin vuorovaikutukset muiden aineiden kanssa ovat tiukasti spesifisiä ja määräytyvät sen tilarakenteen perusteella.

Proteiini voi muodostaa komplekseja makromolekyyliyhdisteiden kanssa ja muodostaa supramolekulaarisia komplekseja, jotka ovat erilaisten solujen ja solujen välisten rakenteiden perusta. Esimerkkejä tällaisista rakenteista ovat esimerkiksi ribosomit ja mikrotubulukset. Ensin mainitut ovat spesifisten ribosomaalisten proteiinien ja RNA:n kompleksi, ja jälkimmäiset ovat monien tiiviisti vierekkäisten ja spiraaliksi järjestettyjen tubuliiniproteiinimolekyylien kompleksi, kun taas tubuliinimolekyylit itse ovat pallomaisia.

Proteiinimolekyylien välisen vuorovaikutuksen vuoksi muodostuu sellaisia ​​proteiineja kuin aktiinia ja kollageenia (kuvio 1). Vähemmän spesifisten mutta lukuisten hydrofobisten vuorovaikutusten vuoksi proteiinit sitoutuvat kalvoihin. Useita kymmeniä proteiinimolekyylejä, jotka muodostavat haarautuneen kompleksin lukuisten kolmen erityyppisten happamien polysakkaridien molekyylien kanssa, muodostavat rakenteellisen perustan eläimen rustokudoksen lujuudelle.

Tällaisia ​​esimerkkejä on monia. Meille on tärkeää, että erilaisten polymeerien kanssa muodostuvien vahvojen spesifisten kompleksien vuoksi proteiinit suorittavat rakenteellisen toiminnon, joka tarjoaa elävien järjestelmien tilaorganisaation. Tällaisten rakenteiden stabiilius johtuu niitä muodostavien kompleksien lujuudesta, ja kompleksien lujuuden puolestaan ​​määrää niiden komponenttien spesifinen monikeskussidos.

On sanottava, että tällaisten spesifisten vahvojen kompleksien muodostuminen ei ole ominaista vain proteiineille. Esimerkiksi koulutuksen kautta suuri numero vetysidokset rinnakkaiset selluloosamolekyylit muodostavat vahvoja nippuja - misellejä, jotka ovat kasvin soluseinän perusta. Jotkut muut polysakkaridit pystyvät myös muodostamaan stabiileja komplekseja. Proteiineille on kuitenkin tunnusomaista paljon suurempi monimuotoisuus muodostuneista rakenteista, mikä on solu-, kudos- ja lajispesifisyyden perusta.

Toisten solujen pinnalla sijaitsevien spesifisten proteiinien tai ei-proteiinikomponenttien solupinnalla sijaitsevien proteiinien tunnistaminen on perusta solujen väliselle tunnistamiselle, joka johtaa kudosten ja elinten muodostumiseen ja taustalla olevaan kudosten erilaistumiseen ja kehitykseen. monisoluiset organismit.

Proteiinimolekyylit voivat kuitenkin olla vuorovaikutuksessa paitsi makromolekyyliyhdisteiden kanssa. pieni orgaanisia molekyylejä voivat sitoutua proteiinimolekyyliin riittävän korkealla spesifisyydellä, mutta tällaiset kompleksit ovat vähemmän kestäviä, koska muodostuneiden heikkojen vuorovaikutusten määrä on paljon pienempi kuin makromolekyylien tapauksessa (kuva 2).

Proteiineihin sitoutuessa pienet molekyylit voivat muuttaa muotoaan. Tämä heikentää kemiallisia sidoksia ja helpottaa niiden rikkomista ja uusien sidosten muodostumista. Lisäksi proteiini voi sitoa kahta tai useampaa pientä molekyyliä, lähentää niitä ja orientoida niitä suhteessa toisiinsa tietyllä tavalla. Tämä helpottaa sitoutuneiden molekyylien välisiä reaktioita ja johtaa niiden merkittävään kiihtymiseen. Tällaiset proteiinit ovat tehokkaita katalyyttejä ja niitä kutsutaan entsyymejä.

Entsyymit ovat lukuisin proteiiniryhmä. Kaikki elävissä organismeissa tapahtuvat reaktiot katalysoivat entsyymit, joista tunnetaan tällä hetkellä useita tuhansia. Jopa sellaiset yksinkertaiset organismit, kuten bakteerit, sisältävät yli 2000 erilaista entsyymiä. Tietyssä organismissa saatavilla olevat entsyymit määräävät sen biosynteettiset ominaisuudet. Ilman bioentsyymien osallistumista kemialliset reaktiot kulkisi mitättömällä nopeuksilla, eikä reaktiotuotteita voi muodostua vaadittuja määriä.

Entsyymit ovat erittäin tehokkaita, ne nopeuttavat reaktioita miljoonia ja miljardeja kertoja. Lisäksi entsyymeille on ominaista korkea spesifisyys. Yleensä yksi entsyymi nopeuttaa tietyn aineen muuttumista toiseksi, tiukasti määritellyksi aineeksi. Tästä johtuen soluun ei muodostu reaktioiden sivutuotteita, mikä on tyypillistä useimmille kemiallisille reaktioille.

Monille entsyymeille on tunnusomaista, että niiden toimintaa säätelevät eri tekijät, esimerkiksi tietyt aineet. Tämän ansiosta solu ei muodosta liiallisia määriä aineita. Jos aineen määrä ylittää solun vaatiman tason, sen synteesiin osallistuvien entsyymien aktiivisuus vaimenee, ja kun tämän aineen pitoisuus solussa pienenee, entsyymien aktiivisuus palautuu jälleen.

Toinen monien entsyymien ominaisuus on kyky yhdistää kaksi kemiallista reaktiota. Tässä tapauksessa yksi reaktio etenee energian vapautuessa ja toinen absorptiolla. Reaktioiden konjugaatio mahdollistaa toisen reaktion suorittamisen johtuen ensimmäisessä vapautuneesta energiasta, jolloin kokonaisprosessi säilyy energeettisesti suotuisana. Tällaisten entsyymien avulla elävät organismit suorittavat suurimman osan reaktioista monimutkaisten molekyylien, erityisesti polymeerien, synteesissä.

Kun pienet molekyylit sitoutuvat proteiineihin, ei vain pienten molekyylien konformaatio, vaan myös proteiinimolekyylin konformaatio voi muuttua. Joissakin tapauksissa proteiinin konformaatiomuutokset voivat olla hyvinkin havaittavissa, ja se saa uusia ominaisuuksia, esimerkiksi voi sitoutua muiden proteiinien ja nukleiinihappojen molekyyleihin. Tällaiset proteiinit aiheuttavat tiettyjen aineiden ilmaantuessa muutoksia entsyymien toimintaan tai geenien toimintaan - näin solut reagoivat kemiallisiin signaaleihin.

Proteiineja, jotka muuttavat ominaisuuksiaan hormonien sitoutuessa, kutsutaan reseptorit. Ne sijaitsevat yleensä solukalvon ulkosivulla ja lähettävät signaalin soluun. Hormonien lisäksi signaaleja voi olla ravinteita, molekyylejä, joiden pitoisuus liittyy solun yleiseen tilaan, kuten ATP jne. Proteiinit, jotka ovat sitoutuneet signaalimolekyyleihin, voivat saada affiniteetin tiettyihin DNA:n nukleotidisekvensseihin. Tällaiset proteiinit ovat geenien repressoreita tai aktivaattoreita.

Muutos proteiinin konformaatiossa pienimolekyylipainoisten aineiden sitoutuessa on yleensä palautuva, mutta joissakin tapauksissa proteiinin siirtyminen tilasta toiseen liittyy muutokseen pienimolekyylipainoisessa aineessa. Useimmiten tämä aine on ATP. Yksi proteiinikonformaatio muuttuu toiseksi sen jälkeen, kun ATP-hydrolyysi tapahtuu ja proteiini on sitoutunut ADP:hen. ADP:n dissosioituminen edelleen ja uuden ATP-molekyylin sitoutuminen palauttaa proteiinin alkuperäiseen tilaan.

Kahden proteiiniryhmän työ perustuu tähän periaatteeseen. Ensimmäinen on kuljetus-ATPaasit. Nämä proteiinit on upotettu kalvoihin. Ne sitovat molekyylejä tai ioneja kalvon toisella puolella ja siirtävät ne ATP:n hydrolyysin kautta toiselle puolelle. Siten tarvittavat aineet pääsevät soluun ja tarpeettomat aineet poistuvat solusta. Tällaista prosessia kutsutaan aktiivinen kuljetus. Aineiden siirto tapahtuu myös sytoplasman ja soluorganellien välillä. Tämän seurauksena jokaisella solun osalla on oma erityinen koostumus ja se suorittaa omat prosessinsa. Toinen ryhmä proteiineja, jotka muuttavat konformaatiota ATP-hydrolyysin aikana, ovat moottoriproteiinit. Nämä proteiinit ovat melko erilaisia, mutta niiden toiminnan taustalla ovat samanlaiset prosessit.

Kahden tyyppiset proteiinit muodostavat kahden tyyppisiä komplekseja - ATP:n ja ADP:n kanssa tai ilman nukleotidia. Siirtyminen tilasta toiseen tapahtuu ATP:n hydrolyysin jälkeen, ja käänteinen siirtyminen tapahtuu ADP:n dissosioitumisen ja ATP:n lisäämisen jälkeen. Itse siirtymä aiheuttaa muutoksen proteiinien asennossa toisiinsa nähden, mikä johtaa mekaaniseen liikkeeseen.

Yksi motoristen proteiinien tyypeistä on "kävelevät" proteiinit. Tällaisella proteiinilla on kaksi sitoutumiskohtaa, joissa on laajennettu proteiinirakenne, kuten mikrotubulus. Toinen kohta sitoutuu voimakkaasti ATP:n läsnä ollessa ja toinen sen puuttuessa. Jos ATP:tä ei ole, proteiini kiinnittyy mikrotubulukseen toisen kohdan kautta. ATP:n sitoutuminen johtaa siihen, että myös ensimmäinen osa sitoutuu jollain etäisyydellä mikrotubulukseen. ATP:n hydrolyysi johtaa proteiinin konformaatioon ja sitoutumiskohtien konvergenssiin. Tässä tapauksessa toinen osa vedetään ylös ensimmäiseen. Sitten ADP:n dissosioitumisen jälkeen ensimmäinen segmentti erotetaan mikrotubuluksesta, ja ATP:n lisäyksen jälkeen se sitoutuu uudelleen, mutta edennyt tietylle etäisyydelle (kuvio 3).

Toinen ryhmä motorisia järjestelmiä koostuu kahdesta proteiinifilamentista, joita yhdistää proteiini, joka sitoo ja hydrolysoi ATP:tä. Lihaksissa nämä ovat myosiiniin liittyviä aktiinikuituja; eukaryoottien siimoissa ja väreissä nämä ovat mikrotubuluspareja, jotka liittyvät dyneiiniproteiiniin. ATP:n hydrolyysi johtaa myosiinin tai dyneiinin konformaation muutokseen, mikä johtaa lankojen siirtymiseen suhteessa toisiinsa. ADP:n dissosioituminen ja uuden ATP-molekyylin lisääminen johtaa palautumiseen alkuperäiseen tilaan. Siten nämä järjestelmät suorittavat edestakaisen liikkeen, kuten lihasten supistumisen tai siima taivutuksen. Toisin kuin ensimmäinen tyyppi, ATP:tä hydrolysoiva proteiini ei itse liiku.

Siten proteiinien kyvyn vuoksi lukuisiin heikkoihin vuorovaikutuksiin tiettyjen molekyylien kanssa suoritetaan kaikki tärkeimmät elämänprosessit - spesifisten rakenteiden muodostuminen, tarvittavien aineiden luominen, signaalinsiirto ja prosessien säätely, aineiden kuljetus. ja tietyn sisäisen ympäristön luominen, mekaaninen liike.

Kysymyksiä ja tehtäviä itsenäiseen työhön

1. Mistä vuorovaikutuksista johtuen proteiinimolekyyli voi sitoa glukoosimolekyylin?
2. Mitkä proteiinimolekyylin ryhmät voivat osallistua alaniinimolekyylin sitoutumiseen?
3. Jos entsyymi yhdistää kaksi molekyyliä ATP-hydrolyysin energialla, kuinka monta sitoutumiskohtaa pienille molekyyleille sillä pitäisi olla?
4. Mitkä polymeerimolekyylit voivat muodostaa komplekseja proteiinimolekyylien kanssa? Mitä yhteyksiä tässä tapauksessa muodostuu?
5. Sama hormoni aiheuttaa erilaisen vasteen eri kudosten soluissa. Mikä voisi olla syynä tähän?

Kirjallisuus

1. Alberts B., Bray D. et ai. Molekyylibiologia soluja. Ch. 3. - M.: Mir, 1986.
2.Lehninger A. Biokemia. Ch. 9. - M.: Mir, 1985.

AA:t ovat monomeerisiä rakenneyksiköitä proteiinimolekyyli, joka muodostaa polypeptidiketjun. AA voi olla kahdessa steerisessä muodossa: L- Ja D-. Nämä muodot ovat peilisymmetrisiä. Niissä massiivinen sivuradikaali R ja α-hiilen kohdalla seisova H-atomi vaihtavat paikkoja. Nämä muodot puuttuvat vain glysiinistä, jonka sivuketju koostuu H-atomista. Sivuketjut koostuvat jäännöksistä L- aminohappoja, vain niitä koodaavat geenit. D-tähteitä ei koodata templaattiproteiinisynteesin aikana, vaan erityiset entsyymit syntetisoivat niitä. Recemization(L-siirtymä D-:ksi) ei käytännössä tapahdu biosynteesin aikana, samoin kuin spontaanisti proteiineissa, mutta tapahtuu usein peptidien kemiallisen synteesin aikana.

Proteiinimolekyylille on ominaista vahvan läsnäolo kovalenttinen ja suhteellisen heikko ei-kovalenttiset sidokset. Tämä kovalenttisten ja ei-kovalenttisten sidosten yhdistelmä antaa proteiinimolekyylille tietyn lujuuden ja dynaamisuuden toimintaprosessissa (kuvio 1).

a – sähköstaattinen vuorovaikutus; b – vetysidokset; (c) ei-polaaristen sivuketjujen vuorovaikutus, jonka aiheuttaa hydrofobisten radikaalien ekstruusio "kuivalle" vyöhykkeelle liuotinmolekyylien toimesta; (d) disulfidisidokset (kaksoiskaareva viiva osoittaa polypeptidisidoksen rungon).

Kuva 1 - Sidostyypit proteiinimolekyylissä (Filippovichin mukaan).

kovalenttinen Proteiinimolekyylissä on kahdenlaisia ​​sidoksia: peptidi ja disulfidi. Proteiiniketjun AA:t ovat yhteydessä toisiinsa peptidi yhteyksiä KANSSA Ja N atomeja. Peptidi- tai happoamidisidos ( -CO-NH-), On tyypillinen kovalenttinen sidos. Peptidisidos syntyy, kun yhden AA:n karboksyyliryhmä on vuorovaikutuksessa toisen aminoryhmän kanssa. Muodostuneen dipeptidin vapaat amino- ja karboksyyliryhmät kykenevät jälleen menemään polykondensaatioreaktioon uusien AA-molekyylien kanssa, jolloin muodostuu korkeamolekyylipainoinen yhdiste. Siten peptidisidoksen avulla aminohappotähteet kytkeytyvät toisiinsa muodostaen proteiinimolekyylin säännöllisen rungon, josta eri sivuryhmät lähtevät (R 1 ... R M). Sivuketjun linkkien (M) lukumäärä on geenin koodaama, ja se vaihtelee useista kymmenistä useisiin tuhansiin. Proteiinien biosynteesin prosessissa yksittäisten aminohappojen tähteet yhdistetään keskenään lineaarisessa järjestyksessä:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Yhdisteitä, jotka muodostuvat useiden AA:iden tiivistymisen seurauksena, kutsutaan peptidit(di-, tri-, tetrapeptidit jne.). Peptidit voivat sisältää ei vain proteiinogeenisiä, vaan myös ei-proteinogeenisiä AA:ita. Peptideillä on tärkeä rooli aineenvaihdunnan välituotteina, ja monet niistä ovat fysiologisesti erittäin aktiivisia yhdisteitä. Peptidit ovat joitakin antibiootteja (gramicidiini, licheniformiini), hormoneja (insuliini, oksitasiini, vasopressiini), toksiineja (amanitiineja). Peptidit voivat olla suljettuja polypeptidiketjuja, eli ne voivat olla syklopeptidejä, ja joillakin on jopa bisyklinen rakenne. Syklopeptidien joukossa on erittäin myrkyllisiä aineita (myrkyllinen sieni vaalea grebe ( Amanita phalloides).

Peptidien nimet määräytyvät siihen sisältyvien AA:iden nimien perusteella, jotka on lueteltu peräkkäin N-päästä alkaen, ja päätteellä -in- kaikkien AA:iden nimissä, paitsi C-pään, jolla on vapaa COOH-ryhmä (karboksyyli), korvataan päätteellä -il. Jos esimerkiksi kaksi alaniinimolekyyliä ja yksi glysiinimolekyyli osallistuvat kolmen peptidin muodostukseen, tripeptidiä kutsutaan alanyylialanyyliglysiiniksi tai alaalalaglyksi. Aminohapot on lyhennetty kolmikirjaimilla symboleilla (taulukko 1).

Taulukko 1 - Aminohappojen lyhenteet

Tärkeä rooli proteiinimolekyylin avaruudellisen rakenteen stabiloinnissa on kovalenttiset disulfidisidokset (-S-S-), jotka muodostuvat kysteiinitähteiden sulfhydryyliryhmien hapettumisen seurauksena. Disulfidisidoksia voi muodostua kahden polypeptidiketjun kysteiinitähteiden tai yhden polypeptidiketjun kahden kysteiinitähteen väliin, samalla kun ne stabiloivat proteiinimolekyylin tietyn konformaation. Proteiinimolekyylin konformaation stabiloinnissa on olennainen rooli ei-kovalenttiset sidokset Ja vuorovaikutuksia. Näitä ovat hydrofobiset, sähköstaattiset, ioniset vuorovaikutukset sekä vetysidokset. Ne tukevat proteiinin spatiaalista rakennetta paljon heikommin kuin kemialliset sidokset, jotka kiinnittävät monomeerien (AA) sekvenssin proteiiniketjussa.

Hydrofobinen vuorovaikutus tapahtuu, kun joidenkin aminohappojen (alaniini, valiini, leusiini, isoleusiini, fenyylialaniini ja tryptofaani) hydrofobinen hiilivety ja aromaattiset radikaalit kohtaavat. Hydrofobisen vuorovaikutuksen prosessi voidaan esittää polypeptidiketjun ei-polaaristen ryhmien (metyyli-CH3, etyyli-C2H5, fenyyli-C6H6) liikkumisena vedestä assosiaatiosta johtuviin hydrofobisiin alueisiin. näistä ryhmistä. Tämän liikkeen ansiosta ei-polaariset ryhmät vaikuttavat lähellä toisiaan molekyylin sisäosassa, ja hydrofiiliset ryhmät sijaitsevat pinnalla ja ovat kosketuksissa veden kanssa.

Vetysidokset muodostuu vetyatomien välille, jotka on sitoutunut kovalenttisesti atomiin, joka sisältää yksinäisen elektroniparin tai toisen elektronegatiivisen atomin. Biologisissa rakenteissa vetysidos muodostuu useimmiten happeen tai typpeen sitoutuneesta vetyatomista. Vetysidokset voivat olla sisäisiä ja säikeiden välisiä. Ketjujen sisäiset vetysidokset stabiloivat α-kierteisiä ja ketjujen välisiä β-arkkirakenteita.

Ionisidokset (suola). Ne muodostuvat oletettavasti mon(glutamiini- ja asparagiinihappo) dissosioituneiden vapaiden karboksyyliryhmien (COO-) ja diaprotonoitujen vapaiden aminoryhmien (NH3+) väliin. Ionisidokset voivat olla säikeiden välisiä ja sisäisiä.

Molekyylin rakenteellisen organisoinnin tasot orava. Proteiinien toiminnalliset ominaisuudet määräytyvät AA-sekvenssin ja niiden avaruudellisen rakenteen mukaan. Tästä näkökulmasta erottaa neljä tasoa: primaariset, sekundaariset, tertiaariset ja kvaternaariset rakenteet.

Alla ensisijainen rakenne ymmärtää AA:n laadullisen ja kvantitatiivisen koostumuksen sekä niiden sekvenssin proteiinimolekyylin polypeptidiketjuissa. Proteiinimolekyylissä voi olla yksi tai useampi polypeptidiketju. Esimerkiksi entsyymimolekyyli ribonukleaasit edustaa yhtä polypeptidiketjua, jossa on kahdeksan kysteiinitähdettä, jotka muodostavat neljä molekyylinsisäistä disulfidisidosta. Hormoniinsuliini koostuu kahdesta polypeptidiketjusta, jotka on yhdistetty kysteiinitähteiden välisillä disulfidisillalla.

Toissijainen rakenne näyttää proteiinimolekyylin avaruudellisen konfiguraation. Toissijaisia ​​rakennelmia on kolmenlaisia: α-heliksi, β-levy ja kollageenikierre.

Tärkeä rooli sekundaarirakenteen stabiloinnissa on vetysidoksia, jotka syntyvät yhden peptidisidoksen elektronegatiiviseen typpiatomiin liittyneen vetyatomin ja siitä peräisin olevan neljännen aminohapon karbonyylihappiatomin väliin ja ne on suunnattu heliksin akselia pitkin. Energialaskelmat osoittavat, että oikeakätinen α-heliksi on tehokkaampi (kuva 2). Fibrillaariset α-keratiinit (villa, nahka, höyhenet) koostuvat useista polypeptidiketjuista, joilla on oikea α-kierteinen konfiguraatio ja jotka muodostavat vahvoja superkierteitä, jotka suorittavat mekaanisia toimintoja.

Kuvio 2 - proteiinirakenteen a-kierteinen konfiguraatio

Toista proteiinin sekundaarirakennetyyppiä kutsutaan β-laskostettu rakenne tai β-laskostettu kerros. Kuvassa Kuvassa 3 on malli tällaisesta rakenteesta (a – sivukuva, b – ylhäältä katsottuna). Kuvan pisteet osoittavat ketjujen välistä vety-

Kuvio 3 - proteiinirakenteen p-kertainen konfiguraatio

yhteyksiä. Tällaisella avaruudellisella järjestelyllä muodostuu yhden tai useamman polypeptidiketjun rinnakkaisten ja vastakkaisesti sijoitettujen fragmenttien järjestelmä. Polypeptidiketjut asetteluissa ovat täysin pidentyneet. Poimut näkyvät johtuen siitä, että kahden vierekkäisen tasot peptidisidokset muodostavat jonkin kulman. Järjestelmä stabiloidaan silloitetuilla vetysidoksilla ketjujen välillä, jotka ovat kohtisuorassa polypeptidisidosten orientaatioon nähden. Ketjujen välinen etäisyys on 0,95 nm ja identiteettijakso ketjua pitkin on 0,70 nm rinnakkaisilla ketjuilla ja 0,65 nm antirinnakkaisilla ketjuilla. Tämä rakenne on ominaista fibrillaarisille proteiineille (β-keratiini, fibroiini jne.). Erityisesti β-keratiinille on tunnusomaista polypeptidiketjujen rinnakkainen järjestely, joita lisäksi stabiloivat ketjujen väliset S-S-sidokset. Silkkifibroiinissa viereiset polypeptidiketjut ovat antirinnakkaiset.

Toissijaisen rakenteen kolmas tyyppi on kollageenispiraali. Se koostuu kolmesta sauvan muotoisesta kierteisestä ketjusta, joiden halkaisija on 1,5 nm ja pituus noin 300 nm. Spiraaliketjut kiertyvät toistensa ympärille ja muodostavat superheliksin. Kahden AA-tähteen välinen etäisyys heliksin akselilla on 0,29 nm ja kierteen kierrosta kohti on 3,3 jäännöstä. Kollageenikierre stabiloituu vetysidoksilla yhden ketjun AA-tähteiden NH-peptidiryhmien vedyn ja toisen ketjun AA-tähteiden CO-ryhmien hapen välillä. Tämä rakenne antaa proteiinille korkean joustavuuden ja lujuuden.

Tertiäärinen rakenne. Useimmilla natiivitilassa olevilla proteiineilla on erittäin kompakti rakenne, jonka määrää AA-radikaalien koko, muoto, polaarisuus sekä AA-sekvenssi (kuvio 4). Luonnollisen pallomaisen rakenteen muodostuminen on monikomponenttinen prosessi, joka perustuu erilaisiin ei-kovalenttisiin vuorovaikutuksiin. Laskeutumattoman polypeptidiketjun muuntamiseen kompaktiksi molekyyliksi liittyy sellaisten AA:iden hiilivetyradikaalien, kuten leusiini, isoleusiini, fenyylialaniini, tryptofaani, hydrofobisia vuorovaikutuksia, jotka ovat riittävän etäällä toisistaan ​​polypeptidiketjussa. Lähes kaikki ei-polaarisia tai hydrofobiset radikaalit nämä AA:t sijaitsevat pallon sisällä ja varmistavat sen rakenteen vakauden. Polaariset tai ioniset radikaalit (erityisesti asparagiini- ja glutamiinihapot, arginiini ja lysiini) sijaitsevat molekyylin ulkopinnalla ja ovat hydratoituneessa tilassa. Polypeptidiketjun laskoksissa tällaisten AA:iden, kuten proliinin, isoleusiinin ja sarjan, tähteet, jotka eivät pysty muodostamaan a-kierteisiä rakenteita, sijaitsevat. Siten proteiinin AA-sekvenssin ja sen konformaation välillä on läheinen suhde. Erot aminohappokoostumuksessa ja yksittäisten AA-tähteiden sekvenssissä aiheuttavat paikallisten epästabiilien kohtien ilmaantumista polypeptidiketjuun, joissa α-heliksin stabiilius häiriintyy ja erilaisten tekijöiden vaikutuksen alaisena. molekyylivoimat mutkia voidaan luoda.

Kuvio 4 - Proteiinin tertiäärinen rakenne

Proteiinin natiivin konformaation tai sen tertiaarisen rakenteen muodostumiseen vaikuttavat merkittävästi hydrofobiset ja ionogeeniset vuorovaikutukset, vetysidokset jne. Näiden voimien vaikutuksesta saadaan aikaan proteiinimolekyylin termodynaamisesti sopiva konformaatio ja sen stabiloituminen. . Polypeptidiketjun laskostumisprosessin päätyttyä kovalenttisilla disulfidisidoksilla on tärkeä rooli sen konformaation stabiloinnissa.

Tällä hetkellä myoglobiinin, hemoglobiinin, RNaasin, lysotsyymin, kymotrypsiinin, karboksipeptidaasin ja muiden proteiinien tertiäärinen rakenne on purettu.

Alla kvaternäärinen rakenne tarkoitetaan ominaista tapaa yhdistää ja järjestää avaruudessa yksittäisiä polypeptidiketjuja, jotka muodostavat yhden toiminnallisesti yksittäisen molekyylin. Alayksiköiden primaaristen, sekundaaristen ja tertiääristen rakenteiden koostumus ja monimutkaisuus voivat vaihdella suuresti. Esimerkiksi hemoglobiinimolekyyli koostuu neljästä alayksiköstä, jotka yhdistetään multimeeriksi, jonka molekyylipaino on 60 000-70 000, RNA-polymeraasi E. coli Siinä on viisi alayksikköä, ja tupakan mosaiikkiviruksen proteiini sisältää useita tuhansia identtisiä alayksiköitä, joiden kunkin molekyylipaino on noin 17 500. Kvaternaarisen rakenteen muodostumiseen osallistuvat vetysidokset, sähköstaattiset, van der Waalsin ja hydrofobiset vuorovaikutukset.

Joidenkin proteiinien kvaternääriselle rakenteelle on tunnusomaista alayksiköiden globulaarinen järjestely (hemoglobiini), muut proteiinit yhdistetään kierteisiksi kvaternaarisiksi rakenteiksi helikaalisen symmetrian tyypin mukaan (tupakan mosaiikkivirus). Kvaternäärinen rakenne on vahvistettu hemoglobiinille, tupakan mosaiikkivirukselle, RNA-polymeraasille, laktaattidehydrogenaasille, katalaasille, aspartaattikarbomoylaasille jne.

Ensisijainen rakenne - aminohapposekvenssi polypeptidiketjussa. Proteiinimolekyylissä vuorottelevat jäykät (peptidisidos) ja joustavat (α-hiiliatomi) osat muodostavat kompaktin ketjulaskoksen avaruudessa.

Akobori-menetelmä on käyttää fenyylihydratsiini. Fenyylihydratsiini katkaisee peptidisidoksia proteiinissa ja kiinnittyy kaikkiin aminohappoihin paitsi C-päähän. Myöhempi kromatografinen analyysi mahdollistaa proteiinin C-terminaalisen aminohapon tunnistamisen.

Primäärirakenteen tutkiminen on tärkeää yleinen biologinen ja lääketieteellinen merkitys:

1. primäärirakenne on ratkaiseva proteiinin myöhemmille rakenteille.
2. proteiinin primaarisen rakenteen tuntemus on välttämätöntä proteiinien keinotekoiselle synteesille.
3. primäärirakenne määrää lajispesifisyyden, esimerkiksi insuliiniproteiinissa, yleensä eri eläinlajeissa ja ihmisissä molekyylin keskellä, korvataan pääsääntöisesti 3 ekvivalenttia aminohappoa.
4. Vaihtuu ensisijainen rakenne voi johtaa moniin sairauksiin, esimerkiksi sirppisoluanemiaan, jossa hemoglobiinissa β-ketjussa 6-asemassa glutamiinihappo korvataan valiinilla. Tämä epätasaisen aminohapon korvaaminen johtaa heikentyneeseen hemoglobiinin toimintaan ja puolikuun muotoisten punasolujen ilmaantumiseen.

Toissijainen rakenne - säännöllisesti toistuva polypeptidiketjun muoto avaruudessa. Useimmiten proteiineista löytyy 2 tyyppistä sekundaarirakennetta: α - heliksi ja β - rakenne.

α - heliksi vuonna 1951 tutki L. Pauling käyttäen röntgendiffraktiomenetelmää. Se on oikeakätinen kierukkarakenne, jonka yhteen kierrokseen mahtuu 3,6 aminohappoa. Heliksin nousu (viereisten kierrosten välinen etäisyys) on 0,54 nm. α - heliksi on kiinnitetty vetysidoksilla, jotka sulkeutuvat jokaisen neljännen aminohapon muodostamien peptidisidosten välissä. Toissijainen a-rakenne sopii spontaanisti ja sen määrää proteiinin primäärirakenne. Kierteiseen rakenteeseen järjestettyjen alueiden osuus on erilainen eri proteiineissa. Esimerkiksi hemoglobiinissa, myoglobiinissa, α - rakenteellinen pakkaus hallitsee, mikä pienentää proteiinimolekyylin kokoa 4 kertaa.

β-rakenne on "harmonikan" muotoinen ja sitä stabiloivat vetysidokset yhden polypeptidiketjun kaukaisten osien tai useiden proteiinimolekyylien välillä. Alokoi rinnakkaiset β - rakenteet, joissa N- ja C-päät vastaavat toisiaan, sekä antirinnakkaisrakenteet. Esimerkki proteiineista, jotka sisältävät pääasiassa β-rakenteita, ovat immunoglobuliinit.

Toissijaista rakennetta tutkitaan röntgendiffraktioanalyysimenetelmillä, proteiinin ultraviolettisäteiden absorption tutkimuksella (mitä suurempi osuus α-rakenteista on, sitä suurempi absorptio).

Toissijainen rakenne tuhoutuu denaturoinnin aikana.

Tertiäärinen rakenne - kanssa spesifinen kullekin proteiinimuodolle polypeptidiketjun pakkaamisessa avaruudessa. Tämä rakenne muodostuu spontaanisti ja sen määrää primäärirakenne. Tertiäärinen rakenne lisää merkittävästi proteiinin tiiviyttä. Ei-kovalenttiset sidokset (hydrofobiset, ioniset) ja kovalenttiset (disulfidi) sidokset ovat mukana tertiaarisen rakenteen muodostumisessa.

Tertiäärinen rakenne määrittelee biologista toimintaa ja proteiinien fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Jos tertiäärinen rakenne häiriintyy, proteiini menettää biologisen aktiivisuutensa.

Tertiaarisen rakenteen tutkimisen menetelmiä ovat röntgendiffraktioanalyysi ja proteiinin yksittäisten aminohapporadikaalien kemiallisen aktiivisuuden määrittäminen. Myoglobiiniproteiinin tertiääristä rakennetta tutki ensimmäisenä J. Kendrew (1957). M. Perutz (1959) tutki hemoglobiinin rakennetta.

Proteiinien tertiaarinen rakenne sisältää α-kierteiset, β-laskostuneet rakenteet, β-silmukat (joissa polypeptidiketju taipuu 180 0) ja ns. epäjärjestynyt kierukka. Esimerkiksi insuliiniproteiini sisältää 57 % a-kierteisiä osia, 6 % p-poimutettuja rakenteita, 10 % molekyyleistä on pinottu p-silmukoina ja 27 % molekyylistä on epäjärjestynyttä kierukkaa.

Ensisijaisen, toissijaisen ja tertiaarisen yhdistelmä on konformaatio proteiinimolekyyli. Elinikäinen (natiivi) konformaatio muodostuu spontaanisti ja sen muodostumista kutsutaan taittumaksi. Proteiinien konformaatio on erittäin epävakaa ja muodostuu erityisten proteiinien osallistuessa - saattajia(kumppanit). Chaperonit pystyvät sitoutumaan osittain denaturoituihin, epävakaisiin proteiineihin ja palauttamaan niiden natiivi konformaatio. Ohjaajat luokitellaan sen mukaan molekyylipaino(60 - 100 cd.). Tutkituimmat Sh-60, Sh-70 ja Sh-90. Esimerkiksi W-70 on vuorovaikutuksessa proteiinien kanssa, joissa on runsaasti hydrofobisia radikaaleja ja suojaa niitä korkean lämpötilan denaturaatiolta. Yleensä kaperonit suojaavat kehon pääproteiineja, estävät denaturoitumista ja edistävät konformaation muodostumista, helpottavat denaturoituneiden proteiinien kuljetusta lysosomeihin ja osallistuvat proteiinisynteesiin.

Konformaation mukaan kaikki proteiinit jaetaan kolmeen ryhmään:

• fibrillaariset proteiinit: kollageeni, elastiini, fibroiini.
• Globulaariset proteiinit: hemoglobiini, albumiini, globuliini.
• Sekaproteiinit: myosiini.

Tertiäärinen rakenne on luontainen kaikille proteiineille. Vain oligomeerisillä proteiineilla on kvaternäärinen rakenne, joka sisältää useita alayksiköitä, protomeerejä. Protomeeri on erillinen polypeptidiketju, alayksikkö on oligomeerisen proteiinin toiminnallisesti aktiivinen osa. Alayksikkö voi sisältää joko yhden tai useamman protomeerin.

Kvaternaarirakenne - oligomeeristen proteiinien alayksiköiden lukumäärä ja keskinäinen järjestys. Vain oligomeerisillä proteiineilla on kvaternäärinen rakenne, joka sisältää useita alayksiköitä, protomeerejä. Protomeeri on erillinen polypeptidiketju, alayksikkö on oligomeerisen proteiinin toiminnallisesti aktiivinen osa. Alayksikkö voi sisältää yhden protomeerin tai useita protomeerejä.

Kvaternaarisen rakenteen muodostumiseen osallistuvat hauraat ei-kovalenttiset sidokset (hydrofobiset, ioniset, vety). Proteiinien kvaternäärinen rakenne muodostuu spontaanisti ja hajoaa helposti denaturaation aikana. Proteiinioligomeerin yksittäiset alayksiköt ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mikä johtaa yksittäisten protomeerien tertiäärisen rakenteen muutokseen. Tätä ilmiötä kutsutaan yhteistoiminnallisiksi muutoksiksi protomeerin konformaatiossa ja siihen liittyy yleensä proteiiniaktiivisuuden lisääntyminen.

Oligomeerisillä proteiineilla on monia ominaisuuksia verrattuna monomeerisiin proteiineihin.

• Niillä on erittäin kompakti laskos ja suhteellisen pieni rajapinta, joten solunsisäisesti sijaitsevina ne sitovat vähemmän vettä.
• Niiden toimintaa säädellään kehossa. Protomeerit ovat yleensä inaktiivisia, kun taas oligomeeriset proteiinit ovat paljon aktiivisempia.
• Jos samantyyppiset protomeerit ovat mukana oligomeerisen proteiinin synteesissä, tämä säästää geneettistä materiaalia (useita identtisiä protomeerejä "leimataan" lyhyelle DNA-osalle)
• Ne ovat toiminnallisesti paremmin sopeutuneet organismin olosuhteisiin.

Oligomeeristen proteiinien toiminnallisuutta havainnollistetaan vertaamalla hemoglobiinia ja myoglobiiniproteiineja, jotka osallistuvat hapen kuljetukseen kudoksissa. Punasolujen hemoglobiini on oligomeerinen proteiini, joka sisältää 4 polypeptidiketjua. Lihasmyoglobiini on monomeerinen proteiini, joka sisältää yhden polypeptidiketjun. Myoglobiinin happisaturaatiokäyrä osoittaa sen suoran riippuvuuden happipitoisuudesta. Hemoglobiinin happisaturaatiokäyrä on S-muotoinen. Tämä johtuu asteittaisesta peräkkäisestä muutoksesta hemoglobiinin koostumuksen kunkin neljän protomeerin rakenteessa (konformaatiossa), minkä seurauksena hemoglobiinin affiniteetti happea kohtaan kasvaa jyrkästi. Tämä hemoglobiinin kyllästymisen luonne hapella lisää jyrkästi sen happikapasiteettia myoglobiiniin verrattuna.

Erityinen asema proteiinien joukossa on domeenin proteiinit .

Domeenit ovat rakenteellisesti ja toiminnallisesti erillisiä osia yhdestä polypeptidiketjusta. Domeenit voivat olla vastuussa proteiinin vuorovaikutuksesta eri aineiden - ligandien (pienimolekyylipainoiset aineet, DNA, RNA, polysakkaridit jne.) kanssa. Esimerkkejä domeeniproteiineista ovat veren seerumin albumiini, immunoglobuliinit ja jotkut entsyymit (haiman trypsiini).

Nojalla korkea selektiivisyys proteiineja, ne voivat yhdistyä komplekseiksi, joita kutsutaan useimmiten polyentsymaattisiksi komplekseiksi - nämä ovat useiden entsyymien rakenteellisia assosiaatioita, jotka katalysoivat monimutkaisen kemiallisen prosessin yksittäisiä vaiheita. Esimerkki: p(PDC) on kolmen tyyppisen entsyymin kompleksi, joka katalysoi pyruviinihapon (PVA) hapettumista.

On mahdollista, että erityinen yhdistelmä ei vain yksittäisiä proteiineja, vaan myös proteiineja lipidien (rasvojen) kanssa muodostumisen aikana solukalvot, proteiinien kanssa nukleiinihapot kromatiinin muodostumisen aikana.

Fyysinen- Kemialliset ominaisuudet proteiinit.

Ne määräytyvät suurelta osin proteiinimolekyylin konformaatiosta (proteiinin primääri-tertiaarinen rakenne). Proteiinien fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ilmenevät liuoksissa.

Liukoisuus proteiinit eri proteiineissa on erilaisia.

Yleensä proteiinien liukoisuus on korkea, mutta eroaa eri tyyppisten proteiinien osalta. Siihen vaikuttavat seuraavat tekijät:

• proteiinimolekyylin muoto (pallomaiset proteiinit ovat liukoisempia kuin säikeiset proteiinit)
• proteiinin aminohapporadikaalin luonne, polaaristen ei-polaaristen radikaalien suhde (mitä enemmän polaarisia hydrofiilisiä radikaaleja proteiinissa on, sitä parempi sen liukoisuus)
• liuotinominaisuudet, suolojen läsnäolo. Pieni suolapitoisuus (KCL, NaCl) lisää joskus proteiinien liukoisuutta. Esimerkiksi albumiinit liukenevat paremmin puhtaaseen tislattuun veteen, globuliinit liukenevat vain 10 % suolojen (KCL, NaCl) läsnä ollessa. Sidekudoksen proteiinit kollageeni ja elastiini ovat liukenemattomia veteen tai suolaliuokseen.

Molekyylimassa proteiinit ovat melko suuri, vaihtelevat 6000 - 1 000 000 päivää Esimerkiksi hemoglobiinin molekyylipaino on 68 000 päivää, albumiinin 100 000 päivää, ribonukleaasin noin 14 000 päivää, myosiinin 500 000 päivää.

Proteiinien moolimassan määritysmenetelmät tulee säästää, ei tuhota proteiinimolekyylejä. Esimerkiksi liuosten kiehumispisteen mittaamiseen perustuva ebullioskooppinen menetelmä ei sovellu proteiineihin. Tarkimmat menetelmät proteiinien molekyylipainon määrittämiseen ovat ultrasentrifugointimenetelmä ja röntgendiffraktiomenetelmä.

Ultrasentrifugointimenetelmä(sedimentaatio) perustuu eri molekyylipainoisten proteiinien sedimentaationopeuden muutokseen proteiiniliuosten pyöriessä suurella nopeudella. Tällä menetelmällä löydettyjen proteiinien molekyylipainoa merkitään Svedbergin yksiköllä (S=10 -13 c.)

Röntgendiffraktiomenetelmä voit laskea molekyylipainon analysoimalla useita proteiinimolekyylin röntgenkuvia.

Elektroforeettinen menetelmä perustuu proteiinien liikkumisnopeuden riippuvuuteen vakiosähkökentässä proteiinin molekyylipainosta (elektroforeettinen liikkuvuus on suurempi proteiineille, joilla on pienempi molekyylipaino)

Kromatografinen menetelmä perustuu eri proteiinien eri nopeuteen molekyyligeelin "seulojen" läpi.

Suuret molekyylit, jotka ovat suuremmat kuin geelin huokoskoko, kulkevat geelin läpi nopeammin kuin pienemmät proteiinimolekyylit, jotka jäävät loukkuun geelirakeiden sisään.

Elektronimikroskopiamenetelmä suoritetaan vertaamalla proteiinimolekyylin kokoa tunnetun massan omaaviin vertailunäytteisiin.

Kemialliset menetelmät ominaisuuksiin liittyvää kemiallinen koostumus proteiinit

Proteiinimolekyylien muoto eri. Proteiinimolekyylit voivat olla muodoltaan säikeisiä ja pallomaisia. Fibrillaarisilla proteiineilla on filamenttimainen molekyylimuoto. Ne ovat yleensä liukenemattomia veteen ja laimeisiin suolaliuoksiin. Fibrillaarisia proteiineja ovat sidekudoksen tärkeimmät rakenneproteiinit: kollageeni, keratiini, elastiini. Globulaarisissa proteiineissa polypeptidiketjut ovat tiukasti laskostuneet tiiviiksi pallomaiseksi rakenteeksi. Useimmat pallomaiset proteiinit liukenevat hyvin veteen ja heikkoihin suolaliuoksiin. Globulaarisia proteiineja ovat entsyymit, vasta-aineet, albumiinit ja hemoglobiini. Joillakin proteiineilla on molekyylin välimuoto, joka sisältää koostumuksessaan sekä filamentti- että pallomaisia ​​alueita. Esimerkki tällaisista proteiineista on lihasproteiini myosiini, joka liukenee suolaliuoksiin.

Proteiinimolekyylien koot ovat alueella 1-100 nm, lähellä kolloidisten hiukkasten kokoa. Tämän vuoksi proteiiniliuoksilla on sekä todellisten liuosten että kolloidisten liuosten ominaisuuksia.

Monet proteiiniliuosten molekyyli-kineettiset ominaisuudet ovat samanlaisia kolloidisten liuosten ominaisuudet .

• Proteiinien hidas diffuusionopeus, jota tarvitaan niiden vaihtoon.
• Proteiinien mahdottomuus kulkea puoliläpäisevien kalvojen läpi. Osastoissa, joissa on korkea proteiinipitoisuus, syntyy liiallista hydrostaattista painetta, koska vesimolekyylit liikkuvat yksipuolisesti puoliläpäisevän kalvon läpi sivulle korkea pitoisuus orava. Proteiinien aiheuttamaa ylipainetta kutsutaan onkoottiseksi paineeksi. Se on tärkeä tekijä, joka määrää veden liikkeen kudosten, veren ja suoliston välillä.
• Proteiinien korkea viskositeetti johtuu suurten proteiinimolekyylien erilaisista molekyylien välisistä vuorovaikutuksista. Erityisesti lisääntynyt veren viskositeetti lisää sydänlihaksen kuormitusta.
• Jotkut proteiinit pystyvät muodostamaan geelejä, mikä lisää proteiinien vahvuutta (esim. kollageeni).

Proteiinien optiset ominaisuudet määräytyy proteiinimolekyylien koon, proteiinien aminohapporadikaalien rakenteen, peptidisidosten ja proteiinien alfakierteisten alueiden läsnäolon perusteella.

• Proteiiniliuokset ovat valon taittumisen (taittumisen) ja valonsirontavaikutus. Nämä ominaisuudet johtuvat proteiinimolekyylien suuresta koosta, joka on oikeassa suhteessa spektrin näkyvän osan aallonpituuteen.Tässä tapauksessa lyhyet siniset säteet ovat sironneet enemmän kuin pidemmän aallonpituiset punaiset säteet. Taittumisaste on verrannollinen proteiiniliuoksen pitoisuuteen.
• Proteiiniliuokset absorboivat ultraviolettisäteilyä alueella 190-230 nm johtuen peptidisidosten läsnäolosta ja alueella 260-280 nm johtuen syklisten aminohappojen läsnäolosta proteiineissa. UV-absorptioaste on verrannollinen liuoksen proteiinipitoisuuteen.
• Proteiiniliuokset pystyvät kiertää polarisoidun valon tasoa, mikä johtuu proteiinin sisältämien aminohappojen optisesta aktiivisuudesta ja alfakierteisten osien läsnäolosta siinä. Valon polarisaatioiden ja liuoksen proteiinipitoisuuden välillä on suora yhteys.

Proteiineilla, jotka ovat molekyyliliuoksia, on todellisten ratkaisujen ominaisuuksia . Todellisina ratkaisuina proteiiniliuokset ovat erittäin stabiileja.

Lippu 2. 1. Lipidiluonteiset olennaiset ravitsemukselliset tekijät. Jotkut lipidit eivät syntetisoidu ihmiskehossa ja ovat siksi välttämättömiä ravitsemuksellisia tekijöitä. Näitä ovat rasvahapot, joissa on kaksi tai useampi kaksoissidos (polyeeni) - välttämättömiä rasvahappoja. Jotkut näistä hapoista ovat substraatteja paikallisten hormonien - eikosanoidien - synteesiin (aihe 8.10).

Rasvaliukoiset vitamiinit suorittaa erilaisia ​​toimintoja: A-vitamiini osallistuu näköprosessiin sekä solujen kasvuun ja erilaistumiseen; sen kyky estää tietyntyyppisten kasvainten kasvua on todistettu; K-vitamiinia osallistuu veren hyytymiseen; D-vitamiini osallistuu kalsiumin aineenvaihdunnan säätelyyn; E-vitamiinia- antioksidantti, estää vapaiden radikaalien muodostumista ja siten ehkäisee lipidiperoksidaatiosta johtuvia soluvaurioita.

Asiakirja

2. Proteiinien rakenne ja rakenteellisen organisoinnin tasot

Proteiinien rakenteellisessa organisaatiossa on neljä tasoa: primaarinen, sekundaarinen, tertiäärinen ja kvaternäärinen. Jokaisella tasolla on omat ominaisuutensa.

Proteiinin päärakenne

Proteiinien päärakenne on lineaarinen polypeptidiketju aminohapoista, jotka on yhdistetty peptidisidoksilla. Ensisijainen rakenne on proteiinimolekyylin rakenteellisen organisoinnin yksinkertaisin taso. Korkean stabiilisuuden antavat sille kovalenttiset peptidisidokset yhden aminohapon a-aminoryhmän ja toisen aminohapon a-karboksyyliryhmän välillä. [näytä].

Jos proliinin tai hydroksiproliinin iminoryhmä on osallisena peptidisidoksen muodostumisessa, sillä on eri muoto [näytä].

Kun soluihin muodostuu peptidisidoksia, aktivoituu ensin yhden aminohapon karboksyyliryhmä ja sitten se yhdistyy toisen aminoryhmän kanssa. Suunnilleen sama suoritetaan polypeptidien laboratorio synteesi.

Peptidisidos on polypeptidiketjun toistuva fragmentti. Sillä on useita ominaisuuksia, jotka eivät vaikuta vain primaarirakenteen muotoon, vaan myös polypeptidiketjun korkeimpiin organisoitumistasoihin:

samantasoisuus - kaikki peptidiryhmän atomit ovat samassa tasossa;

kyky esiintyä kahdessa resonoivassa muodossa (keto- tai enolimuoto);

substituenttien trans-asema C-N-sidoksen suhteen;

kyky muodostaa vetysidoksia, ja jokainen peptidiryhmä voi muodostaa kaksi vetysidosta muiden ryhmien kanssa, mukaan lukien peptidiryhmät.

Poikkeuksen muodostavat peptidiryhmät, joihin osallistuu proliinin tai hydroksiproliinin aminoryhmä. Ne pystyvät muodostamaan vain yhden vetysidoksen (katso edellä). Tämä vaikuttaa proteiinin sekundaarirakenteen muodostumiseen. Polypeptidiketju kohdassa, jossa proliini tai hydroksiproliini sijaitsee, taipuu helposti, koska sitä ei pidä, kuten tavallista, toinen vetysidos.

Peptidien ja polypeptidien nimikkeistö. Peptidien nimi muodostuu niiden aminohappojen nimistä. Kaksi aminohappoa muodostaa dipeptidin, kolme tripeptidin, neljä tetrapeptidin ja niin edelleen. Jokaisessa minkä tahansa pituisessa peptidissä tai polypeptidiketjussa on N-terminaalinen aminohappo, joka sisältää vapaan aminoryhmän, ja C-terminaalinen aminohappo, joka sisältää vapaan karboksyylin ryhmä. Polypeptidien nimeämisessä kaikki aminohapot luetellaan peräkkäin alkaen N-päästä ja korvataan niiden nimissä C-terminaalia lukuun ottamatta -in-liite -yyliin (koska peptidien aminohapoissa ei ole enää karboksyyliryhmää, mutta karbonyyli). Esimerkiksi kuvassa näkyvä nimi. 1 tripeptidi - leuc lietettä fenyylialan lietettä treoni sisään.

Proteiinin perusrakenteen ominaisuudet. Polypeptidiketjun rungossa jäykät rakenteet (litteät peptidiryhmät) vuorottelevat suhteellisen liikkuvien alueiden (-CHR) kanssa, jotka pystyvät pyörimään sidosten ympärillä. Tällaiset polypeptidiketjun rakenteen piirteet vaikuttavat sen pakkaamiseen avaruudessa.

Proteiinin toissijainen rakenne

Sekundäärinen rakenne on tapa asettaa polypeptidiketju järjestyneeksi rakenteeksi johtuen vetysidosten muodostumisesta yhden ketjun peptidiryhmien tai vierekkäisten polypeptidiketjujen välille. Konfiguraation mukaan toissijaiset rakenteet jaetaan kierteisiin (α-heliksi) ja kerroslaskostettuihin (β-rakenne ja poikki-β-muoto).

α-helix. Tämä on eräänlainen proteiinin sekundaarinen rakenne, jolla on säännöllinen kierre, joka muodostuu peptidien välisistä vetysidoksista yhdessä polypeptidiketjussa. Pauling ja Corey ehdottivat a-heliksirakennemallia (kuvio 2), joka ottaa huomioon kaikki peptidisidoksen ominaisuudet. α-heliksin pääominaisuudet:

polypeptidiketjun kierteinen konfiguraatio, jolla on helikaalinen symmetria;

vetysidosten muodostuminen kunkin ensimmäisen ja neljännen aminohappotähteen peptidiryhmien välille;

spiraalin kierrosten säännöllisyys;

kaikkien α-kierteen aminohappotähteiden vastaavuus niiden sivuradikaalien rakenteesta riippumatta;

aminohappojen sivuradikaalit eivät osallistu α-heliksin muodostumiseen.

Ulospäin α-heliksi näyttää sähköliesi hieman venyneeltä kierteeltä. Vetysidosten säännöllisyys ensimmäisen ja neljännen peptidiryhmän välillä määrää myös polypeptidiketjun käänteiden säännöllisyyden. Yhden kierroksen korkeus tai a-heliksin nousu on 0,54 nm; se sisältää 3,6 aminohappotähdettä, eli jokainen aminohappotähde liikkuu akselia pitkin (yhden aminohappotähteen korkeus) 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), mikä antaa mahdollisuuden puhua kaikkien aminohappojen vastaavuudesta jäämiä α-heliksissä. α-heliksin säännöllisyysjakso on 5 kierrosta tai 18 aminohappotähdettä; yhden jakson pituus on 2,7 nm. Riisi. 3. Pauling-Coreyn α-heliksimalli

β-rakenne. Tämä on eräänlainen sekundaarinen rakenne, jolla on hieman kaareva polypeptidiketjun konfiguraatio ja joka muodostetaan käyttämällä peptidien välisiä vetysidoksia yhden polypeptidiketjun tai vierekkäisten polypeptidiketjujen erillisissä osissa. Sitä kutsutaan myös kerros-taitettu rakenteeksi. On olemassa erilaisia ​​β-rakenteita. Proteiinin yhden polypeptidiketjun muodostamia rajoitettuja kerrosalueita kutsutaan cross-β-muodoksi (lyhyt p-rakenne). Polypeptidiketjun silmukoiden peptidiryhmien väliin muodostuu vetysidoksia ristiin-p-muodossa. Toinen tyyppi, täydellinen p-rakenne, on ominaista koko polypeptidiketjulle, jolla on pitkänomainen muoto ja jota pitävät peptidien väliset vetysidokset vierekkäisten rinnakkaisten polypeptidiketjujen välillä (kuvio 3). Tämä rakenne muistuttaa haitaripalkea. Lisäksi β-rakenteiden variantit ovat mahdollisia: ne voivat muodostua rinnakkaisista ketjuista (polypeptidiketjujen N-päät on suunnattu samaan suuntaan) ja antirinnakkaisina (N-päät on suunnattu eri suuntiin). Yhden kerroksen sivuradikaalit sijoitetaan toisen kerroksen sivuradikaalien väliin.

Proteiineissa siirtymät α-rakenteista β-rakenteisiin ja päinvastoin ovat mahdollisia vetysidosten uudelleenjärjestelyn vuoksi. Säännöllisten peptidien välisten vetysidosten sijaan ketjua pitkin (niiden takia polypeptidiketju on kierretty spiraaliksi) spiraalistetut osat ovat kierteittämättömiä ja vetysidokset suljetaan polypeptidiketjujen pitkänomaisten fragmenttien väliin. Tällainen siirtymä löytyy keratiinista, hiusproteiinista. Kun hiuksia pestään emäksisellä pesuaineella, β-keratiinin kierteinen rakenne tuhoutuu helposti ja se siirtyy α-keratiiniksi (kiharat hiukset suoristuvat).

Proteiinien säännöllisten toissijaisten rakenteiden (α-heliksit ja β-rakenteet) tuhoutumista, analogisesti kiteen sulamisen kanssa, kutsutaan polypeptidien "sulatukseksi". Tässä tapauksessa vetysidokset katkeavat ja polypeptidiketjut ovat satunnaisen kelan muodossa. Siksi sekundäärirakenteiden stabiilius määräytyvät peptidien välisillä vetysidoksilla. Muuntyyppiset sidokset eivät juuri osallistu tähän, lukuun ottamatta disulfidisidoksia polypeptidiketjussa kysteiinitähteiden kohdissa. Disulfidisidoksesta johtuvat lyhyet peptidit sulkeutuvat sykleissä. Monilla proteiineilla on samanaikaisesti α-kierteisiä alueita ja β-rakenteita. 100-prosenttisesti α-kierteestä koostuvia luonnollisia proteiineja ei juurikaan ole (poikkeus on paramyosiini, lihasproteiini, joka on 96-100-prosenttisesti α-kierre), kun taas synteettisissä polypeptideissä on 100-prosenttinen heliksi.

Muilla proteiineilla on epätasainen helicity. Paramyosiinissa, myoglobiinissa ja hemoglobiinissa havaitaan suuri taajuus a-kierteisiä rakenteita. Päinvastoin, trypsiinissä, ribonukleaasissa, merkittävä osa polypeptidiketjusta sopii kerrosrakenteisiin p-rakenteisiin. Tukikudosproteiinit: keratiinilla (hiusproteiini, villa), kollageenilla (jänneproteiini, iho), fibroiinilla (luonnollinen silkkiproteiini) on polypeptidiketjujen β-konfiguraatio. Proteiinien polypeptidiketjujen erilainen helikalisoitumisaste osoittaa, että ilmeisesti on olemassa voimia, jotka osittain häiritsevät kierteisyyttä tai "katkaisevat" polypeptidiketjun säännöllisen laskostumisen. Syynä tähän on proteiinipolypeptidiketjun tiiviimpi pakkautuminen tiettyyn tilavuuteen eli tertiääriseen rakenteeseen.

Proteiinin tertiäärinen rakenne

Proteiinin tertiäärinen rakenne on tapa, jolla polypeptidiketju laskostuu avaruudessa. Tertiäärisen rakenteen muodon mukaan proteiinit jaetaan pääasiassa pallomaisiin ja säikeisiin. Globulaarisilla proteiineilla on useimmiten elliptinen muoto, ja säikeiset (säikeiset) proteiinit ovat pitkänomaisia ​​(sauvan, karan muoto).

Proteiinien tertiaarisen rakenteen konfiguraatio ei kuitenkaan vielä anna aihetta olettaa, että fibrillaarisilla proteiineilla on vain β-rakenne ja globulaarisilla α-kierteisillä. On fibrillaarisia proteiineja, joilla on kierteinen eikä kerroksittain laskostunut sekundaarinen rakenne. Esimerkiksi α-keratiini ja paramyosiini (nilviäisten sulkijalihasproteiini), tropomyosiinit (luustolihasproteiinit) ovat säikeisiä proteiineja (on sauvan muotoinen muoto) ja niiden toissijainen rakenne on a-heliksi; päinvastoin, pallomaiset proteiinit voivat sisältää suuren määrän β-rakenteita.

Lineaarisen polypeptidiketjun spiralisointi pienentää sen kokoa noin 4 kertaa; ja pakkaaminen tertiääriseen rakenteeseen tekee siitä kymmeniä kertoja kompaktimman kuin alkuperäinen ketju.

Sidokset, jotka stabiloivat proteiinin tertiaarista rakennetta. Tertiäärisen rakenteen stabiloinnissa aminohappojen sivuradikaalien välisillä sidoksilla on rooli. Nämä liitännät voidaan jakaa:

vahva (kovalenttinen) [näytä].

heikko (polaarinen ja van der Waals) [näytä].

Lukuisat sidokset aminohappojen sivuradikaalien välillä määräävät proteiinimolekyylin avaruudellisen konfiguraation.

Proteiinin tertiaarisen rakenteen organisoinnin piirteet. Polypeptidiketjun tertiaarisen rakenteen konformaation määräävät sen muodostavien aminohappojen sivuradikaalien ominaisuudet (joilla ei ole havaittavissa olevaa vaikutusta primääri- ja sekundaaristen rakenteiden muodostumiseen) ja mikroympäristö, eli ympäristö. Poimutettuna proteiinin polypeptidiketjulla on taipumus saada energeettisesti suotuisa muoto, jolle on ominaista vähimmäismäärä vapaata energiaa. Siksi ei-polaariset R-ryhmät, "välten" vettä, muodostavat ikään kuin proteiinin tertiaarisen rakenteen sisäosan, jossa sijaitsee pääosa polypeptidiketjun hydrofobisista tähteistä. Proteiinipallon keskellä ei ole juuri lainkaan vesimolekyylejä. Aminohapon polaariset (hydrofiiliset) R-ryhmät sijaitsevat tämän hydrofobisen ytimen ulkopuolella ja niitä ympäröivät vesimolekyylit. Polypeptidiketju taipuu omituisesti kolmiulotteisessa tilassa. Kun se taivutetaan, sekundaarinen kierteinen konformaatio katkeaa. Ketju "katkaistaan" heikoista kohdista, joissa proliini tai hydroksiproliini sijaitsevat, koska nämä aminohapot ovat liikkuvampia ketjussa muodostaen vain yhden vetysidoksen muiden peptidiryhmien kanssa. Toinen mutkan paikka on glysiini, jonka R-ryhmä on pieni (vety). Siksi muiden aminohappojen R-ryhmät pinottuna pyrkivät miehittämään vapaan tilan glysiinin sijainnissa. Useat aminohapot - alaniini, leusiini, glutamaatti, histidiini - edistävät stabiilien kierukkarakenteiden säilymistä proteiinissa, ja kuten metioniini, valiini, isoleusiini, asparagiinihappo, edistävät β-rakenteiden muodostumista. Tertiäärisen konfiguraation omaavassa proteiinimolekyylissä on osia α-heliksien (spiraalisoituneen), β-rakenteiden (kerroksisen) ja satunnaisen kierteen muodossa. Vain proteiinin oikea spatiaalinen laskostuminen tekee siitä aktiivisen; sen rikkominen johtaa proteiinin ominaisuuksien muutokseen ja biologisen aktiivisuuden menettämiseen.

Kvaternäärinen proteiinirakenne

Proteiineilla, jotka koostuvat yhdestä polypeptidiketjusta, on vain tertiäärinen rakenne. Näitä ovat myoglobiini, lihaskudoksen proteiini, joka osallistuu hapen sitomiseen, ja monet entsyymit (lysotsyymi, pepsiini, trypsiini jne.). Jotkut proteiinit on kuitenkin rakennettu useista polypeptidiketjuista, joista jokaisella on tertiäärinen rakenne. Tällaisille proteiineille on otettu käyttöön kvaternaarisen rakenteen käsite, joka tarkoittaa useiden polypeptidiketjujen, joilla on tertiäärinen rakenne, järjestäytymistä yhdeksi toiminnalliseksi proteiinimolekyyliksi. Tällaista kvaternaarisen rakenteen omaavaa proteiinia kutsutaan oligomeeriksi ja sen tertiäärisen rakenteen omaavia polypeptidiketjuja kutsutaan protomeereiksi tai alayksiköiksi (kuvio 4).

Organisaation kvaternäärisellä tasolla proteiinit säilyttävät tertiäärisen rakenteen peruskonfiguraation (pallomainen tai fibrillaarinen). Esimerkiksi hemoglobiini on proteiini, jolla on kvaternäärinen rakenne ja joka koostuu neljästä alayksiköstä. Jokainen alayksikkö on pallomainen proteiini, ja yleensä hemoglobiinilla on myös pallomainen konfiguraatio. Hiusten ja villan proteiinit - keratiinit, jotka liittyvät tertiäärisessä rakenteessa säikeisiin proteiineihin, ovat fibrillaarista ja kvaternääristä rakennetta.

Proteiinien kvaternaarisen rakenteen stabilointi. Kaikki kvaternäärisen rakenteen omaavat proteiinit eristettiin yksittäisinä makromolekyyleina, jotka eivät hajoa alayksiköiksi. Kosketukset alayksiköiden pintojen välillä ovat mahdollisia vain aminohappotähteiden polaaristen ryhmien vuoksi, koska kunkin polypeptidiketjun tertiaarisen rakenteen muodostumisen aikana ei-polaaristen aminohappojen sivuradikaalit (jotka muodostavat suurimman osan kaikista proteiineista aminohapot) ovat piilossa alayksikön sisällä. Polaaristen ryhmiensä väliin muodostuu lukuisia ionisia (suola-), vety- ja joissakin tapauksissa disulfidisidoksia, jotka pitävät alayksiköt lujasti organisoidun kompleksin muodossa. Vetysidoksia rikkovien tai disulfidisiltoja palauttavien aineiden käyttö aiheuttaa protomeerien hajoamista ja proteiinin kvaternaarisen rakenteen tuhoutumista. Taulukossa. Kuvassa 1 on yhteenveto tiedoista sidoksista, jotka stabiloivat proteiinimolekyylin eri organisoitumistasoja [näytä].

Joidenkin fibrillaaristen proteiinien rakenteellisen organisaation piirteet

Fibrillaaristen proteiinien rakenteellisella organisaatiolla on useita piirteitä verrattuna pallomaisiin proteiineihin. Nämä ominaisuudet voidaan jäljittää esimerkiksi keratiinista, fibroiinista ja kollageenista. Keratiinit esiintyvät α- ja β-konformaatioina. α-Keratiineilla ja fibroiinilla on kerroksittain laskostunut sekundaarirakenne, mutta keratiinissa ketjut ovat yhdensuuntaisia ​​ja fibroiinissa vastasuuntaisia ​​(katso kuva 3); lisäksi ketjujen välisiä disulfidisidoksia on keratiinissa, kun taas fibroiinissa niitä ei ole. Disulfidisidosten katkeaminen johtaa polypeptidiketjujen erottumiseen keratiineissa. Päinvastoin, maksimimäärän disulfidisidosten muodostuminen keratiineihin hapettavien aineiden vaikutuksesta luo vahvan tilarakenteen. Yleensä fibrillaarisissa proteiineissa, toisin kuin globulaarisissa proteiineissa, on joskus vaikea erottaa tiukasti toisistaan ​​organisaation eri tasot. Jos hyväksymme (kuten globulaarisen proteiinin kohdalla), että tertiäärinen rakenne muodostuu pinoamalla yksi polypeptidiketju avaruuteen ja kvaternäärinen rakenne muodostuu useista ketjuista, niin fibrillaarisissa proteiineissa on mukana useita polypeptidiketjuja. toissijainen rakenne. Tyypillinen esimerkki fibrillaarisesta proteiinista on kollageeni, joka on yksi ihmiskehon runsaimmista proteiineista (noin 1/3 kaikkien proteiinien massasta). Sitä esiintyy kudoksissa, joissa on suuri lujuus ja heikko venyvyys (luut, jänteet, iho, hampaat jne.). Kollageenissa kolmasosa aminohappotähteistä on glysiiniä ja noin neljäsosa tai hieman enemmän proliinia tai hydroksiproliinia.

Eristetty kollageenipolypeptidiketju (primäärirakenne) näyttää katkoviivalta. Se sisältää noin 1000 aminohappoa ja sen molekyylipaino on noin 105 (kuvio 5, a, b). Polypeptidiketju rakennetaan toistuvasta aminohappotripletistä (tripletti), jonka koostumus on seuraava: gly-A-B, jossa A ja B ovat mitä tahansa aminohappoja paitsi glysiiniä (useimmiten proliinia ja hydroksiproliinia). Kollageenipolypeptidiketjut (tai a-ketjut) sekundaari- ja tertiääristen rakenteiden muodostumisen aikana (kuvio 5, c ja d) eivät voi muodostaa tyypillisiä a-heliksejä, joilla on kierteinen symmetria. Tämän estävät proliini, hydroksiproliini ja glysiini (antikierteiset aminohapot). Siksi kolme α-ketjua muodostavat ikään kuin kierrettyjä spiraaleja, kuten kolme lankaa, jotka kiertyvät sylinterin ympärille. Kolme kierteistä α-ketjua muodostavat toistuvan kollageenirakenteen, jota kutsutaan tropokollageeniksi (kuva 5d). Tropokollageeni on organisaatiossaan kollageenin tertiäärinen rakenne. Proliinin ja hydroksiproliinin litteät renkaat, jotka vaihtelevat säännöllisesti pitkin ketjua, antavat sille jäykkyyttä, samoin kuin ketjujen väliset sidokset tropokollageenin α-ketjujen välillä (siksi kollageeni kestää venymistä). Tropokollageeni on pohjimmiltaan kollageenifibrillien alayksikkö. Tropokollageenialayksiköt pinoutuvat kollageenin kvaternaariseen rakenteeseen vaiheittain (kuvio 5e).

Kollageenirakenteiden stabiloituminen tapahtuu ketjujen välisten vety-, ioni- ja van der Waalsin sidosten sekä pienen määrän kovalenttisten sidosten ansiosta.

Kollageenin α-ketjuilla on erilaiset kemialliset rakenteet. On olemassa erityyppisiä α1-ketjuja (I, II, III, IV) ja α2-ketjuja. Riippuen siitä, mitkä α 1 - ja α 2 -ketjut osallistuvat tropokollageenin kolmijuosteisen heliksin muodostumiseen, kollageenia erotetaan neljää tyyppiä:

ensimmäinen tyyppi - kaksi a1 (I) ja yksi a2-ketju;

toinen tyyppi - kolme a1(II)-ketjua;

kolmas tyyppi - kolme a1(III)-ketjua;

neljäs tyyppi - kolme a1(IV)-ketjua.

Yleisin ensimmäisen tyypin kollageeni: sitä löytyy luukudoksesta, ihosta, jänteistä; tyypin 2 kollageenia löytyy rustosta jne. Samassa kudoksessa voi olla erilaisia ​​kollageenityyppejä.

Kollageenirakenteiden järjestynyt aggregaatio, niiden jäykkyys ja inertisyys tarjoavat kollageenikuitujen korkean lujuuden. Kollageeniproteiinit sisältävät myös hiilihydraattikomponentteja, eli ne ovat proteiini-hiilihydraattikomplekseja.

Kollageeni on solunulkoinen proteiini, jonka muodostavat sidekudoksen solut, jotka ovat osa kaikkia elimiä. Siksi kollageenin vaurioituessa (tai sen muodostumisen rikkoutuessa) esiintyy useita elinten sidekudoksen tukitoimintojen rikkomuksia.

Alfa-polypeptidiketju päättyy valiini-leusiini-aminohappoyhdistelmään ja beeta-polypeptidiketju päättyy valiini-histidiini-leusiini-yhdistelmään. Alfa- ja beeta-polypeptidiketjut hemoglobiinimolekyylissä eivät sijoittu lineaarisesti, tämä on ensisijainen rakenne. Molekyylisisäisten voimien olemassaolon vuoksi polypeptidiketjut kiertyvät proteiineille tyypillisen alfa-heliksikierteen muodossa (sekundaarinen rakenne). Jokaisen alfa- ja beeta-polypeptidiketjun alfa-heliksikierre kiertyy avaruudellisesti muodostaen munanmuotoisia punoksia (tertiäärinen rakenne). Polypeptidiketjujen alfa-heliksikierteiden erilliset osat on merkitty latinalaisin kirjaimin A:sta H:ään. Kaikki neljä tertiääristä taivutettua alfa- ja beetapolypeptidiketjua sijaitsevat avaruudellisesti tietyssä suhteessa - kvaternäärisessä rakenteessa. Ne eivät ole yhteydessä toisiinsa kemialliset sidokset, mutta molekyylien välisten voimien vaikutuksesta.

Kävi ilmi, että ihmisellä on kolme päätyyppiä normaalia hemoglobiinia: alkion - U, sikiön - F ja aikuisen hemoglobiini - A. HbU (nimetty sanan kohtu alkukirjaimen mukaan) esiintyy alkiossa 7-12 elinviikon välillä. , sitten se katoaa ja ilmestyy sikiön hemoglobiini, joka kolmannen kuukauden jälkeen on tärkein sikiön hemoglobiini. Tätä seuraa asteittainen normaali aikuisen hemoglobiini, nimeltään HbA, alkukirjaimella Englanninkielinen sana"aikuinen". Sikiön hemoglobiinin määrä vähenee vähitellen siten, että syntymähetkellä 80 % hemoglobiinista on HbA:ta ja vain 20 % HbF:ää. Synnytyksen jälkeen sikiön hemoglobiini jatkaa laskuaan ja on 2-3 vuoden iässä vain 1-2 %. Sama määrä sikiön hemoglobiinia aikuisella. Yli 2 % HbF:n määrää pidetään patologisena aikuisella ja yli 3-vuotiailla lapsilla.

Normaalien hemoglobiinityyppien lisäksi tunnetaan tällä hetkellä yli 50 sen patologista muunnelmaa. Ne nimettiin ensin latinalaisilla kirjaimilla. B-kirjain puuttuu hemoglobiinityyppien nimityksistä, koska se tarkoitti alun perin HbS:ää.

Hemoglobiini (Hb)- erytrosyyteissä oleva kromoproteiini, joka osallistuu hapen kuljettamiseen kudoksiin. Aikuisten hemoglobiinia kutsutaan hemoglobiini A:ksi (HbA). Sen molekyylipaino on noin 65 000 Da. Hb A-molekyylillä on kvaternäärinen rakenne ja se sisältää neljä alayksikköä - polypeptidiketjut (merkitty α1, α2, β1 ja β2), joista jokainen liittyy hemiin.

Muista, että hemoglobiini on allosteerinen proteiini, jonka molekyylit voivat muuttua palautuvasti konformaatiosta toiseen. Tämä muuttaa proteiinin affiniteettia ligandeihin. Konformaatiota, jolla on pienin affiniteetti ligandiin, kutsutaan jännittyneeksi tai T-konformaatioksi. Konformaatiota, jolla on suurin affiniteetti ligandiin, kutsutaan relaksoiduksi tai R-konformaatioksi.

Hemoglobiinimolekyylin R- ja T-konformaatiot ovat dynaamisen tasapainon tilassa:

Erilaiset ympäristötekijät voivat muuttaa tätä tasapainoa suuntaan tai toiseen. Allosteeriset säätelijät, jotka vaikuttavat Hb:n affiniteettiin O2:n suhteen, ovat: 1) happi; 2) H+-pitoisuus (väliaineen pH); 3) hiilidioksidi (CO2); 4) 2,3-difosfoglyseraatti (DPG). Happimolekyylin kiinnittyminen johonkin hemoglobiinialayksiköstä edistää jännittyneen konformaation siirtymistä relaksaatioon ja lisää saman hemoglobiinimolekyylin muiden alayksiköiden happiaffiniteettia. Tätä ilmiötä kutsutaan yhteistyövaikutukseksi. Hemoglobiinin happeen sitoutumisen monimutkainen luonne heijastuu hemoglobiini O2:n saturaatiokäyrään, joka on S-muotoinen (kuva 3.1).

Kuva 3.1. Myoglobiinin (1) ja hemoglobiinin (2) saturaatiokäyrät hapella.

Molekyylimuodot hemoglobiini eroaa toisistaan ​​polypeptidiketjujen rakenteessa. Esimerkki tällaisesta fysiologisissa olosuhteissa esiintyvästä hemoglobiinin vaihtelusta on sikiön hemoglobiini (HbF), joita esiintyy veressä ihmisen alkiovaiheessa. Toisin kuin HbA, sen molekyyli sisältää 2 α- ja 2 y-ketjua (eli β-ketjut on korvattu y-ketjuilla). Tällaisella hemoglobiinilla on suurempi affiniteetti happea kohtaan. Tämän ansiosta alkio voi vastaanottaa happea äidin verestä istukan kautta. Pian syntymän jälkeen vauvan veressä oleva HbF korvataan HbA:lla.

Esimerkkinä epänormaalista tai patologisesta hemoglobiinista voidaan mainita jo mainittu (ks. 2.4.) hemoglobiini S, joka löytyy sirppisoluanemiaa sairastavilla potilailla. Kuten jo tiedät, se eroaa hemoglobiini A:sta korvaamalla glutamaatin valiinilla β-ketjuissa. Tämä aminohapposubstituutio vähentää HbS:n vesiliukoisuutta ja vähentää sen affiniteettia 02:een.

Kaikki solun prosessit suoritetaan proteiinien osallistuessa. Niiden tehtävät ovat erittäin monipuolisia. Jokainen annettu proteiini aineena, jolla on tietty kemiallinen rakenne suorittaa yhden erittäin erikoistuneen toiminnon ja vain muutamassa erillisessä tapauksessa - useita toisiinsa liittyviä.

Laskeutuessamme solusta molekyylitasolle me Tapaamme seuraavat proteiinien päätoiminnot:

1.Katalyyttinen (entsymaattinen) toiminto: Lukuisat biokemialliset reaktiot elävissä organismeissa etenevät miedoissa olosuhteissa lämpötiloissa, jotka ovat lähellä 40 °C ja pH-arvot lähellä neutraalia. Näissä olosuhteissa useimpien reaktioiden nopeudet ovat mitättömiä, joten niiden hyväksyttäväksi toteuttamiseksi tarvitaan erityisiä biologisia katalyyttejä - entsyymejä. Jopa jotain niin yksinkertaista kuin nestehukka hiilihappo:

CO 2 + H 2O HCO 3 - + H+

entsyymin katalysoima hiilihappoanhydraasi. Yleensä kaikki reaktiot, paitsi veden fotolyysi 2H 2 O®4H + + 4e - + O 2, elävissä organismeissa, katalysoidaan entsyymien avulla. Yleensä entsyymit ovat joko proteiineja tai proteiinien komplekseja joidenkin kanssa kofaktori- metalli-ioni tai erityinen orgaaninen molekyyli. Entsyymeillä on korkea, joskus ainutlaatuinen toiminnan selektiivisyys. Esimerkiksi entsyymit, jotka katalysoivat a-aminohappojen lisäystä vastaaviin tRNA:ihin proteiinien biosynteesin aikana, katalysoivat vain L-aminohappojen lisäystä eivätkä katalysoi D-aminohappojen lisäystä.

2. Proteiinien kuljetustoiminto. Proteiinit varastoivat ja kuljettavat happea (hemoglobiini, hemosyaniini). Tämä toiminto muistuttaa entsymaattista, mutta se eroaa siitä, koska. O 2 ei muutu.

Lukuisten aineiden on päästävä soluun tarjoten sille rakennusmateriaalia ja energiaa. Samalla kaikki biologiset kalvot on rakennettu yhden periaatteen mukaan - kaksinkertainen lipidien kerros, johon upotetaan erilaisia ​​​​proteiineja, ja makromolekyylien hydrofiiliset alueet keskittyvät kalvojen pinnalle ja hydrofobiset "hännät" ovat kalvon paksuudessa. Tällainen rakenne ei läpäise sellaisia ​​tärkeitä komponentteja kuin sokereita, aminohappoja, alkalimetalli-ioneja. Niiden tunkeutuminen soluun tapahtuu erityisten solukalvoon upotettujen kuljetusproteiinien avulla.

3. Sääntelytoiminnot- pienimolekyyliset polypeptidit (insuliini, oksitosiini), hormonit stimuloivat toiminnallista toimintaa muiden kudosten ja elinten soluissa.

4. Suojaava immunologinen toiminta. Immuunijärjestelmä pystyy reagoimaan vieraiden hiukkasten ilmaantumiseen tuottamalla valtavan määrän lymfosyyttejä, jotka voivat spesifisesti vahingoittaa näitä hiukkasia, jotka voivat olla vieraita soluja, kuten patogeenisiä bakteereja, syöpäsoluja, supramolekyyliset partikkelit, kuten virukset, makromolekyylit, mukaan lukien vieraat proteiinit. Yksi lymfosyyteistä B-lymfosyytit, tuottaa erityisiä proteiineja, jotka vapautuvat verenkiertoelimistöön, jotka tunnistavat vieraita hiukkasia muodostaen samalla erittäin spesifisen kompleksin tässä tuhoutumisvaiheessa. Nämä proteiinit ovat immunoglobuliinit korkeammat organismit, suojaavat niitä vierailta biopolymeereilta niiden erityisrakenteen (funktionaalisen ryhmän) vuoksi.

5.Kemiallisten ja sähköisten signaalien tallentaminen, lähettäminen.

6. rakenteellinen toiminto. Hienoja, pitkälle erikoistuneita toimintoja suorittavien proteiinien ohella on proteiineja, jotka ovat pääasiassa rakenteellisesti tärkeitä. Ne tarjoavat mekaanisen lujuuden ja muita mekaanisia ominaisuuksia elävien organismien yksittäisille kudoksille. Ensinnäkin tämä kollageeni- sidekudoksen solunulkoisen matriisin pääproteiinikomponentti. Nisäkkäillä kollageeni muodostaa jopa 25 % proteiinien kokonaismassasta. Elastisissa kudoksissa - ihossa, verisuonten seinämissä, keuhkoissa - solunulkoinen matriisi sisältää kollageenin lisäksi proteiinia elastiini, joka pystyy venymään laajalla alueella ja palaamaan alkuperäiseen tilaansa.

Vielä yksi esimerkki rakenteellinen proteiini - fibroiini silkkiä, jota silkkiäistoukkien toukat erittävät chrysalin muodostumisen aikana ja joka on silkkilankojen pääkomponentti.

7. motoriset proteiinit. Lihasten supistuminen on prosessi, jonka aikana makroergisten pyrofosfaattisidosten muodossa varastoitunut kemiallinen energia muuttuu ATP-molekyylejä, V mekaaninen työ. Supistumisprosessin suoria osallistujia ovat kaksi proteiinia - aktiini ja myosiini.

8. reseptorin toiminta. Erityisen tärkeitä monisoluisten organismien toiminnan kannalta ovat reseptoriproteiinit, joka on rakennettu solujen plasmakalvoon ja palvelee soluun tulevien erilaisten signaalien havaitsemiseen ja muuntamiseen ympäristöön ja muista soluista. Tutkituimpien joukossa ovat asetyylikoliinireseptorit sijaitsee solukalvolla useissa hermosolujen välisissä kontakteissa, mukaan lukien aivokuoressa, ja hermo-lihasliittymissä. Nämä proteiinit ovat spesifisesti vuorovaikutuksessa asetyylikoliinin kanssa ja reagoivat tähän lähettämällä signaalin soluun. Signaalin vastaanottamisen ja muuntamisen jälkeen välittäjäaine on poistettava, jotta solu voi valmistautua seuraavan signaalin havaitsemiseen.

9. Toksiinit: Monet elävät organismit tuottavat suojana mahdollisia vihollisia vastaan ​​erittäin myrkyllisiä aineita - myrkkyjä. Monet niistä ovat proteiineja, mutta niiden joukossa on myös monimutkaisia ​​pienimolekyylisiä orgaanisia molekyylejä. Esimerkki tällaisesta aineesta on vaalean uikkun myrkyllinen alku - a-amanitin: Tämä yhdiste estää spesifisesti eukaryoottisten mRNA:iden synteesin. Ihmisille tappava annos on muutama milligramma tätä toksiinia.

Proteiinien primaarinen ja sekundaarinen rakenne. Proteiinit eivät ole staattisia muodostelmia. Nämä ovat rakenteita, jotka voivat käydä läpi tiettyjä konformaatiomuutoksia biologisen toiminnan aikana. Konformaatioanalyysi suoritetaan proteiinimolekyylien eri organisoitumistasojen perusteella. Vuonna 1959 K. Linderstrom-Lang tunnisti neljä proteiinien rakenteellisen organisoinnin tasoa - primaarisen, sekundaarisen, tertiaarisen ja kvaternaarisen rakenteen. Myöhemmin röntgendiffraktioanalyysin, kalorimetrian ja muiden menetelmien tietojen vertailun perusteella tunnistettiin vielä kaksi organisaatiotasoa - supersekundaariset rakenteet ja proteiinidomeenit.

Aminohapposekvenssiä kutsutaan proteiinin primäärirakenteeksi. Aminohappojen järjestyksen tutkimus proteiineissa on virstanpylväs proteiinin rakenteen tutkimuksessa. Tällä hetkellä tämä analyysi suoritetaan automaattisesti sequinator-instrumenteilla. SISÄÄN viime vuodet käytetään uutta menetelmää aminohapposekvenssin määrittämiseksi. Tämän proteiinin rakennegeenin sisältävä DNA-fragmentti eristetään, nukleotidisekvenssi dekoodataan ja se transloidaan geneettinen koodi aminohapposekvenssiin. Ensisijainen rakenne on yksiulotteinen esitys proteiinimolekyylistä. Primäärirakenteen tuntemusta käytetään ennustamaan proteiinin sekundaarista ja tertiääristä rakennetta. Aminohapposekvenssin ja kristallografisten elektronitiheyskarttojen samanaikainen käyttö mahdollistaa proteiinin kaikkien atomiryhmien avaruudellisen järjestyksen rekonstruoinnin.

Polypeptidiketjussa peptidiryhmä on litteä ja jäykkä. Polypeptidiketju voidaan esittää samanlaisten tasojen (peptidiryhmien) sekvenssinä, jotka on yhdistetty toisiinsa yksittäisillä sidoksilla. Kierto näiden sidosten ympärillä ei ole täysin vapaata steeristen rajoitusten vuoksi. Kierroskulma sidosten C - C a ympäri on merkitty ψ:llä ja kiertokulma sidosten ympärillä N - C a tarkoittaa φ. G. Ramachandran laski polypeptidiketjun konformaatiotilat tietokoneella ja määritti ψ:n ja mahdollisten arvojen alueen (Ramachandran-kuvaajat tai konformaatiokartat). Konformaatiokartoilla kulmien ψ ja φ arvot proteiineissa eivät ole mielivaltaisia, ne rajoittuvat selvästi tiettyihin alueisiin, mikä osoittaa, että polypeptidiketjussa on rajoitettu määrä konformaatioita.

Ymmärrä proteiinin sekundaarirakenteen alla polypeptidiketjun järjestynyt järjestys, jota stabiloivat vetysidokset peptidiryhmät. Kun otetaan huomioon tämä rakenteellinen taso, puhutaan polypeptidiketjun osien paikallisesta konformaatiosta. Useimmiten tavattu ja energeettisesti ja steerisesti edullisin toissijainen rakenne on oikea α– L. Pauling ja R. Corey (1951) esittivät ensimmäisenä spiraalin. Tärkeimmät ominaisuudet α– heliksit: 1) aminohappotähteiden lukumäärä heliksin vaihetta kohti on 3,6; 2) heliksiväli d = 0,54 nm; 3) translaatio tähdettä kohti heliksiä pitkin Δd = 0,15 nm; 4) säde α– spiraaleja r= 0,23 nm; 5) vetysidokset (samansuuntaiset heliksin akselin kanssa) muodostuvat kunkin ensimmäisen ja neljännen peptidiryhmän välille; 6) varten α– spiraalit φ = -57° ja ψ = -47°. Poikkileikkauksesta nähtynä α– spiraali jokaisella käännöksellä se siirtyy oikealle 60°. Tällaisen muutoksen seurauksena vasta 10 kierroksen jälkeen ensimmäinen peptidiryhmä on täsmälleen sama kuin 36. peptidiryhmä.

Proteiinimolekyylien toissijaiset rakenteet ovat yhdensuuntaisia ​​ja vastasuuntaisia ​​β-laskostettuja levyjä (tai β-rakennetta). Ramachandranin konformaatiokartalla β-kerrokselle, jossa on vastasuuntaiset ketjut φ = -139° ja ψ = +135°, β-kerrokselle, jossa on rinnakkaiset ketjut ketjut φ = -119° ja ψ = +113°. Suurin osa niissä ei ole enempää kuin kuusi polypeptidiketjua, jotka on stabiloitu vetysidoksilla, ja kuusi aminohappotähdettä kunkin ketjun pituudella. Tällaisen levyn mitat ovat: leveys t = 2,5 nm, pituus l = 2,0 nm. Useimmilla taitetuilla arkeilla on kierretty muoto. Kiertyminen on kohtisuorassa pitkänomaisiin ketjuihin nähden.

Proteiinimolekyylien seuraava organisoitumistaso ovat supersekundaariset rakenteet. Esimerkki tällaisista rakenteista on superkierteiset rakenteet. Heillä on kaksi α– spiraalit (tropomyosiinissa, kevyessä meromyosiinissa, paramyosiinissa) tai kolme α -heliksit (fibrinogeenissa) ovat kiertyneet suhteessa toisiinsa. Superheliksin nousu vaaleassa meromyosiinissa on α= 18,6 nm. Käyttämällä esimerkkiä tropomyosiinista, jolla on tunnettu aminohapposekvenssi, pääteltiin, että superkela stabiloituu hydrofobisilla vuorovaikutuksilla yksilöiden välillä. α - spiraalit.

Primaarinen ketjurakenne ja proteiinipallojen muodostuminen

Yksi proteiinifysiikan tärkeimmistä ongelmista on polypeptidiketjun primäärirakenteen ja pallopallon avaruudellisen rakenteen välinen yhteys. Makromolekyylien natiivi spatiaalinen rakenne on biologisesti toiminnallinen, kun taas primäärirakenne on geneettisesti koodattu. Ja miksi proteiinimolekyyli muodostaa globulin, toisin sanoen, miksi proteiini pystyy kokoamaan itsensä ja tässä tilassa oleva proteiini voi jo suorittaa tehtävänsä? Kuten Guzzo totesi, aminohappojen erityisjärjestelyllä on merkitystä proteiinin tilarakenteelle. On aminohappoja "ei-spiraali" ei voi muodostaa spiraaleja ja "spiraali" - ne voivat taipua (asp, cis, tyr, ser). Kierre, molekyylin pakkaus riippuu tästä. Ja erityisesti merkitys proteiinin avaruudellisen rakenteen muodostamiseksi aminohapolla glysiinillä on - tämä on kuin yleisnivel, joka voi olla useissa eri paikoissa.

Tällä hetkellä oletetaan, että proteiinipallon itseorganisoituminen ei ole seurausta jostain suunnatusta prosessista. Monet tutkijat uskovat, että erehtymättömän itseorganisoitumisen ohjelma on koodattu itse primaarirakenteeseen. itseorganisoituminen tapahtuu vaiheittain, niin että jokaisessa seuraavassa vaiheessa muodostuu yhä monimutkaisempi ja vakaampi rakenne.

Polypeptidiketjujen säännölliset konformaatiot, jotka ovat stabiloituneet vetysidoksilla ( α ja β -muodot) ovat stabiileja vain tietyissä olosuhteissa Väliaineen lämpötilan, pH:n, liuottimen muuttaminen johtaa konformaatiosiirtymiin. Amerikkalainen Doty havaitsi, että helix-käämin siirtymät tapahtuvat hyvin lyhyessä ajassa. Siirtymälle on ominaista viskositeetin muutos, valonsironta jne. Siirtymän terävyys osoittaa yhteistyökykyä, ts. makromolekyylin kukin linkki on kiinteässä tilassa vetysidosten avulla. Vieraiden tekijöiden vaikutuksesta molekyylien pakkaus muuttuu, ts. konformaatioita.

Tiedemies Ptitsinin mukaan ensimmäisessä vaiheessa laskostumattomaan proteiiniketjuun muodostuu vaihtelevia (muuttuneita, ei-pysyviä) kierteisten osien ytimiä, joilla on pitkänomainen rakenne (paikkakuva). Toisessa vaiheessa yksi tai useampi alkiopari yhdistyy muodostaen tertiäärisen rakenteen organisoitumiskeskuksia. Kolmannessa vaiheessa keskusten kasvu tapahtuu ketjun viereisten osien kiinnittymisen vuoksi.

Ja viimeisessä, neljännessä vaiheessa, muodostetaan yksi tiivis pallopallon rakenne kasvattamalla tai yhdistämällä useita keskuksia.

Proteiinin domeenit ja tertiäärinen rakenne

Proteiinin tertiäärinen rakenne on termodynaamisesti stabiilin polypeptidiketjun laskostumisen ja laskostumisen muoto. Herää kysymys, miten proteiinien laskostuminen tapahtuu, miten aminohapposekvenssin sisältämä yksiulotteinen informaatio realisoituu tilatiedoksi? Proteiinien denaturaatio- ja renaturaatiokokeet osoittivat, että tuhoutumisprosessit ja kompaktin tertiäärisen rakenteen muodostuminen etenevät melko nopeasti: stafylokokkinukleaasi laskostuu uudelleen 1 sekunnissa.

Ydinmuodostusmallia käytetään selittämään taittoprosessia. Tämä malli olettaa, että polypeptidiketjun lyhyet segmentit laskostuvat hyvin nopeasti toisistaan ​​riippumatta, ja toisessa vaiheessa ne konvergoivat muodostaen kompaktin kolmiulotteisen rakenteen. Muodostuu proteiinisegmenttejä α -heliksit ja β-kerrokset suurella nopeudella. Se on kokeellisesti osoitettu spiraalikela-siirtymät tapahtuvat 10 -6 - 10 -8 sekunnissa.

SISÄÄN Viime aikoina Toinen tärkeä rakenteellisen organisoinnin taso on tunnistettu proteiineista. Yli 20 000 molekyylipainoisten proteiinien elektronitiheyskarttojen analyysi osoitti, että proteiinit koostuvat useista pallomaisista alueista, jotka ovat heikosti yhteydessä toisiinsa. Näitä alueita kutsutaan domaineiksi. Yksittäiset domeenit voidaan usein eristää proteiinista käyttämällä proteolyyttisiä entsyymejä menettämättä toiminnallisia ominaisuuksiaan. Domeenilla tarkoitetaan yhden polypeptidiketjun aluetta, joka on suljettu kompaktiin tilavuuteen. Nämä ovat ketjun osia, jotka on taitettu ja avautuvat proteiinissa toisistaan ​​riippumatta.

Toimialuetta voidaan pitää suhteellisen itsenäisenä rakenneyksikkönä. Käyttämällä pyyhkäisymikrokalorimetriaa Privalov osoitti yksittäisten yhteistoiminnallisten lohkojen läsnäolon monimutkaisissa proteiineissa, joille on ominaista äkilliset rakenteelliset muutokset lämpödenaturoinnin aikana. Osoittautui että monissa tapauksissa sellaiset yhteistoiminnalliset proteiinit vastaavat hyvin eristettyjä proteolyyttisiä proteiinifragmentteja. Tämä mahdollisti yhteistoiminnallisten lohkojen tunnistamisen proteiinidomeeneilla. Usein eristetyillä proteolyyttisillä fragmenteilla on rakenteellisia ominaisuuksia, kuten osuuskuntalohkot, ts. niiden sulamispisteet ja siirtymäentalpiat ovat samat, ja ne säilyttävät myös natiiviproteiinien toiminnalliset ominaisuudet. Domeenit on liitetty toisiinsa hyvin rajoitetulla määrällä peptidisidoksia, jotka on suhteellisen helppo rikkoa proteolyyttisten entsyymien vaikutuksesta.

Tällä hetkellä, käyttämällä pyyhkäisymikrokalorimetriaa, elektronimikroskopiaa, proteolyyttistä pilkkomista, domeenirakenne on muodostettu sellaisissa suurimolekyylisissä proteiineissa kuin immunoglobuliini, myosiini, fibrinogeeni jne.

Domeenit voivat edustaa tärkeitä välituotteita proteiinien natiivirakenteen laskostumisprosessissa. Domeeneista koostuvilla proteiineilla tulisi olla joustavampi rakenne kuin proteiineilla, joissa eri alueet ovat kiinnittyneet toisiinsa. Ilmeisesti , Reversiibelit konformaatiomuutokset, jotka vaikuttavat entsyymien toimintaan, liittyvät domeenien välisiin uudelleenjärjestelyihin muuttamatta itse domeenien rakenteellista stabiilisuutta.

Sulan pallon hypoteesi. Yksi tapa tutkia polypeptidiketjun laskostumista kolmiulotteiseksi rakenteeksi on proteiinimolekyylin denaturaatio ja sitä seuraava renaturaatio.

K. Anfinsenin kokeet ribonukleaasin kanssa osoittavat yksiselitteisesti mahdollisuuden koota täsmälleen denaturaation seurauksena häiriintynyt tilarakenne.

Tässä tapauksessa alkuperäisen konformaation palauttaminen ei vaadi lisärakenteiden läsnäoloa. Mitkä mallit polypeptidiketjun laskostumisesta vastaavan konformaation suhteen ovat todennäköisimpiä? Yksi yleisimmistä proteiinien itseorganisoitumisen hypoteeseista on sulan globulin hypoteesi. Tämän konseptin puitteissa erotetaan useita proteiinin itsekokoamisen vaiheita.

1. Laskeutumattomassa polypeptidiketjussa muodostuu vetysidosten ja hydrofobisten vuorovaikutusten avulla erillisiä sekundaarirakenteen osia, jotka toimivat siemenenä täydellisten sekundaaristen ja supersekundaaristen rakenteiden muodostumiselle.

2. Kun näiden kohtien määrä saavuttaa tietyn kynnysarvon, sivuradikaalit suuntautuvat uudelleen ja polypeptidiketju siirtyy uuteen, kompaktimpaan muotoon ja ei-kovalenttisten sidosten määrä kasvaa merkittävästi. Tämän vaiheen ominaispiirre on spesifisten kontaktien muodostuminen atomien välillä, jotka sijaitsevat polypeptidiketjun kaukaisissa kohdissa, mutta jotka osoittautuivat läheisiksi tertiaarisen rakenteen muodostumisen seurauksena.

3. Viimeisessä vaiheessa muodostuu proteiinimolekyylin natiivi konformaatio, joka liittyy disulfidisidosten sulkeutumiseen ja proteiinin konformaation lopulliseen stabiloitumiseen. Osittain laskostuneiden polypeptidiketjujen epäspesifistä aggregaatiota ei myöskään ole suljettu pois, mikä voidaan luokitella virheiksi natiiviproteiinien muodostumisessa. Osittain laskostunut polypeptidiketju (vaihe 2) kutsutaan sulaksi palloksi, ja vaiheessa 3 on hitain kypsän proteiinin muodostuksessa.

Solut sisältävät useita katalyyttisesti inaktiivisia proteiineja, jotka kuitenkin edistävät suuresti proteiinien tilarakenteiden muodostumista. Näitä ovat niin sanotut shapironit ja shapironiinit. L. Ellis, yksi molekyylishapironien löytäjistä, kutsuu niitä toiminnalliseksi luokaksi proteiiniperheitä, jotka eivät liity toisiinsa ja jotka auttavat muiden polypeptidejä sisältävien rakenteiden oikeaa ei-kovalenttista kokoonpanoa in vivo, mutta eivät kuulu kootut rakenteet eivätkä osallistu niiden normaalien fysiologisten toimintojen toteuttamiseen.

Shapironit auttavat kolmiulotteisen proteiinikonformaation oikean kokoamisessa muodostamalla palautuvia, ei-kovalenttisia komplekseja osittain laskostetun polypeptidiketjun kanssa samalla kun ne estävät epämuodostuneita sidoksia, jotka johtavat toiminnallisesti inaktiivisten proteiinirakenteiden muodostumiseen. Shapironeille ominaisten toimintojen luettelo sisältää sulan globulien suojaamisen aggregaatiolta sekä vasta syntetisoitujen proteiinien siirtämisen erilaisiin solulokuksiin. Shapironit ovat pääasiassa lämpöshokkiproteiineja, joiden synteesiä lämpöstressi tehostaa voimakkaasti. Näiden proteiinien perheitä löytyy mikrobi-, kasvi- ja eläinsoluista. Chapironien luokitus perustuu niiden molekyylipainoon, joka vaihtelee välillä 10-90 kDa. Yleisesti ottaen shapironien ja shapironiinien toiminnot eroavat toisistaan, vaikka molemmat ovat proteiiniapulaisia ​​proteiinien kolmiulotteisen rakenteen muodostumisprosesseissa. Shapironit pitävät äskettäin syntetisoidun polypeptidiketjun laskostumattomassa tilassa, estäen sitä laskostumasta alkuperäisestä poikkeavaan muotoon, ja shapironiinit tarjoavat olosuhteet ainoan oikean, luonnollisen proteiinirakenteen muodostumiselle.

Proteiinien kvaternäärinen rakenne

Kaoottisesti muodostuneiden aggregaattien muodostuminen on virhe, joka johtaa toiminnallisesti inaktiivisten proteiinien ilmestymiseen, joten soluissa tarjotaan mekanismeja niiden nopeaan hajoamiseen ja hajoamiseen yksittäisiksi aminohapoiksi. Luonnossa on kuitenkin monia geneettisesti määrättyjä aggregaatteja, jotka sisältävät useita polypeptidiketjuja, jotka muodostavat suuria proteiinimakromolekyylejä. Kvaternaarista rakennetta kutsutaan kahdeksi tai useammaksi toisiinsa liittyväksi avaruuteen orientoituneeksi alayksiköksi. Ilmeisesti on oikeampaa proteiinien kvaternaarisen rakenteen suhteen puhua ei aggregaateista, vaan pallosten ryhmistä. Kun karakterisoidaan proteiinien kvaternaarista rakennetta, sen pseudovariantit tulisi sulkea pois. Proteiinihormoniinsuliini koostuu siis kahdesta polypeptidiketjusta, mutta ne eivät ole täysimittaisia ​​palloja, vaan ne muodostuvat yhden polypeptidiketjun rajoitetun proteolyysin seurauksena. Ne eivät ole proteiineja, joilla on todellinen kvaternäärinen rakenne ja monientsyymikomplekseja. Ne ovat tyypillisiä supramolekulaarisia rakenteita. Kvaternaarisen rakenteen muodostumisen aikana yksittäiset alayksiköt ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa yksinomaan ei-kovalenttisten sidosten, pääasiassa vety- ja hydrofobisten sidosten kautta. On erittäin tärkeää, että vuorovaikutuksessa olevien alayksiköiden kosketuspinnat täydentävät toisiaan. Hydrofobiset ryhmät sijaitsevat kosketusalueilla, joita kutsutaan "tahmeiksi täpliksi".

Elektronegatiivisten atomien keskinäinen orientaatio, jota helpottaa komplementaaristen kohtien läsnäolo, edistää suuren määrän vetysidosten muodostumista. Tämä varmistaa yhteisvaikutuksen toteutumisen ja makromolekyylin stabiloitumisen. Lisäksi ei-kovalenttisten sidosten moninaisuus on perusta rakenteellisten uudelleenjärjestelyjen siirtymiselle alayksiköstä toiseen.

Kvaternäärisen rakenteen omaavia proteiineja kutsutaan usein oligomeerisiksi. Erottaa homomeerista Ja heteromeerinen proteiinit. Homeriset proteiinit ovat proteiineja, joiden kaikilla alayksiköillä on sama rakenne. Esimerkki on katalaasiproteiini, joka koostuu neljästä täysin vastaavasta alayksiköstä. Heteromeerisissa proteiineissa yksittäiset alayksiköt eivät vain eroa rakenteeltaan, vaan voivat myös suorittaa erilaisia ​​​​toimintoja. Esimerkiksi RNA-polymeraasiproteiini koostuu viidestä alayksiköstä erilainen rakenne ja erilaisilla toiminnoilla.