Primär struktur - sekvensen av föreningen av aminosyror i polypeptidkedjan. I en proteinmolekyl, med växling av styva (peptidbindning) och flexibla (a -kolatom) sektioner, bildas en kompakt vikning av kedjan i rymden.
Akobori -metodär att använda fenylhydrazin... Fenylhydrazin bryter peptidbindningar i proteinet och binder till alla aminosyror utom C-terminalen. Efterföljande kromatografisk analys möjliggör identifiering av den C-terminala aminosyran i proteinet.
Studiet av den primära strukturen är viktigt allmän biologisk och medicinsk betydelse:
- den primära strukturen är avgörande för de efterföljande proteinstrukturerna.
- kunskap om ett proteins primära struktur är nödvändig för den artificiella syntesen av proteiner.
- den primära strukturen bestämmer artspecificiteten, till exempel i proteininsulinet, vanligtvis i mitten av molekylen hos olika djur och människor, en substitution sker i regel med 3 ekvivalenta aminosyror.
- förändringar i den primära strukturen kan leda till många sjukdomar, till exempel sicklecellanemi, där hemoglobin i β-kedjan i det sjätte läget av glutaminsyra ersätts med valin. Denna ersättning för en ojämlik aminosyra leder till dysfunktion av hemoglobin och uppkomsten av segelformade erytrocyter.
Sekundär struktur - regelbundet upprepad form av vikning av polypeptidkedjan i rymden. Oftast innehåller proteiner 2 typer av sekundär struktur: α - helix och β - struktur.
α - spiral 1951 studerades av L. Pauling med hjälp av röntgendiffraktionsmetoden. Det är en högerhänt spiralformad struktur med 3,6 aminosyror i ett varv. Spiralens tonhöjd (avståndet mellan intilliggande varv) är 0,54 nm. A-helixen fixeras av vätebindningar, som stängs mellan peptidbindningarna som bildas av varje fjärde aminosyra. Sekundär α - struktur passar spontant och bestäms av proteinets primära struktur. Andelen regioner arrangerade i en spiralformad struktur är olika i olika proteiner. Till exempel, i hemoglobin, myoglobin, råder α - strukturell packning, vilket minskar proteinmolekylens storlek med 4 gånger.
β -struktur har formen av ett "dragspel" och stabiliseras genom vätebindningar mellan avlägsna delar av en polypeptidkedja eller mellan flera proteinmolekyler. Det finns parallella β-strukturer där N- och C-ändarna motsvarar varandra och antiparallella strukturer. Ett exempel på proteiner som huvudsakligen innehåller β -strukturer är immunglobuliner.
Den sekundära strukturen studeras med metoderna för röntgenstrukturanalys, studiet av absorptionen av ultravioletta strålar av proteinet (ju större andel α-strukturer, desto större absorption).
Den sekundära strukturen förstörs av denaturering.
Tertiär struktur - med formen av vikning av polypeptidkedjan i rymden, specifik för varje protein. Denna struktur bildas spontant och bestäms av den primära strukturen. Den tertiära strukturen ökar signifikant proteinets kompaktitet i tiotals. Icke-kovalenta bindningar (hydrofoba, joniska) och kovalenta (disulfid) bindningar är involverade i bildandet av den tertiära strukturen.
Den tertiära strukturen bestämmer proteinernas biologiska aktivitet och fysikalisk -kemiska egenskaper. När den tertiära strukturen störs förlorar proteinet sin biologiska aktivitet.
Metoderna för att studera den tertiära strukturen är röntgenstrukturanalys och bestämning av den kemiska aktiviteten hos enskilda aminosyraradikaler i ett protein. Proteins myoglobins tertiära struktur studerades först av J. Kendrew (1957). M. Perutz (1959) studerade hemoglobins struktur.
Den tertiära strukturen hos proteiner inkluderar α-spiralformade, β-vikta strukturer, β-slingor (i vilka polypeptidkedjan är böjd med 180 0) och den så kallade störda spolen. Till exempel innehåller insulinprotein 57% α - spiralformade regioner, 6% β - vikta strukturer, 10% av molekylerna är vikta i form av β - loopar och 27% av molekylerna är en störd spole.
Helheten primär, sekundär, tertiär är gestaltning proteinmolekyl. Vital (nativ) konformation bildas spontant och dess bildning kallas vikning. Konformationen av proteiner är mycket instabil och bildas med deltagande av speciella proteiner - chaperones(följeslagare). Chaperoner kan binda till delvis denaturerade, instabila proteiner och återställa sin naturliga form. Chaperones klassificeras efter molekylvikt (60-100 cd.). De mest studerade är Sh-60, Sh-70 och Sh-90. Till exempel interagerar III-70 med proteiner rika på hydrofoba radikaler och skyddar dem från högtemperatur-denaturering. I allmänhet skärmar chaperoner kroppens huvudproteiner, förhindrar denaturering och främjar bildandet av konformation, underlättar transporten av denaturerade proteiner till lysosomer och deltar i proteinsyntesprocessen.
Genom konformation är alla proteiner indelade i tre grupper:
- fibrillära proteiner: kollagen, elastin, fibroin.
- Globulära proteiner: hemoglobin, albumin, globulin.
- Blandade proteiner: myosin.
Den tertiära strukturen är inneboende i alla proteiner. Endast oligomera proteiner, som innehåller flera subenheter, protomerer, har en kvartär struktur. En separat polypeptidkedja betraktas som en protomer, och en subenhet är en funktionellt aktiv del av ett oligomert protein. En underenhet kan innehålla antingen en eller flera protomerer.
Kvartär struktur - antalet och ömsesidiga arrangemanget av subenheter i oligomera proteiner. Endast oligomera proteiner, som innehåller flera subenheter, protomerer, har en kvartär struktur. En separat polypeptidkedja betraktas som en protomer, och en subenhet är en funktionellt aktiv del av ett oligomert protein. En subenhet kan innehålla en protomer eller flera protomerer.
Bräckliga icke-kovalenta bindningar (hydrofoba, joniska, väte) är involverade i bildandet av den kvartära strukturen. Den kvartära strukturen hos proteiner bildas spontant och bryts lätt av denaturering. Individuella subenheter i det oligomera proteinet interagerar med varandra, vilket leder till en förändring av de tertiära strukturen hos enskilda protomerer. Detta fenomen kallas kooperativa förändringar i protomerernas konformation och åtföljs som regel av en ökning av proteinaktivitet.
Oligomera proteiner har ett antal funktioner jämfört med monomera proteiner.
- De har en mycket kompakt packning och ett relativt litet gränssnitt, därför att de ligger intracellulärt och binder därför mindre vatten
- Deras aktivitet regleras i kroppen. Protomerer är vanligtvis inaktiva, medan oligomera proteiner är mycket mer aktiva.
- Om protomerer av samma typ är involverade i syntesen av ett oligomert protein, sparar detta genetiskt material (flera identiska protomerer "stämplas" på en kort DNA -sektion)
- De är funktionellt mer anpassade till organismens förhållanden.
Funktionen hos oligomera proteiner illustreras genom jämförelse av hemoglobin- och myoglobinproteiner som är involverade i transport av syre till vävnader. Erytrocythemoglobin är ett oligomert protein som innehåller 4 polypeptidkedjor. Muskelmyoglobin är ett monomert protein som innehåller 1 polypeptidkedja. Syre -mättnadskurvan för myoglobin vittnar om dess direkta beroende av syrekoncentrationen. För hemoglobin är syremättnadskurvan S-formad. Detta beror på en gradvis sekventiell förändring i strukturen (konformationen) för var och en av de 4 protomererna i hemoglobins sammansättning, vilket resulterar i att hemoglobins affinitet för syre ökar kraftigt. Denna typ av mättnad av hemoglobin med syre ökar kraftigt dess syrekapacitet i jämförelse med myoglobin.
En särskild position bland proteiner intas av domänproteiner .
Domäner är strukturellt och funktionellt separata regioner i en polypeptidkedja. Domäner kan vara ansvariga för interaktionen mellan ett protein och olika ämnen - ligander (ämnen med låg molekylvikt, DNA, RNA, polysackarider, etc.) Exempel på domänproteiner är serumalbumin, immunglobuliner och vissa enzymer (pankreastrypsin).
På grund av den höga selektiviteten hos proteiner kan de kombinera till komplex, som oftast kallas polyenzymkomplex - dessa är strukturella kombinationer av flera enzymer som katalyserar enskilda steg i en komplex kemisk process. Exempel: pyruvatdehydrogenaskomplex (PDC) ett komplex av tre typer av enzymer som katalyserar oxidationen av pyruvinsyra (PVA).
En specifik koppling är möjlig inte bara för enskilda proteiner, utan också för proteiner med lipider (fetter) under bildandet av cellmembran, proteiner med nukleinsyror under bildandet av kromatin.
Fysisk- Kemiska egenskaper proteiner.
De bestäms till stor del av proteinmolekylens konformation (proteinets primära - tertiära struktur). De fysikalisk -kemiska egenskaperna hos proteiner manifesteras i lösningar.
Löslighet proteiner i olika proteiner är olika.
I allmänhet är lösligheten för proteiner hög, men olika för olika typer proteiner. Det påverkas av följande faktorer:
- proteinmolekylens form (globulära proteiner är mer lösliga än fibrillära proteiner)
- karaktären av proteinets aminosyraradikal, förhållandet mellan polära icke-polära radikaler (ju fler polära hydrofila radikaler i proteinet, desto bättre löslighet)
- lösningsmedelsegenskaper, närvaro av salter. En låg koncentration av salter (KCL, NaCl) ökar ibland lösligheten av proteiner. Till exempel är albuminer bättre lösliga i rent destillerat vatten, globuliner löses endast i närvaro av 10% salter (KCL, NaCl). Protein bindväv kollagen och elastin är olösliga varken i vatten eller i saltlösning.
Molekylär massa proteiner är tillräckligt stora, från 6 000 till 1 000 000 enheter. Exempelvis är hemoglobins molekylvikt 68 000 enheter, albumin är 100 000 enheter, ribonukleas är cirka 14 000 enheter och myosin är 500 000 enheter.
Metoder för att bestämma molmassan av proteiner ska vara skonsam, inte förstöra proteinmolekyler. Till exempel är den ebulioskopiska metoden baserad på mätning av kokpunkten för lösningar inte tillämplig på proteiner. De mest exakta metoderna för att bestämma molekylvikten för proteiner är ultracentrifugering och röntgendiffraktionsmetoder.
Ultracentrifugeringsmetod(sedimentation) baseras på en förändring i avsättningshastigheten för proteiner med olika molekylvikter när proteinlösningar roteras med hög hastighet. Molekylvikten för proteiner som hittas med denna metod anges av Swedberg -enheten (S = 10 -13 s.)
Röntgendiffraktionsmetod låter dig beräkna molekylvikt genom att analysera flera röntgenbilder av en proteinmolekyl.
Elektroforetisk metod baserat på beroendet av proteiners rörelsehastighet i ett konstant elektriskt fält på proteinets molekylvikt (elektroforetisk rörlighet är högre i proteiner med lägre molekylvikt)
Kromatografisk metod baserat på olika hastigheter för olika proteiner genom molekylära gel "siktar".
Stora molekyler som överskrider gelens porstorlek passerar snabbare genom gelén än mindre proteinmolekyler som finns kvar i gelkornen.
Elektronmikroskopisk metod utförs genom att jämföra proteinmolekylens storlek med referensprover med känd massa.
Kemiska metoder associerad med särdragen hos den kemiska sammansättningen av proteiner
Proteinmolekylens form annorlunda. Proteinmolekyler kan vara fibrillära och klotformiga. Fibrillära proteiner är trådformiga molekyler. De är i allmänhet olösliga i vatten och i utspädda saltlösningar. Fibrillära proteiner inkluderar de viktigaste strukturella proteinerna i bindväv: kollagen, keratin, elastin. I globulära proteiner viks polypeptidkedjorna tätt till kompakta sfäriska strukturer. De flesta globulära proteiner är lättlösliga i vatten och svaga saltlösningar. Globulära proteiner inkluderar enzymer, antikroppar, albuminer, hemoglobin. Vissa proteiner har en mellanliggande form av molekylen, innehåller i sin sammansättning både trådformiga och sfäriska områden. Ett exempel på sådana proteiner är muskelproteinet myosin, som är lösligt i saltlösningar.
Proteinmolekylstorlekar ligger i intervallet från 1 till 100 nm, nära storleken på kolloidala partiklar. På grund av detta har proteinlösningar egenskaperna hos både sanna lösningar och kolloidala lösningar.
Många molekylära kinetiska egenskaper hos proteinlösningar liknar egenskaper hos kolloidala lösningar .
- Den långsamma diffusionshastigheten av proteiner som krävs för deras metabolism.
- Proteinernas oförmåga att passera genom semipermeabla membran. I fack med hög proteinkoncentration skapas ett överskott av hydrostatiskt tryck på grund av envägsrörelse av vattenmolekyler genom ett semipermeabelt membran mot en hög proteinkoncentration. Övertrycket som produceras av proteiner kallas onkotiskt tryck. Det är en viktig faktor som bestämmer rörelsen av vatten mellan vävnader, blod, tarmar.
- Proteinernas höga viskositet beror på olika intermolekylära interaktioner mellan stora proteinmolekyler. Ökad blodviskositet, i synnerhet, ökar stressen på hjärtmuskeln.
- Vissa proteiner kan bilda geler, vilket ökar styrkan hos proteinerna (t.ex. kollagen).
Optiska egenskaper hos proteiner bestäms av proteinmolekylernas storlek, strukturen av aminosyraradikaler i proteiner, närvaron peptidbindningar och alfa-spiralregioner i proteiner.
- Proteinlösningar har effekten av ljusbrytning (brytning) och ljusspridning. Dessa egenskaper beror på den stora storleken på proteinmolekyler som står i överensstämmelse med våglängden för den synliga delen av spektrumet. I detta fall sprids de korta blå strålarna i större utsträckning än de röda strålarna med längre våglängd. Brytningsgraden är proportionell mot koncentrationen av proteinlösningen.
- Proteinlösningar absorberar ultravioletta strålar i intervallet 190-230 nm på grund av närvaron av peptidbindningar och i intervallet 260-280 nm på grund av närvaron av cykliska aminosyror i proteiner. Graden av UV -absorption är proportionell mot koncentrationen av proteinet i lösningen.
- Proteinlösningar kan rotera planet för polariserat ljus, vilket beror på den optiska aktiviteten hos aminosyrorna i proteinet och närvaron av alfa-spiralformade regioner i det. Det finns ett direkt samband mellan polariseringen av ljus och koncentrationen av proteiner i lösning.
Proteiner, som är molekylära lösningar, har sanna lösningar ... Som sanna lösningar är proteinlösningar mycket stabila.
Proteiner är polypeptider med en molekylvikt på mer än 6 000-10 000 dalton. De består av ett stort antal aminosyrarester.
Till skillnad från lågmolekylära peptider har proteiner en välutvecklad tredimensionell rumslig struktur, som stabiliseras av olika slags starka och svaga interaktioner. Det finns fyra nivåer av strukturell organisation av en proteinmolekyl: primära, sekundära, tertiära och kvartära strukturer.
Den primära strukturen för ett protein är en sekvens av aminosyrarester sammankopplade med peptidbindningar.
För första gången framfördes antagandet om peptidbindningars roll i konstruktionen av proteinmolekyler av den ryska biokemisten A. Ya. kemisten E. Fischer 1902.
Grunden för proteinmolekylens primära struktur bildas av en regelbundet upprepande peptidskelett-NH-CH-CO-, och aminosyrornas sidoradikaler utgör dess variabla del.
Proteinets primära struktur är stark, eftersom det är baserat på peptidbindningar som är kovalenta till sin natur, vilket är starka interaktioner;
Genom att ansluta varandra i en annan sekvens bildar proteinogena aminosyror isomerer. Sex olika tripeptider kan byggas av tre aminosyror. Till exempel från glycin, alanin och valin-gli-ala-val, gli-val-ala, ala-gli-val, ala-val-gli, val-gli-ala och val-ala-gli. Av fyra aminosyror kan 24 tetrapeptider bildas och av fem 120 pentapeptider. Från 20 aminosyror kan 2 432 902 008 176 640 000 polypeptider konstrueras. Dessutom används varje aminosyra vid konstruktionen av de övervägda polypeptidkedjorna endast en gång.
Många naturliga polypeptider innehåller hundratals och till och med tusentals aminosyrarester, och var och en av de 20 proteinogena aminosyrorna kan förekomma upprepade gånger i deras sammansättning. Därför numret möjliga alternativ polypeptidkedjor är oändligt stora. Emellertid förverkligas inte alla teoretiskt möjliga varianter av aminosyrasekvenser i naturen.
Det första proteinet vars primära struktur har dechiffrerats är bovint insulin. Dess molekyl består av två polypeptidkedjor, varav en innehåller 21 och de andra 30 aminosyraresterna. Kedjorna är sammankopplade med två disulfidbindningar. En annan disulfidbindning är belägen inom den korta kedjan. Sekvensen för arrangemanget av aminosyrarester i insulinmolekylen fastställdes av den engelska biokemisten F. Sanger 1953.
Således bekräftade F. Sanger polypeptidteorin om proteinmolekylens E. Fishers struktur och visade att proteiner är kemiska föreningar med en viss struktur som kan avbildas med kemisk formel... Vid det här laget har de primära strukturerna för flera tusen proteiner dechiffrerats.
Varje proteins kemiska natur är unik och nära besläktad med dess biologiska funktion. Ett proteins förmåga att utföra sin inneboende funktion bestäms av dess primära struktur. Även små förändringar i sekvensen av aminosyror i ett protein kan leda till en allvarlig störning i dess funktion, uppkomsten av en allvarlig sjukdom.
Sjukdomar i samband med kränkningar av proteinets primära struktur kallas molekylära. Hittills har flera tusen sådana sjukdomar upptäckts.
En av de molekylära sjukdomarna är sicklecellanemi, vars orsak ligger i kränkningen av hemoglobins primära struktur. Hos personer med medfödd anomali i strukturen av hemoglobin i polypeptidkedjan, bestående av 146 aminosyrarester, ligger valin i sjätte positionen, medan hos friska människor finns glutaminsyra på denna plats. Onormalt hemoglobin transporterar syre sämre, och erytrocyterna i patienternas blod är sicklformade. Sjukdomen manifesterar sig i en avmattning i utvecklingen, allmän svaghet i kroppen.
Den primära strukturen för ett protein ges genetiskt. Detta gör det möjligt för organismer av en art att upprätthålla en konstant uppsättning proteiner. Men i olika arter av levande organismer är proteiner som utför samma funktion inte identiska i sin primära struktur - i vissa delar av polypeptidkedjan kan de ha olika aminosyrasekvenser. Dessa proteiner kallas homolog(Grekisk "homologi" - överenskommelse).
Studier av proteinmolekylernas konformation har visat att polypeptidkedjor inte sträcker sig strikt linjärt, utan viks på ett visst sätt i rymden och bildar en sekundär struktur.
Den sekundära strukturen hos ett protein är en kombination av ordnade och amorfa regioner i polypeptidkedjan.
Den amerikanska biokemisten L. Pauling studerade kristallstrukturerna av föreningar som innehåller amidgrupper och fann att peptidbindningens längd är nära längden på dubbelbindningen och är 0,1325 nm. Därför är fri rotation av kol- och kväveatomer runt peptidbindningen svår.
Dessutom är atomerna i peptidgrupperna och a-kolatomerna belägna i polypeptidkedjan ungefär i samma plan. I detta avseende kan vändningarna i polypeptidkedjan endast utföras längs bindningar intill kolatomer.
På grund av rotationen av peptidgrupper runt a-kolatomer, som fastställts av L. Pauling och R. Corey i början av 50-talet av förra seklet, viker sig polypeptidkedjan till en α-helix och stabiliseras på grund av bildandet av max. möjligt antal vätebindningar.
Under bildandet av en proteinmolekyls sekundära struktur uppstår vätebindningar mellan atomerna i peptidgrupperna som ligger vid intilliggande varv av a-helixen motsatta varandra. En väteatom kovalent bunden till en kväveatom har en viss positiv laddning. En syreatom som är dubbelbunden till en kolatom har någon negativ laddning. Väteatomen, mittemot syreatomen, binder till den med en vätebindning. Vätebindningen är svag. På grund av bildandet av ett stort antal av dessa bindningar säkerställs emellertid bevarandet av en strikt ordnad struktur.
Vätebindningar är alltid riktade parallellt med den imaginära axeln för a-helixen, och aminosyraradikaler utåt från dess svängar. Peptidgrupper är förbundna med varandra genom vätebindningar huvudsakligen genom fyra aminosyrarester, eftersom det är deras O-C- och H-N-grupper som visar sig vara rumsligt nära.
A-Helix är högerhänt. Om du tittar på det från slutet, från N-änden, så sker vridningen av polypeptidkedjan medurs. Parametrarna för a-helixen bestäms. Avståndet mellan intilliggande varv (helix pitch) är ∅54 nm, och spiralens innerdiameter är 1,01 nm. En hel vändning av spiralen inkluderar 3,6 aminosyrarester. En fullständig upprepning av a-helixens struktur sker var femte varv, inklusive 18 aminosyrarester. Detta segment av a-helixen kallas identitetsperioden och är 2,7 nm långt.
Polypeptidkedjor fälls inte in i en a-helix längs hela sin längd. Andelen lindade regioner i en proteinmolekyl kallas graden av spiralisering... Proteiner skiljer sig markant åt i spiraliseringsgraden, till exempel: för blodhemoglobin är det mycket högt - 75%, för insulin är det också ganska högt - 60%, för kycklingäggalbumin är det mycket lägre - 45%och för kymotrypsinogen ( en inaktiv föregångare till matsmältningsenzymen) den är extremt låg - endast 11%.
Skillnader i graden av proteinspiralisering är associerade med ett antal faktorer som stör den regelbundna bildningen av vätebindningar mellan peptidgrupper. I synnerhet leder bildandet av disulfidbindningar av cysteinrester som förbinder olika delar av en eller flera polypeptidkedjor till en kränkning av spiraliseringen. I området nära iminosyraresten av prolin, runt a-kolatomen vars rotation av närliggande atomer är omöjlig, bildas en böjning i polypeptidkedjan.
Ett antal proteinogena aminosyror har sådana radikaler som inte tillåter dem att delta i bildandet av a-helixen. Dessa aminosyror bildar parallella veck som är vätebundna till varandra. Denna typ av regelbunden sektion av polypeptidkedjan kallas strukturen hos det vikta skiktet, eller β-strukturen.
Till skillnad från a-helixen, som har en stavform, har β-strukturen formen av ett vikt ark. Det stabiliseras genom vätebindningar mellan peptidgrupper som ligger på intilliggande segment av polypeptidkedjan. Dessa segment kan riktas antingen i en riktning - då bildas en parallell β -struktur eller i motsatta riktningar - i detta fall uppstår en antiparallell β -struktur.
Peptidgrupperna i β-strukturen är belägna i veckens plan och aminosyrornas sidoradikaler är placerade ovanför och under planen. Avståndet mellan angränsande regioner i polypeptidkedjan i strukturen hos det vikta lagret är 0,272 nm, vilket motsvarar längden av vätebindningen mellan -CO- och -NH- grupperna. Själva vätebindningarna ligger vinkelrätt mot riktningen för strukturen hos det vikta lagret. Innehållet i β-strukturen i olika proteiner varierar mycket.
Vissa delar av polypeptidkedjorna har ingen ordnad struktur och är störda trassel. Sådana platser kallas amorf(Grekiska "amorphos" - formlös). Men i varje protein har amorfa regioner sin egen fasta konformation. I detta fall kan amorfa spolar relativt enkelt förändra deras konformation, till skillnad från relativt styva sektioner - α -helixer och β -strukturer.
Proteiner varierar i innehåll olika typer sekundär struktur. Till exempel finns endast a-helixer i hemoglobins struktur. Många enzymer innehåller olika kombinationer av både a-helixer och β-strukturer; bland immunglobuliner finns proteiner med endast β-struktur. Slutligen finns det också proteiner där ordnade regioner finns i obetydliga mängder, och de flesta av polypeptidkedjan har en amorf struktur.
Polypeptidkedjor med en bildad sekundär struktur ligger på ett visst sätt i rymden, vilket skapar en annan nivå av proteinmolekylens strukturella organisation - den tertiära strukturen.
Den tertiära strukturen hos ett protein bildas som ett resultat av en specifik vikning av ordnade och amorfa regioner i polypeptidkedjan i en viss volym. Det stöds av starka och svaga interaktioner mellan aminosyraresternas sidradikaler. Starka interaktioner inkluderar en disulfidbindning, och svaga interaktioner inkluderar väte och jonbindningar, liksom hydrofoba interaktioner.
En disulfidbindning bildas genom växelverkan mellan två radikaler med nära avstånd mellan cysteinrester innehållande fria sulfhydrylgrupper.
Disulfidbryggor kan sammankoppla inte bara separata regioner inom en polypeptidkedja, utan också (i bildandet av en kvaternär proteinstruktur) olika polypeptidkedjor.
En vätebindning kan uppstå mellan sidoradikaler av aminosyrarester innehållande OH -grupper, till exempel mellan två serinrester.
Förutom radikaler av serinrester kan vätebindningar på liknande sätt bilda radikaler av treonin- och tyrosinrester.
Bildandet av en tertiär struktur av en proteinmolekyl involverar också många vätebindningar som uppstår mellan sidoradikaler, till exempel: tyrosin och glutaminsyra, asparagin och serin, lysin och glutamin, etc.
Joniska bindningar uppstår när negativt laddade radikaler av sura aminosyrarester - asparagiska eller glutamiska - kommer tillsammans med positivt laddade radikaler av basiska aminosyrarester - lysin, arginin eller histidin. Jonisk bindning mellan radikaler av asparaginsyra och lysinrester.
Hydrofoba interaktioner uppstår i vatten på grund av attraktion av icke-polära radikaler av aminosyrarester till varandra. Aminosyror med opolära radikaler inkluderar till exempel alanin, valin, leucin, isoleucin, fenylalanin, metionin. Hydrofob interaktion mellan sidaradikaler av valin och alaninrester.
För att undvika kontakt med vatten tenderar icke-polära radikaler av aminosyrarester att klumpa ihop inuti proteinmolekylen. Proteinet viks till en kompakt kropp - en kula (latin "globulus" - en boll). En hydrofob kärna bildas inuti klotet, och utanför den finns polära radikaler av aminosyrarester som interagerar med vatten. Till exempel besitter sura och basiska aminosyror, serin, treonin, tyrosin, asparagin, glutamin polära radikaler.
Således är varje proteinglobul omgiven av ett hydratiseringsskal, representerat av den så kallade "vattenbeläggningen", som också inkluderar strukturerade vattenmolekyler som kan hålla upp till hälften av de hydrofoba radikaler som finns i polypeptidkedjan på globulans yta. Detta beror på proteinets löslighet.
På grund av mängden interradiska interaktioner är enskilda delar av proteinmolekylen rumsligt nära och fixerade i förhållande till varandra. Under bildandet av proteinets tertiära struktur bildas dess aktiva centrum. Som ett resultat får proteinet förmågan att utföra sin biologiska funktion.
Det första proteinet vars tertiära struktur har fastställts är myoglobin.
Tertiära globuler kan interagera med varandra så att en enda molekyl dyker upp. Sådana kulor kallas subenheter, och deras kombination kallas den kvartära strukturen hos en proteinmolekyl.
Den kvartära strukturen hos ett protein kan byggas från ett annat antal underenheter som hålls samman, främst genom svaga interaktioner. Det är inneboende i många proteiner.
Subenheterna, som vanligtvis är åtskilda i förhållande till varandra, bildar ett oligomert (multimeriskt) komplex. Proteinernas förmåga att bilda sådana strukturer gör det möjligt att kombinera flera aktiva centra och sammanhängande funktioner till en enda helhet, vilket är mycket viktigt för att säkerställa förloppet av komplexa metaboliska processer i cellen.
Kvaternära strukturer av proteiner kan byggas från 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24 och fler underenheter och sällan från ett udda tal. Exempelvis bildas hemoglobins kvartära struktur av fyra parvis identiska subenheter.
Den kvartära strukturen hos en proteinmolekyl är lika unik som dess andra strukturer. I detta fall bestäms hela den tredimensionella packningen av polypeptidkedjan i rymden av dess primära struktur. Den specifika rumsliga struktur (konformation) i vilken proteinmolekyler har biologisk aktivitet kallas nativioi(lat. nativus - medfödd).
Typer av bindningar mellan aminosyror i en proteinmolekyl
1. Kovalenta bindningar är de vanliga starka kemiska bindningarna.
a) peptidbindning
b) disulfidbindning
2. Icke -kovalenta (svaga) bindningstyper - fysiska och kemiska interaktioner mellan besläktade strukturer. Det är tiotals gånger svagare än den vanliga kemiska bindningen. De är mycket känsliga för de fysiska och kemiska förhållandena i miljön. De är ospecifika, det vill säga att inte strikt definierade kemiska grupper är kopplade till varandra, utan en mängd olika kemiska grupper, men som uppfyller vissa krav.
a) Vätebindning
b) Jonisk bindning
c) Hydrofob interaktion
PEPTIDE OBOND.
Bildas av COOH -gruppen i en aminosyra och NH2 -gruppen i den angränsande aminosyran. I peptidens namn ändras namnen på alla aminosyror, förutom den sista som ligger vid "C" -änden av molekylen, till "silt"
Tetrapeptid: valyl-asparagyl-lysyl-serin
 |
Peptidbindningen bildas endast på grund av alfa-aminogruppen och den närliggande kooh-gruppen i ett fragment av molekylen som är gemensam för alla aminosyror! Om karboxyl- och aminogrupper är en del av radikalen, då gör de det aldrig deltar inte i bildandet av en peptidbindning i en proteinmolekyl.
Vilket protein som helst är en lång ogrenad polypeptidkedja som innehåller tiotals, hundratals och ibland mer än tusen aminosyrarester. Men oavsett hur lång polypeptidkedjan är är den alltid baserad på molekylens kärna, som är absolut densamma för alla proteiner. Varje polypeptidkedja har en N-terminal vid vilken det finns en fri terminal aminogrupp och en C-terminal bildad av en terminal fri karboxylgrupp. Aminosyraradikaler sitter som sidogrenar på denna stav. Ett protein skiljer sig från ett annat med antalet, förhållandet och alterneringen av dessa radikaler. Själva peptidbindningen är delvis dubbel på grund av laktim-laktam-tautomerism. Därför är rotation om den omöjlig, och den är själv en och en halv gånger starkare i styrka än den vanliga kovalenta bindningen. Figuren visar att av varje tre kovalenta bindningar i staven i en peptid eller proteinmolekyl är två enkla och möjliggör rotation, så stången (hela polypeptidkedjan) kan böja sig i rymden.
Även om peptidbindningen är ganska stark, kan den relativt enkelt förstöras med kemiska medel - genom att koka proteinet i en stark lösning av syra eller alkali i 1-3 dagar.
Förutom peptidbindningar inkluderar kovalenta bindningar i en proteinmolekyl också disulfidbindning .
Cystein är en aminosyra som har en SH-grupp i radikalen, på grund av vilken disulfidbindningar bildas.
 |
En disulfidbindning är en kovalent bindning. Men biologiskt är det mycket mindre stabilt än peptidbindningen. Detta beror på att redoxprocesser sker intensivt i kroppen. En disulfidbindning kan uppstå mellan olika delar av samma polypeptidkedja, då håller den denna kedja i ett böjt tillstånd. Om en disulfidbindning uppstår mellan två polypeptider kombinerar den dem till en molekyl.
Svaga slipsarDet är tiotals gånger svagare än kovalenta bindningar. Dessa är inte specifika typer av bindningar, utan ospecifika interaktioner som uppstår mellan olika kemiska grupper som har en hög affinitet för varandra (affinitet är förmågan att interagera). Till exempel: motsatt laddade radikaler.
Således är svaga bindningstyper fysikalisk -kemiska interaktioner. Därför är de mycket känsliga för förändringar i miljöförhållanden (temperatur, mediumets pH, lösningens jonstyrka och så vidare).
Vätebindning - Detta är en bindning som uppstår mellan två elektronegativa atomer på grund av väteatomen, som är kovalent ansluten till en av de elektronegativa atomerna (se figur).
 |
Vätebindningen är cirka 10 gånger svagare än den kovalenta bindningen. Om vätebindningar upprepas många gånger, håller de polypeptidkedjorna med hög hållfasthet. Vätebindningar är mycket känsliga för miljöförhållanden och förekomsten av ämnen i den som själva kan bilda sådana bindningar (till exempel urea).
Jonisk bindning - förekommer mellan positivt och negativt laddade grupper (ytterligare karboxyl- och aminogrupper), som finns i radikalerna av lysin, arginin, histidin, asparaginsyra och glutaminsyror.
 |
Hydrofob interaktion - ospecifik attraktion som inträffar i proteinmolekylen mellan radikalerna av hydrofoba aminosyror - orsakas av van der Waals krafter och kompletteras med vattnets flytkraft. Den hydrofoba interaktionen försvagas eller bryts i närvaro av olika organiska lösningsmedel och vissa tvättmedel. Till exempel beror några av konsekvenserna av etylalkoholens verkan när den tränger in i kroppen på det faktum att hydrofoba interaktioner i proteinmolekyler försvagas under dess inflytande.
Rumslig organisation av en proteinmolekyl
Varje protein är baserat på en polypeptidkedja. Det är inte bara utsträckt i rymden, utan organiserat i en tredimensionell struktur. Därför finns det ett koncept om 4 nivåer av den proteinets rumsliga organisation, nämligen de primära, sekundära, tertiära och kvartära strukturerna hos proteinmolekyler.
PRIMÄR STRUKTURPrimär proteinstruktur- en sekvens av aminosyrafragment, tätt (och under hela perioden av proteinets existens) anslutna med peptidbindningar. Det finns en halveringstid för proteinmolekyler - för de flesta proteiner cirka 2 veckor. Om minst en peptidbindning bryts bildas ett annat protein.
SEKONDÄR STRUKTURSekundär strukturär den rumsliga organisationen av kärnan i polypeptidkedjan. Det finns tre huvudtyper av sekundär struktur:
1) Alfa -spiral - har vissa egenskaper: bredd, avstånd mellan två varv i spiralen. Proteiner kännetecknas av en högerhänt helix. Denna spiral har 36 aminosyrarester per 10 varv. Alla peptider som läggs i en sådan spiral har exakt samma helix. Alfa-helixen fixeras med hjälp av vätebindningar mellan NH-grupperna i ett varv av spiralen och C = O-grupperna i den närliggande svängen. Dessa vätebindningar är parallella med spiralaxeln och upprepas många gånger, därför håller de fast spiralstrukturen. Dessutom hålls de i ett något spänt tillstånd (som en komprimerad fjäder).
Beta vikstruktur - eller strukturen på ett vikt ark. Det fixeras också med vätebindningar mellan C = O- och NH-grupper. Fixar två sektioner av polypeptidkedjan. Dessa kretsar kan vara parallella eller antiparallella. Om sådana bindningar bildas inom samma peptid är de alltid antiparallella, och om de är mellan olika polypeptider är de parallella.
3) Oregelbunden struktur - en typ av sekundär struktur, där placeringen av olika delar av polypeptidkedjan relativt varandra inte har en regelbunden (konstant) karaktär, därför kan oregelbundna strukturer ha olika konformation.
TERTIÄR STRUKTURDetta är en tredimensionell arkitektur av polypeptidkedjan - ett speciellt ömsesidigt arrangemang i rymden av spiralformade, vikta och oregelbundna sektioner av polypeptidkedjan. Olika proteiner har olika tertiära strukturer. Disulfidbindningar och alla typer av svaga bindningar är inblandade i bildandet av den tertiära strukturen.
Det finns två allmänna typer av tertiär struktur:
1) I fibrillära proteiner (till exempel kollagen, elastin) vars molekyler är långsträckta och vanligtvis bildar fibrösa vävnadsstrukturer representeras den tertiära strukturen antingen av en trippel alfa-helix (till exempel i kollagen) eller betaviktade strukturer.
2) I globulära proteiner, vars molekyler är i form av en boll eller ellips ( Latinskt namn: GLOBULA-boll), det finns en kombination av alla tre typer av strukturer: det finns alltid oregelbundna områden, det finns betaviktade strukturer och alfa-spiraler.
Vanligtvis, i globulära proteiner, ligger de hydrofoba regionerna i molekylen djupt i molekylen. I anslutning till varandra bildar hydrofoba radikaler hydrofoba kluster (centra). Bildandet av ett hydrofobt kluster tvingar molekylen att böja på lämpligt sätt i rymden. Vanligtvis innehåller en globulär proteinmolekyl flera hydrofoba kluster djupt inne i molekylen. Detta är en manifestation av dualiteten hos proteinmolekylens egenskaper: på molekylens yta finns hydrofila grupper, därför är molekylen som helhet hydrofil och hydrofoba radikaler är dolda i molekylens djup.
KVATERNÄR STRUKTURDet finns inte i alla proteiner, utan bara i de som består av två eller flera polypeptidkedjor. Varje sådan kedja kallas en subenhet av en given molekyl (eller protomer). Därför kallas proteiner med en kvaternär struktur oligomera proteiner. Proteinmolekylen kan innehålla samma eller olika subenheter. Hemoglobin "A" -molekylen består till exempel av två subenheter av en typ och två subenheter av en annan typ, det vill säga det är en tetramer. Kvaternära strukturer av proteiner fixeras av alla typer av svaga bindningar, och ibland även av disulfidbindningar.
PROTEINMOLEKYLKONFIGURATION OCH KONFORMATIONAv allt som sagts kan vi dra slutsatsen att den rumsliga organisationen av proteiner är mycket komplex. Inom kemi finns det ett koncept - rumslig konfiguration - det rumsliga ömsesidiga arrangemanget av delar av en molekyl som är fast fixerade av kovalenta bindningar (till exempel: tillhörande L -serien av stereoisomerer eller till D -serien).
För proteiner används också konceptet om konformation av en proteinmolekyl - ett bestämt, men inte fryst, inte oförändrat ömsesidigt arrangemang av molekylens delar. Eftersom konformationen av en proteinmolekyl bildas med deltagande av svaga typer av bindningar, är den mobil (kan förändras), och proteinet kan ändra dess struktur. Beroende på förhållandena i den yttre miljön kan molekylen existera i olika konformationella tillstånd, som lätt passerar in i varandra. Endast ett eller flera konformationella tillstånd, mellan vilka det finns en jämvikt, är energiskt gynnsamma för verkliga förhållanden. Övergångar från ett konformationstillstånd till ett annat säkerställer proteinmolekylens funktion. Dessa är reversibla konformationsförändringar (de förekommer i kroppen, till exempel under ledning av en nervimpuls, under överföring av syre med hemoglobin). När konformationen ändras förstörs några av de svaga bindningarna och nya svaga bindningar bildas.
LIGANDERInteraktionen mellan ett protein och någon substans leder ibland till bindningen av en molekyl av detta ämne till en proteinmolekyl. Detta fenomen är känt som "sorption" (bindning). Den omvända processen - frisättningen av en annan molekyl från proteinet en - kallas "desorption".
Om sorptionsprocessen för något par molekyler råder över desorption, så är detta redan specifik sorption, och ämnet som sorberas kallas en "ligand".
Typer av ligander:
1) Protein -enzymligand - substrat.
2) Transportproteinligand - transporterat ämne.
3) Antikropp (immunglobulin) ligand - antigen.
4) Hormonreceptor eller neurotransmittor ligand - hormon eller neurotransmittor.
Ett protein kan ändra dess konformation inte bara när det interagerar med en ligand, utan också som ett resultat av någon kemisk interaktion. Ett exempel på en sådan interaktion är tillsatsen av en fosforsyrarest.
Under naturliga förhållanden har proteiner flera termodynamiskt gynnsamma konformationstillstånd. Dessa är naturliga stater (naturliga). Natura (lat.) - natur.
PROTEIN MOLECULE NATIVITYNativitet är ett unikt komplex av fysiska, fysikalisk -kemiska, kemiska och biologiska egenskaper hos en proteinmolekyl, som tillhör den när proteinmolekylen är i sitt naturliga, naturliga (naturliga) tillstånd.
Till exempel: det vita i ögonlinsen - kristallin - har hög transparens endast i ursprungsstaten).
PROTEINDENATURATIONTermen denaturering används för att hänvisa till processen genom vilken de nativa egenskaperna hos ett protein går förlorade.
Denaturering är fråntagandet av ett protein av dess naturliga, naturliga egenskaper, åtföljt av förstörelsen av den kvartära (om någon), tertiära och ibland den sekundära strukturen hos proteinmolekylen, som uppstår när disulfiden och svaga typer av bindningar som är involverade i bildandet av dessa strukturer förstörs. Samtidigt bevaras den primära strukturen, eftersom den bildas av starka kovalenta bindningar. Förstörelsen av den primära strukturen kan endast ske som ett resultat av hydrolys av proteinmolekylen genom långvarig kokning i en syra- eller alkalilösning.
FAKTORER SOM ORSAKAR PROTEINDENATURATIONDe faktorer som orsakar proteindenaturering kan delas in i fysikaliska och kemiska.
Fysiska faktorer
1. Höga temperaturer. Olika proteiner har olika värmekänslighet. Några av proteinerna denatureras redan vid 40-50 ° C. Sådana proteiner kallas termolabilt... Andra proteiner denaturerar vid mycket högre temperaturer och är termostabil.
2. Ultraviolett bestrålning
3. Röntgen och radioaktiv bestrålning
4. Ultraljud
5. Mekanisk påverkan (t.ex. vibrationer).
Kemiska faktorer
1. Koncentrerade syror och alkalier. Till exempel triklorättiksyra (organisk), salpetersyra (oorganisk).
2. Salter av tungmetaller (till exempel CuSO 4).
3. Organiska lösningsmedel ( etanol, aceton)
4. Plantera alkaloider.
5. Urea i höga koncentrationer
 |
5. Andra ämnen som kan bryta svaga typer av bindningar i proteinmolekyler.
Exponering för denatureringsfaktorer används för att sterilisera utrustning och instrument samt antiseptika.
Reversibilitet av denatureringI ett provrör (in vitro) är detta oftast en irreversibel process. Om det denaturerade proteinet placeras under förhållanden nära nativt, kan det renaturera, men mycket långsamt, och detta fenomen är inte typiskt för alla proteiner.
In vivo, i kroppen, är snabb renaturering möjlig. Detta beror på produktionen av specifika proteiner i en levande organism, som "känner igen" det denaturerade proteinets struktur, fäster vid det med hjälp av svaga typer av bindningar och skapar optimala förutsättningar för renaturering. Sådana specifika proteiner är kända som "värmechockproteiner" eller "stressproteiner".
StressproteinerDet finns flera familjer av dessa proteiner, de skiljer sig åt i molekylvikt.
Till exempel är hsp 70, ett värmechockprotein med en massa på 70 kDa, känt.
Dessa proteiner finns i alla celler i kroppen. De utför också funktionen att transportera polypeptidkedjor över biologiska membran och är involverade i bildandet av tertiära och kvartära strukturer av proteinmolekyler. De listade funktionerna för stressproteiner kallas chaperonic. Under olika typer av stress induceras syntesen av sådana proteiner: när kroppen överhettas (40-44 ° C), med virussjukdomar, förgiftning med tungmetallsalter, etanol, etc.
I södra folks organism har ett ökat innehåll av stressproteiner fastställts, jämfört med den norra rasen.
Värmechockproteinmolekylen består av två kompakta globuler anslutna med en fri kedja:
Olika värmechockproteiner har en gemensam konstruktionsplan. De innehåller alla kontaktdomäner.
Olika proteiner med olika funktioner kan innehålla samma domäner. Till exempel har olika kalciumbindande proteiner samma domän för dem alla, vilket är ansvarigt för bindning av Ca +2.
Domänstrukturens roll är att det ger proteinet stora möjligheter att utföra sin funktion på grund av rörelsen av en domän i förhållande till en annan. Korsningarna mellan de två domänerna är den strukturellt svagaste platsen i molekylen av sådana proteiner. Det är här som hydrolys av bindningar oftast sker och proteinet förstörs.
Protein- organiska föreningar med hög molekylvikt bestående av a-aminosyrarester.
V proteinsammansättning inkluderar kol, väte, kväve, syre, svavel. Vissa proteiner bildar komplex med andra molekyler som innehåller fosfor, järn, zink och koppar.
Proteiner har en hög molekylvikt: äggalbumin - 36 000, hemoglobin - 152 000, myosin - 500 000. För jämförelse: alkoholens molekylvikt är 46, ättiksyra är 60, bensen är 78.
Aminosyrasammansättning av proteiner
Protein- icke-satsvisa polymerer, vars monomerer är a-aminosyror... Vanligtvis benämns 20 typer av a-aminosyror som proteinmonomerer, även om mer än 170 av dem har hittats i celler och vävnader.
Beroende på om aminosyror kan syntetiseras i människokroppen och andra djur, skiljer man mellan: icke -essentiella aminosyror- kan syntetiseras; essentiella aminosyror- kan inte syntetiseras. Essentiella aminosyror måste intas med mat. Växter syntetiserar alla slags aminosyror.
Beroende på aminosyrasammansättningen, proteiner är: fullständiga- innehåller hela uppsättningen aminosyror; sämre- vissa aminosyror saknas i deras sammansättning. Om proteiner endast består av aminosyror kallas de enkel... Om proteiner förutom aminosyror innehåller en icke-aminosyrakomponent (protesgrupp), kallas de komplex... Den protetiska gruppen kan representeras av metaller (metalloproteiner), kolhydrater (glykoproteiner), lipider (lipoproteiner), nukleinsyror (nukleoproteiner).
Allt aminosyror innehåller: 1) en karboxylgrupp (-COOH), 2) en aminogrupp (-NH2), 3) en radikal eller en R-grupp (resten av molekylen). Radikalens struktur är olika för olika typer av aminosyror. Beroende på antalet aminogrupper och karboxylgrupper som utgör aminosyror finns det: neutrala aminosyror med en karboxylgrupp och en aminogrupp; essentiella aminosyror som har mer än en aminogrupp; sura aminosyror som har mer än en karboxylgrupp.
Aminosyror är amfotera föreningar eftersom de i lösning kan fungera både som syror och baser. V vattenlösningar aminosyror finns i olika joniska former.
Peptidbindning
Peptider- organiska ämnen som består av aminosyrarester kopplade med en peptidbindning.
Bildningen av peptider sker som ett resultat av kondensationsreaktionen av aminosyror. När aminogruppen i en aminosyra interagerar med den andra karboxylgruppen uppstår en kovalent kväve-kolbindning mellan dem, som kallas peptid... Beroende på antalet aminosyrarester som utgör peptiden skiljer man mellan dipeptider, tripeptider, tetrapeptider etc. Bildningen av en peptidbindning kan upprepas många gånger. Detta leder till utbildning polypeptider... I ena änden av peptiden finns en fri aminogrupp (kallad N-änden), och i den andra änden finns en fri karboxylgrupp (kallad C-änden).
Rumslig organisation av proteinmolekyler
Utförandet av vissa specifika funktioner av proteiner beror på deras molekylers rumsliga konfiguration; dessutom är det energiskt ofördelaktigt för cellen att hålla proteiner i en veckad form, i form av en kedja, därför viks polypeptidkedjor och förvärvar en viss tredimensionell struktur eller konformation. Tilldela 4 nivåer rumslig organisation av proteiner.
Primär proteinstruktur- sekvensen för arrangemanget av aminosyrarester i polypeptidkedjan som utgör proteinmolekylen. Kopplingen mellan aminosyror är peptid.
Om en proteinmolekyl endast består av 10 aminosyrarester är antalet teoretiskt möjliga varianter av proteinmolekyler 10 som skiljer sig åt i aminosyrornas ordning. Med 20 aminosyror kan du skapa ännu fler olika kombinationer av dem. I människokroppen har cirka tiotusen olika proteiner hittats, som skiljer sig både från varandra och från proteiner från andra organismer.
Det är den primära strukturen hos en proteinmolekyl som bestämmer egenskaperna hos proteinmolekyler och dess rumsliga konfiguration. Substitution av bara en aminosyra mot en annan i polypeptidkedjan leder till en förändring av proteinets egenskaper och funktioner. Till exempel leder ersättningen av den sjätte glutaminsyra med valin i β -subenheten av hemoglobin till att hemoglobinmolekylen som helhet inte kan utföra sin huvudfunktion - syretransport; i sådana fall utvecklar en person en sjukdom - sicklecellanemi.
Sekundär struktur- beordrad vikning av polypeptidkedjan till en spiral (ser ut som en förlängd fjäder). Helixens varv stärks av vätebindningar som uppstår mellan karboxylgrupper och aminogrupper. Nästan alla CO- och NH -grupper är involverade i bildandet av vätebindningar. De är svagare än sådana peptider, men, upprepas många gånger, ger denna konfiguration stabilitet och styvhet. På den sekundära strukturens nivå finns proteiner: fibroin (siden, spindelnät), keratin (hår, naglar), kollagen (senor).
Tertiär struktur- vikning av polypeptidkedjor till globuler, till följd av framväxten av kemiska bindningar (väte, jon, disulfid) och upprättandet av hydrofoba interaktioner mellan radikaler av aminosyrarester. Huvudrollen vid bildandet av den tertiära strukturen spelas av hydrofila-hydrofoba interaktioner. I vattenhaltiga lösningar tenderar hydrofoba radikaler att gömma sig från vatten, grupperas inuti en klot, medan hydrofila radikaler, som ett resultat av hydrering (interaktion med vattendipoler), tenderar att ligga på molekylens yta. I vissa proteiner stabiliseras den tertiära strukturen genom disulfidkovalenta bindningar mellan svavelatomerna i två cysteinrester. På nivån för den tertiära strukturen finns det enzymer, antikroppar och vissa hormoner.
Kvartär struktur karakteristiska för komplexa proteiner, vars molekyler bildas av två eller flera globuler. Subenheter hålls i molekylen genom joniska, hydrofoba och elektrostatiska interaktioner. Ibland, under bildandet av en kvaternär struktur, uppstår disulfidbindningar mellan subenheterna. Det mest studerade proteinet med en kvartär struktur är hemoglobin... Den bildas av två a-subenheter (141 aminosyrarester) och två β-subenheter (146 aminosyrarester). Till varje subenhet associeras en hemmolekyl som innehåller järn.
Om den rumsliga konformationen av proteiner av någon anledning avviker från det normala, kan proteinet inte utföra sina funktioner. Till exempel orsakas galna ko -sjukdomen (spongiform encefalopati) av onormal konformation av prioner, nervcellernas ytproteiner.
Proteinegenskaper
Aminosyrasammansättningen, proteinmolekylens struktur bestämmer den egenskaper... Proteiner kombinerar basiska och sura egenskaper, bestämda av aminosyraradikaler: ju surare aminosyror i ett protein, desto mer uttalade dess sura egenskaper. Möjligheten att ge och fästa H + bestäms av buffrande egenskaper hos proteiner; en av de mest kraftfulla buffertarna är hemoglobin i erytrocyter, som håller blodets pH på en konstant nivå. Det finns lösliga proteiner (fibrinogen), det finns olösliga proteiner som utför mekaniska funktioner (fibroin, keratin, kollagen). Det finns kemiskt aktiva proteiner (enzymer), det är kemiskt inaktivt, resistent mot olika miljöförhållanden och extremt instabilt.
Yttre faktorer (värme, ultraviolett strålning, tungmetaller och deras salter, pH -förändringar, strålning, uttorkning)
kan orsaka störningar i proteinmolekylens strukturella organisation. Processen för förlust av den tredimensionella konformationen som är inneboende i en given proteinmolekyl kallas denaturering... Denaturering orsakas av brytning av bindningar som stabiliserar en viss proteinstruktur. Inledningsvis bryts de svagaste banden, och med tuffare förhållanden, de starkare. Därför försvinner först det kvartära, sedan de tertiära och sekundära strukturerna. En förändring i den rumsliga konfigurationen leder till en förändring i proteinets egenskaper och gör det följaktligen omöjligt för proteinet att utföra sina biologiska funktioner. Om denaturering inte åtföljs av förstörelsen av den primära strukturen, så kan det vara så reversibel, i detta fall sker självrestaurering av den konformation som finns i proteinet. Till exempel genomgår membranreceptorproteiner sådan denaturering. Processen för att återställa proteinstrukturen efter denaturering kallas renaturering... Om det inte är möjligt att återställa den rumsliga konfigurationen av proteinet, kallas denaturering irreversibel.
Protein funktioner
| Fungera | Exempel och förklaringar |
|---|---|
| Konstruktion | Proteiner är involverade i bildandet av cellulära och extracellulära strukturer: de är en del av cellmembranen (lipoproteiner, glykoproteiner), hår (keratin), senor (kollagen) etc. |
| Transport | Blodproteinhemoglobin fäster syre och transporterar det från lungorna till alla vävnader och organ, och från dem överför koldioxid till lungorna; sammansättningen av cellmembran inkluderar speciella proteiner som ger aktiv och strikt selektiv överföring av vissa ämnen och joner från cellen till den yttre miljön och vice versa. |
| Reglerande | Proteinhormoner är involverade i regleringen av metaboliska processer. Till exempel reglerar hormonet insulin blodsockernivån, främjar syntesen av glykogen och ökar bildandet av fetter från kolhydrater. |
| Skyddande | Som svar på att främmande proteiner eller mikroorganismer (antigener) tränger in i kroppen bildas speciella proteiner - antikroppar som kan binda och neutralisera dem. Fibrin, bildat av fibrinogen, hjälper till att stoppa blödning. |
| Motor | De kontraktila proteinerna aktin och myosin ger muskelsammandragning hos flercelliga djur. |
| Signal | Proteinmolekyler är inbyggda i cellens ytmembran, som har förmåga att ändra sin tertiära struktur som svar på miljöfaktors verkan och därmed utföra mottagning av signaler från den yttre miljön och överföring av kommandon till cellen. |
| Förvaring | I djurens kropp lagras proteiner som regel inte, med undantag av äggalbumin, mjölkkasein. Men tack vare proteiner i kroppen kan vissa ämnen lagras i reserv, till exempel under nedbrytning av hemoglobin utsöndras inte järn från kroppen, utan lagras och bildar ett komplex med proteinet ferritin. |
| Energi | När 1 g protein bryts ner till slutprodukter frigörs 17,6 kJ. Proteiner bryts först ner till aminosyror och sedan till slutprodukterna - vatten, koldioxid och ammoniak. Som energikälla används proteiner dock endast när andra källor (kolhydrater och fetter) är förbrukade. |
| Katalytisk | En av de viktigaste funktionerna hos proteiner. Försedd med proteiner - enzymer som påskyndar biokemiska reaktioner i celler. Till exempel katalyserar ribulosabifosfatkarboxylas C02 -fixering under fotosyntesen. |
Enzymer
Enzymer, eller enzymer, Är en särskild klass av proteiner som är biologiska katalysatorer. Tack vare enzymer fortsätter biokemiska reaktioner med en enorm hastighet. Hastigheten av enzymatiska reaktioner är tiotusentals gånger (och ibland miljoner) högre än reaktionshastigheten som involverar oorganiska katalysatorer. Det ämne som enzymet verkar på kallas substrat.
Enzymer - globulära proteiner strukturella egenskaper enzymer kan delas in i två grupper: enkla och komplexa. Enkla enzymerär enkla proteiner, d.v.s. består endast av aminosyror. Komplexa enzymerär komplexa proteiner, d.v.s. förutom proteindelen innehåller de en grupp av icke -proteinkaraktär - kofaktor... För vissa enzymer fungerar vitaminer som kofaktorer. I enzymmolekylen frigörs en speciell del, kallad det aktiva centrumet. Aktivt centrum- en liten del av enzymet (från tre till tolv aminosyrarester), där substratet eller substraten binder för att bilda ett enzym-substratkomplex. Efter avslutad reaktion sönderdelas enzym-substratkomplexet till ett enzym och en eller flera reaktionsprodukter. Vissa enzymer har (utom aktiva) allosteriska centra- de platser till vilka enzymhastighetsregulatorerna är anslutna ( allosteriska enzymer).
Enzymatiska katalysreaktioner kännetecknas av: 1) hög effektivitet, 2) strikt selektivitet och verkningsriktning, 3) substratspecificitet, 4) fin och exakt reglering. Substratet och reaktionsspecificiteten för enzymatiska katalysreaktioner förklaras av hypoteserna av E. Fischer (1890) och D. Koshland (1959).
E. Fisher ("nyckellås" -hypotes) föreslog att de rumsliga konfigurationerna av enzymets aktiva centrum och substratet exakt skulle motsvara varandra. Substratet jämförs med en "nyckel", enzymet jämförs med ett "lås".
D. Koshland (hypotes "hand-handske") föreslog att den rumsliga korrespondensen mellan substratets struktur och enzymets aktiva centrum skapas endast i ögonblicket av deras interaktion med varandra. Denna hypotes kallas också den inducerade korrespondenshypotesen.
Hastigheten av enzymatiska reaktioner beror på: 1) temperatur, 2) enzymkoncentration, 3) substratkoncentration, 4) pH. Det bör betonas att eftersom enzymer är proteiner är deras aktivitet högst under fysiologiskt normala förhållanden.
De flesta enzymer fungerar bara vid temperaturer mellan 0 och 40 ° C. Inom dessa gränser ökar reaktionshastigheten med cirka 2 gånger med en temperaturökning för varje 10 ° C. Vid temperaturer över 40 ° C genomgår proteinet denaturering och enzymaktiviteten minskar. Vid temperaturer nära fryspunkten inaktiveras enzymer.
Med en ökning av mängden substrat ökar hastigheten för den enzymatiska reaktionen tills antalet substratmolekyler blir lika med antalet enzymmolekyler. Med en ytterligare ökning av mängden substrat kommer hastigheten inte att öka eftersom mättnaden av de aktiva centra i enzymet inträffar. En ökning av koncentrationen av enzymet leder till en ökning av katalytisk aktivitet, eftersom ett större antal substratmolekyler genomgår transformationer per tidsenhet.
För varje enzym finns det ett optimalt pH -värde vid vilket det uppvisar maximal aktivitet (pepsin - 2,0, salivamylas - 6,8, pankreaslipas - 9,0). Vid högre eller lägre pH -värden minskar enzymets aktivitet. Med kraftiga pH -förändringar denaturerar enzymet.
Hastigheten för allosteriska enzymer regleras av ämnen som fäster vid allosteriska centra. Om dessa ämnen påskyndar reaktionen kallas de aktivatorer om de saktar ner - hämmare.
Enzymklassificering
Efter typen av katalyserade kemiska transformationer är enzymer indelade i 6 klasser:
- oxyreduktas(överföring av väteatomer, syre eller elektroner från en substans till en annan - dehydrogenas),
- transferaser(överföring av en metyl-, acyl-, fosfat- eller aminogrupp från en substans till en annan - transaminas),
- hydrolaser(hydrolysreaktioner, där två produkter bildas av substratet - amylas, lipas),
- lyaser(icke-hydrolytisk vidhäftning till substratet eller eliminering av en grupp atomer från det, medan C-C, C-N, C-O, C-S-bindningarna-dekarboxylas kan brytas),
- isomeras(intramolekylär omorganisation - isomeras),
- ligaser(kombinationen av två molekyler som ett resultat av bildandet C-C-länkar, C-N, C-O, C-S-syntetas).
Klasserna är i sin tur indelade i underklasser och underklasser. I den nuvarande internationella klassificeringen har varje enzym en specifik chiffer bestående av fyra nummer separerade med prickar. Det första talet är klassen, den andra är underklassen, den tredje är underklassen, den fjärde är enzymets ordinalnummer i denna underklass, till exempel är arginaskrypteringen 3.5.3.1.
Gå till föreläsningar nummer 2"Struktur och funktion av kolhydrater och lipider"
Gå till föreläsningar nr 4"Struktur och funktion av ATP -nukleinsyror"
Dessa är biopolymerer, vars monomerer är aminosyror.
Aminosyrorär organiska föreningar med låg molekylvikt som innehåller karboxyl (-COOH) och amin (-NH2) grupper som är bundna till samma kolatom. En sidokedja är fäst vid kolatomen - en radikal som ger varje aminosyra vissa egenskaper.
De flesta aminosyror har en karboxylgrupp och en aminogrupp; dessa aminosyror kallas neutral... Det finns dock och essentiella aminosyror- med mer än en aminogrupp, och sura aminosyror- med mer än en karboxylgrupp.
Det är känt att cirka 200 aminosyror finns i levande organismer, men bara 20 av dem är en del av proteiner. Dessa är de så kallade den huvudsakliga eller proteinogen aminosyror.
Beroende på radikalen är de viktigaste aminosyrorna indelade i tre grupper:
- Opolärt (alanin, metionin, valin, prolin, leucin, isoleucin, tryptofan, fenylalanin);
- Polar oladdad (asparagin, glutamin, serin, glycin, tyrosin, treonin, cystein);
- Laddad (arginin, histidin, lysin - positiv; asparaginsyra och glutaminsyra - negativ).
Aminosyrornas (radikala) sidokedjor kan vara hydrofoba och hydrofila och ge proteinerna motsvarande egenskaper.
I växter syntetiseras alla essentiella aminosyror från fotosyntesens primära produkter. Människor och djur kan inte syntetisera ett antal proteinogena aminosyror och måste ta emot dem färdig form tillsammans med mat. Dessa aminosyror kallas väsentliga. Dessa inkluderar lysin, valin, leucin, isoleucin, treonin, fenylalanin, tryptofan, metionin; arginin och histidin är oumbärliga för barn.
I lösning kan aminosyror fungera som både syror och baser, det vill säga att de är amfotera föreningar. Karboxylgruppen (-COOH) kan donera en proton, som fungerar som en syra, och amingruppen (-NH2) accepterar en proton, sålunda uppvisar egenskaperna hos en bas.
Aminogruppen i en aminosyra kan reagera med karboxylgruppen i en annan aminosyra. Den resulterande molekylen är dipeptid och bindningen -CO -NH- kallas en peptidbindning.
Det finns en fri aminogrupp i ena änden av dipeptidmolekylen och en fri karboxylgrupp i den andra. På grund av detta kan dipeptiden fästa andra aminosyror till sig själv och bilda oligopeptider. Om många aminosyror (mer än 10) kombineras på detta sätt, då polypeptid.
Peptider spelar en viktig roll i kroppen. Många aligopeptider är hormoner. Dessa är oxytocin, vasopressin, tyroliberin, tyrotropin, etc. Oligopeptider inkluderar också bradykidin (smärtpeptid) och vissa opiater ("naturläkemedel" hos en person) som utför smärtlindring. Att ta droger förstör opiatsystemet i kroppen, så missbrukaren utan en dos läkemedel upplever 1 svår smärta - "abstinens", som normalt avlägsnas av opiater.
Oligopeptider inkluderar några antibiotika (till exempel gramicidin S).
Många hormoner (insulin, adrenokortikotropt hormon, etc.), antibiotika (till exempel gramicidin A), toxiner (till exempel difteritoxin) är polypeptider.
Proteiner är polypeptider, vars molekyl innehåller från 50 till flera tusen aminosyror med en molekylvikt på över 10 000.
Varje protein har sin egen speciella rumsliga struktur i en viss miljö. När man karaktäriserar den rumsliga (tredimensionella) strukturen utmärks fyra organisationsnivåer av proteinmolekyler.
Primär struktur- sekvensen av aminosyror i polypeptidkedjan. Den primära strukturen är specifik för varje protein och bestäms av genetisk information, d.v.s. beror på sekvensen av nukleotider i regionen av DNA -molekylen som kodar för ett givet protein. Alla egenskaper och funktioner hos proteiner beror på den primära strukturen. Att byta ut en enda aminosyra i proteinmolekyler eller byta plats innebär vanligtvis en förändring av proteinets funktion. Eftersom sammansättningen av proteiner innehåller 20 typer av aminosyror är antalet varianter av deras kombinationer i kön och peptidkedja verkligen obegränsat, vilket ger ett stort antal typer av proteiner i levande celler.
I levande celler är proteinmolekyler eller deras enskilda sektioner inte en långsträckt kedja, utan tvinnas till en spiral som liknar en utsträckt fjäder (detta är den så kallade α-helixen) eller vikta till ett vikt lager (β-lager). Sekundär struktur uppstår som ett resultat av bildandet av vätebindningar mellan -CO- och -NH2 -grupper av två peptidbindningar inom en polypeptidkedja (spiralformad konfiguration) eller mellan två polypeptidkedjor (vikta lager).
Keratinproteinet har en helt α-spiralformad konfiguration. Det är ett strukturellt protein av hår, päls, naglar, klor, näbb, fjädrar och horn. En spiral sekundär struktur är karakteristisk, förutom keratin, för fibrillära (filamentösa) proteiner som myosin, fibrinogen, kollagen.
I de flesta proteiner viks spiralformade och icke-spiralformade regioner i polypeptidkedjan till en tredimensionell bildning av en sfärisk form-en klot (karakteristisk för globulära proteiner). En kula med en viss konfiguration är tertiär struktur ekorre. Den tertiära strukturen stabiliseras av joniska, vätebindningar, kovalenta disulfidbindningar (som bildas mellan svavelatomerna som bildar cystein), liksom hydrofoba interaktioner. De viktigaste vid framväxten av tertiär struktur är hydrofoba interaktioner; I detta fall koagulerar proteinet på ett sådant sätt att dess hydrofoba sidokedjor är dolda inuti molekylen, det vill säga de skyddas från kontakt med vatten, och de hydrofila sidokedjorna, tvärtom, utsätts utanför.
Många proteiner med en särskilt komplex struktur består av flera polypeptidkedjor som hålls samman i en molekyl genom hydrofoba interaktioner, liksom genom väte och jonbindningar - uppstår kvartär struktur... En sådan struktur finns till exempel i det globulära proteinet hemoglobin. Dess molekyl består av fyra separata polypeptidunderenheter (protomerer) belägna i tertiärstrukturen och en icke -proteindel - hem. Endast i en sådan struktur kan hemoglobin utföra sin transportfunktion.
Under påverkan av olika kemikalier och fysiska faktorer(behandling med alkohol, aceton, syror, alkalier, hög temperatur, strålning, högt tryck etc.) det sker en förändring i proteinets tertiära och kvartära struktur på grund av bristning av väte och jonbindningar. Processen att störa den naturliga (naturliga) strukturen hos ett protein kallas denaturering... Samtidigt sker en minskning av proteinlösligheten, en förändring i form och storlek på molekyler, en förlust enzymatisk aktivitet etc. Denatureringsprocessen är ibland reversibel, dvs avkastningen normala förhållanden miljö kan åtföljas av spontan återställning av proteinets naturliga struktur. Denna process kallas renaturering. Därav följer att alla särdrag hos proteinets makromolekylers struktur och funktion bestäms av dess primära struktur.
Förbi kemisk sammansättning avger enkla och komplexa proteiner. TILL enkel inkluderar proteiner som endast består av aminosyror, och till komplicerad- innehållande protein och icke -protein (prostata) - metalljoner, kolhydrater, lipider etc. Enkla proteiner är serumalbumin av blod, immunglobulin (antikroppar), fibrin, vissa enzymer (trypsin) etc. Komplexa proteiner är alla proteolipider och glykoproteiner , hemoglobin, de flesta enzymer etc.
Protein funktioner
Strukturell.
Proteiner är en del av cellmembran och cellorganeller. Väggarna i blodkärl, brosk, senor, hår, naglar och klor hos högre djur består huvudsakligen av proteiner.
Katalytisk (enzymatisk).
Proteinenzymer katalyserar alla kemiska reaktioner i kroppen. De ger nedbrytning av näringsämnen i matsmältningskanalen, kolfixering under fotosyntes, matrissyntesreaktioner etc.
Transport.
Proteiner kan fästa och överföra olika ämnen... Blodalbumintransporter fettsyra, globuliner - metalljoner och hormoner. Hemoglobin transporterar syre och koldioxid.
Proteinmolekyler som utgör plasmamembranet deltar i transporten av ämnen in i och ut ur cellen.
Skyddande.
Det utförs av immunglobuliner (antikroppar) i blodet, som ger kroppens immunförsvar. Fibrinogen och trombin är involverade i blodkoagulering och förhindrar blödning.
Kontraktil.
Det tillhandahålls av rörelsen av filament av aktin och myosinproteiner i förhållande till varandra i muskler och inuti celler. Glidningen av mikrotubuli, byggd av proteinet tubulin, förklaras av rörelsen av cilia och flagella.
Reglerande.
Många hormoner är oligopeptider eller proteiner, till exempel: insulin, glukagon, adenokortikotropt hormon, etc.
Receptor.
Vissa proteiner inbäddade i cellmembranet kan ändra sin struktur till den yttre miljön. Detta är hur signaler tas emot från den yttre miljön och information överförs till cellen. Ett exempel är fytokrom- ett ljuskänsligt protein som reglerar växternas fotoperiodiska svar, och opsin - komponent rhodopsin, ett pigment som finns i näthinnans celler.