Chi ha scoperto la struttura secondaria delle proteine. Strutture proteiche secondarie, terziarie e quaternarie

Il ruolo delle proteine ​​​​nel corpo è estremamente ampio. Inoltre, una sostanza può portare questo nome solo dopo aver acquisito una struttura predeterminata. Fino a questo momento è un polipeptide, semplicemente una catena di amminoacidi che non può svolgere le funzioni previste. In generale, la struttura spaziale delle proteine ​​(primaria, secondaria, terziaria e di dominio) è la loro struttura tridimensionale. Inoltre, le più importanti per il corpo sono le strutture secondarie, terziarie e di dominio.

Prerequisiti per lo studio della struttura delle proteine

Tra i metodi per studiare la struttura delle sostanze chimiche, la cristallografia a raggi X gioca un ruolo speciale. Attraverso di esso è possibile ottenere informazioni sulla sequenza degli atomi nei composti molecolari e sulla loro organizzazione spaziale. In poche parole, è possibile eseguire una radiografia per una singola molecola, cosa che è diventata possibile negli anni '30 del XX secolo.

Fu allora che i ricercatori scoprirono che molte proteine ​​non solo hanno una struttura lineare, ma possono anche essere disposte in eliche, bobine e domini. E come risultato di numerosi esperimenti scientifici, si è scoperto che la struttura secondaria di una proteina è la forma finale per le proteine ​​strutturali e una forma intermedia per gli enzimi e le immunoglobuline. Ciò significa che le sostanze che alla fine hanno una struttura terziaria o quaternaria, nella fase della loro “maturazione”, devono passare anche attraverso lo stadio di formazione a spirale caratteristico della struttura secondaria.

Formazione della struttura proteica secondaria

Non appena viene completata la sintesi del polipeptide sui ribosomi nella rete ruvida dell'endoplasma cellulare, inizia a formarsi la struttura secondaria della proteina. Il polipeptide stesso è una molecola lunga che occupa molto spazio ed è scomoda per il trasporto e per svolgere le funzioni previste. Pertanto, per ridurne le dimensioni e conferirgli proprietà speciali, viene sviluppata una struttura secondaria. Ciò avviene attraverso la formazione di eliche alfa e fogli beta. In questo modo si ottiene una proteina di struttura secondaria, che in futuro si trasformerà in terziaria e quaternaria, oppure verrà utilizzata in questa forma.

Organizzazione della struttura secondaria

Come hanno dimostrato numerosi studi, la struttura secondaria di una proteina è un'alfa elica, oppure un foglio beta, oppure un'alternanza di regioni con questi elementi. Inoltre, la struttura secondaria è un metodo di torsione e formazione elicoidale di una molecola proteica. Questo è un processo caotico che si verifica a causa dei legami idrogeno che si formano tra le regioni polari dei residui amminoacidici nel polipeptide.

Struttura secondaria dell'alfa elica

Poiché solo gli L-amminoacidi partecipano alla biosintesi dei polipeptidi, la formazione della struttura secondaria della proteina inizia con la rotazione dell'elica in senso orario (verso destra). Ci sono rigorosamente 3,6 residui amminoacidici per giro dell'elica e la distanza lungo l'asse dell'elica è 0,54 nm. Queste sono proprietà generali della struttura secondaria di una proteina che non dipendono dal tipo di amminoacidi coinvolti nella sintesi.

È stato determinato che non tutta la catena polipeptidica è completamente elicoidale. La sua struttura contiene sezioni lineari. In particolare, la molecola proteica della pepsina è solo per il 30% elicoidale, il lisozima per il 42% e l'emoglobina per il 75%. Ciò significa che la struttura secondaria della proteina non è strettamente un'elica, ma una combinazione delle sue sezioni con sezioni lineari o stratificate.

Struttura secondaria dello strato beta

Il secondo tipo di organizzazione strutturale di una sostanza è lo strato beta, ovvero due o più filamenti di un polipeptide collegati da un legame idrogeno. Quest'ultimo si verifica tra i gruppi CO NH2 liberi. In questo modo vengono collegate principalmente proteine ​​strutturali (muscolari).

La struttura delle proteine ​​di questo tipo è la seguente: un filamento del polipeptide con la designazione delle sezioni terminali A-B è parallelo all'altro. L'unico avvertimento è che la seconda molecola si trova in posizione antiparallela ed è designata come BA. Questo forma uno strato beta, che può essere costituito da un numero qualsiasi di catene polipeptidiche collegate da più legami idrogeno.

Legame idrogeno

La struttura secondaria di una proteina è un legame basato su molteplici interazioni polari di atomi con diversi indici di elettronegatività. Quattro elementi hanno la maggiore capacità di formare un tale legame: fluoro, ossigeno, azoto e idrogeno. Le proteine ​​contengono tutto tranne il fluoro. Pertanto, un legame idrogeno può formarsi e si forma, rendendo possibile collegare le catene polipeptidiche in strati beta ed eliche alfa.

È più semplice spiegare la formazione di un legame idrogeno usando l’esempio dell’acqua, che è un dipolo. L'ossigeno trasporta una forte carica negativa e, a causa dell'elevata polarizzazione del legame OH, l'idrogeno è considerato positivo. In questo stato, le molecole sono presenti in un determinato ambiente. Inoltre, molti di loro si toccano e si scontrano. Quindi l'ossigeno della prima molecola d'acqua attira l'idrogeno dell'altra. E così via lungo la catena.

Processi simili si verificano nelle proteine: l'ossigeno elettronegativo di un legame peptidico attrae l'idrogeno da qualsiasi parte di un altro residuo amminoacidico, formando un legame idrogeno. Si tratta di una coniugazione polare debole, che richiede circa 6,3 kJ di energia per rompersi.

In confronto, il legame covalente più debole nelle proteine ​​richiede 84 kJ di energia per rompersi. Il legame covalente più forte richiederebbe 8400 kJ. Tuttavia, il numero di legami idrogeno in una molecola proteica è così grande che la loro energia totale consente alla molecola di esistere in condizioni aggressive e di mantenere la sua struttura spaziale. Ecco perché esistono le proteine. La struttura di questo tipo di proteine ​​fornisce la forza necessaria per il funzionamento di muscoli, ossa e legamenti. L'importanza della struttura secondaria delle proteine ​​per il corpo è così enorme.

legami di idrogeno

Distinguere a-elica, struttura b (bugna).

Struttura α-eliche è stato proposto Pauling E Corey

collagene

b-Struttura

Riso. 2.3. b-Struttura

La struttura ha forma piatta struttura b parallela; se al contrario - struttura b antiparallela

superspirale. protofibrille microfibrille con un diametro di 10 nm.

Bombice mori fibroina

Conformazione disordinata.

Struttura soprasecondaria.

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ORGANIZZAZIONE STRUTTURALE DELLE PROTEINE

È stata dimostrata l'esistenza di 4 livelli di organizzazione strutturale di una molecola proteica.

Struttura proteica primaria– la sequenza di disposizione dei residui aminoacidici nella catena polipeptidica. Nelle proteine ​​i singoli amminoacidi sono legati tra loro legami peptidici, derivante dall'interazione dei gruppi a-carbossilici e a-amminici degli amminoacidi.

Ad oggi è stata decifrata la struttura primaria di decine di migliaia di proteine ​​diverse. Per determinare la struttura primaria di una proteina, la composizione aminoacidica viene determinata utilizzando metodi di idrolisi. Quindi viene determinata la natura chimica degli amminoacidi terminali. Il passo successivo è determinare la sequenza degli aminoacidi nella catena polipeptidica. A questo scopo viene utilizzata l'idrolisi parziale selettiva (chimica ed enzimatica). È possibile utilizzare l'analisi della diffrazione dei raggi X, nonché i dati sulla sequenza nucleotidica complementare del DNA.

Struttura secondaria delle proteine– configurazione della catena polipeptidica, cioè un metodo per impacchettare una catena polipeptidica in una conformazione specifica. Questo processo non procede in modo caotico, ma secondo il programma incorporato nella struttura primaria.

La stabilità della struttura secondaria è assicurata principalmente dai legami idrogeno, ma un certo contributo è dato dai legami covalenti: peptidici e disolfuro.

Viene considerato il tipo più probabile di struttura delle proteine ​​​​globulari a-elica. La torsione della catena polipeptidica avviene in senso orario. Ogni proteina è caratterizzata da un certo grado di elicizzazione. Se le catene dell'emoglobina sono per il 75% elicoidali, la pepsina è solo per il 30%.

Viene chiamato il tipo di configurazione delle catene polipeptidiche presenti nelle proteine ​​dei capelli, della seta e dei muscoli strutture b.

I segmenti della catena peptidica sono disposti in un unico strato, formando una figura simile ad un foglio piegato a fisarmonica. Lo strato può essere formato da due o più catene peptidiche.

In natura esistono proteine ​​la cui struttura non corrisponde né alla struttura β né alla struttura a, ad esempio il collagene è una proteina fibrillare che costituisce la maggior parte del tessuto connettivo nel corpo umano e animale.

Struttura terziaria delle proteine– orientamento spaziale dell’elica polipeptidica o il modo in cui la catena polipeptidica è disposta in un determinato volume. La prima proteina la cui struttura terziaria è stata chiarita dall'analisi di diffrazione dei raggi X è stata la mioglobina del capodoglio (Fig. 2).

Nella stabilizzazione della struttura spaziale delle proteine, oltre ai legami covalenti, il ruolo principale è svolto dai legami non covalenti (idrogeno, interazioni elettrostatiche di gruppi carichi, forze intermolecolari di van der Waals, interazioni idrofobiche, ecc.).

Secondo i concetti moderni, la struttura terziaria di una proteina, dopo aver completato la sua sintesi, si forma spontaneamente. La principale forza trainante è l'interazione dei radicali aminoacidici con le molecole d'acqua. In questo caso, i radicali di amminoacidi idrofobici non polari sono immersi all'interno della molecola proteica e i radicali polari sono orientati verso l'acqua. Viene chiamato il processo di formazione della struttura spaziale nativa di una catena polipeptidica pieghevole. Proteine ​​chiamate accompagnatori. Partecipano al ripiegamento. Sono state descritte numerose malattie umane ereditarie, il cui sviluppo è associato a disturbi dovuti a mutazioni nel processo di ripiegamento (pigmentosi, fibrosi, ecc.).

Utilizzando metodi di analisi di diffrazione di raggi X è stata dimostrata l'esistenza di livelli di organizzazione strutturale della molecola proteica, intermedi tra la struttura secondaria e quella terziaria. Dominioè un'unità strutturale globulare compatta all'interno di una catena polipeptidica (Fig. 3). Sono state scoperte molte proteine ​​(ad esempio le immunoglobuline), costituite da domini di diversa struttura e funzione, codificati da geni diversi.

Tutte le proprietà biologiche delle proteine ​​​​sono associate alla conservazione della loro struttura terziaria, come si chiama nativo. Il globulo proteico non è una struttura assolutamente rigida: sono possibili movimenti reversibili di parti della catena peptidica. Questi cambiamenti non interrompono la conformazione complessiva della molecola. La conformazione di una molecola proteica è influenzata dal pH dell'ambiente, dalla forza ionica della soluzione e dall'interazione con altre sostanze. Eventuali influenze che portano alla rottura della conformazione nativa della molecola sono accompagnate dalla perdita parziale o totale delle proprietà biologiche della proteina.

Struttura delle proteine ​​quaternarie- un metodo per posizionare nello spazio singole catene polipeptidiche che hanno la stessa o diversa struttura primaria, secondaria o terziaria e la formazione di una formazione macromolecolare strutturalmente e funzionalmente unificata.

Viene chiamata una molecola proteica costituita da diverse catene polipeptidiche oligomero, e ogni catena inclusa in esso - protomero. Le proteine ​​oligomeriche sono spesso costituite da un numero pari di protomeri; ad esempio, la molecola dell'emoglobina è costituita da due catene polipeptidiche a e due b (Fig. 4).

Circa il 5% delle proteine ​​hanno una struttura quaternaria, comprese l'emoglobina e le immunoglobuline. La struttura della subunità è caratteristica di molti enzimi.

Le molecole proteiche che compongono una proteina con struttura quaternaria si formano separatamente sui ribosomi e solo dopo il completamento della sintesi formano una struttura supramolecolare comune. Una proteina acquisisce attività biologica solo quando i suoi protomeri costituenti si combinano. Alla stabilizzazione della struttura quaternaria partecipano gli stessi tipi di interazioni che partecipano alla stabilizzazione di quella terziaria.

Alcuni ricercatori riconoscono l'esistenza di un quinto livello di organizzazione strutturale delle proteine. Questo metaboloni - complessi macromolecolari polifunzionali di vari enzimi che catalizzano l'intero percorso di trasformazione del substrato (sintetasi degli acidi grassi superiori, complesso della piruvato deidrogenasi, catena respiratoria).

Struttura secondaria delle proteine

La struttura secondaria è il modo in cui una catena polipeptidica è organizzata in una struttura ordinata. La struttura secondaria è determinata dalla struttura primaria. Poiché la struttura primaria è determinata geneticamente, la formazione di una struttura secondaria può avvenire quando la catena polipeptidica lascia il ribosoma. La struttura secondaria è stabilizzata legami di idrogeno, che si formano tra i gruppi NH e CO dei legami peptidici.

Distinguere a-elica, struttura b e conformazione disordinata (bugna).

Struttura α-eliche è stato proposto Pauling E Corey(1951). Questo è un tipo di struttura secondaria proteica che assomiglia ad un'elica regolare (Fig. 2.2). Un'α-elica è una struttura a forma di bastoncino in cui i legami peptidici si trovano all'interno dell'elica e i radicali amminoacidici della catena laterale si trovano all'esterno. L'α-elica è stabilizzata da legami idrogeno, che sono paralleli all'asse dell'elica e si trovano tra il primo e il quinto residuo amminoacidico. Pertanto, nelle regioni elicoidali estese, ciascun residuo amminoacidico partecipa alla formazione di due legami idrogeno.

Riso. 2.2. Struttura di un'α-elica.

Ci sono 3,6 residui amminoacidici per giro dell'elica, il passo dell'elica è 0,54 nm e ci sono 0,15 nm per residuo amminoacidico. L'angolo dell'elica è di 26°. Il periodo di regolarità di un'a-elica è di 5 giri o 18 residui amminoacidici. Le più comuni sono le a-eliche destrorse, cioè La spirale gira in senso orario. La formazione di un'a-elica è impedita dalla prolina, aminoacidi con radicali carichi e voluminosi (ostacoli elettrostatici e meccanici).

Un'altra forma a spirale è presente in collagene . Nel corpo dei mammiferi, il collagene è la proteina quantitativamente predominante: costituisce il 25% delle proteine ​​totali. Il collagene è presente in varie forme, principalmente nel tessuto connettivo. È un'elica sinistrorsa con un passo di 0,96 nm e 3,3 residui per giro, più piatta dell'elica α. A differenza dell'α-elica, qui la formazione di ponti idrogeno è impossibile. Il collagene ha una composizione aminoacidica insolita: 1/3 è glicina, circa il 10% prolina, nonché idrossiprolina e idrossilisina. Gli ultimi due amminoacidi si formano dopo la biosintesi del collagene mediante modificazione post-traduzionale. Nella struttura del collagene, la tripletta gli-X-Y si ripete costantemente, con la posizione X spesso occupata dalla prolina e la posizione Y dall'idrossilisina. Esistono prove evidenti che il collagene è presente ubiquitariamente come una tripla elica destrorsa attorcigliata da tre eliche primarie sinistrorse. In una tripla elica, ogni terzo residuo finisce al centro, dove, per ragioni steriche, si adatta solo la glicina. L'intera molecola di collagene è lunga circa 300 nm.

b-Struttura(strato piegato in B). Si trova nelle proteine ​​globulari, così come in alcune proteine ​​fibrillari, ad esempio la fibroina della seta (Fig. 2.3).

Riso. 2.3. b-Struttura

La struttura ha forma piatta. Le catene polipeptidiche sono quasi completamente allungate, anziché strettamente attorcigliate, come in un'a-elica. I piani dei legami peptidici si trovano nello spazio come pieghe uniformi di un foglio di carta.

Struttura secondaria dei polipeptidi e delle proteine

È stabilizzato da legami idrogeno tra i gruppi CO e NH dei legami peptidici delle catene polipeptidiche vicine. Se le catene polipeptidiche che formano la struttura b vanno nella stessa direzione (cioè i terminali C e N coincidono) – struttura b parallela; se al contrario - struttura b antiparallela. I radicali laterali di uno strato sono posti tra i radicali laterali di un altro strato. Se una catena polipeptidica si piega e corre parallela a se stessa, allora questo struttura b-cross antiparallela. I legami idrogeno nella struttura b-cross si formano tra i gruppi peptidici degli anelli della catena polipeptidica.

Il contenuto di a-eliche nelle proteine ​​finora studiate è estremamente variabile. In alcune proteine, ad esempio la mioglobina e l'emoglobina, l'a-elica è alla base della struttura e rappresenta il 75%, nel lisozima - 42%, nella pepsina solo il 30%. Altre proteine, ad esempio l'enzima digestivo chimotripsina, sono praticamente prive di una struttura a-elicoidale e una parte significativa della catena polipeptidica si inserisce in strutture b stratificate. Le proteine ​​di supporto dei tessuti, il collagene (proteine ​​dei tendini e della pelle), la fibroina (proteine ​​naturali della seta) hanno una configurazione b delle catene polipeptidiche.

È stato dimostrato che la formazione delle eliche α è facilitata dalle strutture glu, ala, leu e β da met, val, ile; nei punti in cui la catena polipeptidica si piega: gliy, pro, asn. Si ritiene che sei residui raggruppati, quattro dei quali contribuiscono alla formazione dell'elica, possano essere considerati il ​​centro dell'elicizzazione. Da questo centro si verifica una crescita delle eliche in entrambe le direzioni fino alla sezione - un tetrapeptide, costituito da residui che impediscono la formazione di queste eliche. Durante la formazione della struttura β, il ruolo dei primer è svolto da tre dei cinque residui amminoacidici che contribuiscono alla formazione della struttura β.

Nella maggior parte delle proteine ​​strutturali predomina una delle strutture secondarie, determinata dalla composizione aminoacidica. Una proteina strutturale costruita principalmente sotto forma di α-elica è l’α-cheratina. I peli degli animali (pelliccia), le piume, gli aculei, gli artigli e gli zoccoli sono composti principalmente da cheratina. Come componente dei filamenti intermedi, la cheratina (citocheratina) è un componente essenziale del citoscheletro. Nelle cheratine, la maggior parte della catena peptidica è ripiegata in un'α-elica destrorsa. Due catene peptidiche formano un'unica sinistra superspirale. I dimeri di cheratina superavvolti si combinano in tetrameri, che si aggregano per formare protofibrille con un diametro di 3 nm. Infine si formano otto protofibrille microfibrille con un diametro di 10 nm.

I capelli sono costituiti dalle stesse fibrille. Così, in un'unica fibra di lana del diametro di 20 micron, si intrecciano milioni di fibrille. Le singole catene di cheratina sono reticolate da numerosi legami disolfuro, che conferiscono loro ulteriore forza. Durante la permanente si verificano i seguenti processi: prima i ponti disolfuro vengono distrutti mediante riduzione con tioli e poi, per dare ai capelli la forma richiesta, vengono asciugati mediante riscaldamento. Allo stesso tempo, a causa dell'ossidazione da parte dell'ossigeno dell'aria, si formano nuovi ponti disolfuro che mantengono la forma dell'acconciatura.

La seta si ottiene dai bozzoli dei bruchi del baco da seta ( Bombice mori) e specie affini. La principale proteina della seta, fibroina, ha la struttura di uno strato piegato antiparallelo e gli strati stessi si trovano paralleli tra loro, formando numerosi strati. Poiché nelle strutture piegate le catene laterali dei residui amminoacidici sono orientate verticalmente su e giù, negli spazi tra i singoli strati possono inserirsi solo gruppi compatti. Infatti la fibroina è composta per l’80% da glicina, alanina e serina, cioè tre amminoacidi caratterizzati da catene laterali di dimensioni minime. La molecola di fibroina contiene un tipico frammento ripetitivo (gli-ala-gli-ala-gli-ser)n.

Conformazione disordinata. Le regioni di una molecola proteica che non appartengono a strutture elicoidali o ripiegate sono chiamate disordinate.

Struttura soprasecondaria. Le regioni strutturali alfa elicoidale e beta nelle proteine ​​possono interagire tra loro e tra loro, formando assiemi. Le strutture soprasecondarie presenti nelle proteine ​​native sono energeticamente le più preferibili. Questi includono un'α-elica superavvolta, in cui due α-eliche sono attorcigliate l'una rispetto all'altra, formando una superelica sinistrorsa (batteriorodopsina, emeritrina); frammenti α-elicoidali e β-strutturali alternati della catena polipeptidica (ad esempio, il collegamento βαβαβ di Rossmann, che si trova nella regione di legame NAD+ delle molecole dell'enzima deidrogenasi); la struttura β a tre filamenti antiparallela (βββ) è chiamata β-zigzag e si trova in numerosi enzimi microbici, protozoari e vertebrati.

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Struttura secondaria delle proteine

Le catene peptidiche delle proteine ​​sono organizzate in una struttura secondaria stabilizzata da legami idrogeno. L'atomo di ossigeno di ciascun gruppo peptidico forma un legame idrogeno con il gruppo NH corrispondente al legame peptidico. In questo caso si formano le seguenti strutture: a-elica, b-struttura e b-bend. a-Spirale. Una delle strutture termodinamicamente più favorevoli è l’α-elica destrorsa. a-elica, che rappresenta una struttura stabile in cui ciascun gruppo carbonilico forma un legame idrogeno con il quarto gruppo NH lungo la catena.

Proteine: Struttura secondaria delle proteine

In un'α-elica ci sono 3,6 residui amminoacidici per giro, il passo dell'elica è di circa 0,54 nm e la distanza tra i residui è di 0,15 nm. Gli L-amminoacidi possono formare solo α-eliche destrorse, con i radicali laterali situati su entrambi i lati dell'asse e rivolti verso l'esterno. Nell'elica a, la possibilità di formare legami idrogeno è pienamente utilizzata, quindi, a differenza della struttura b, non è in grado di formare legami idrogeno con altri elementi della struttura secondaria. Quando si forma un'α-elica, le catene laterali degli amminoacidi possono avvicinarsi tra loro, formando siti compatti idrofobici o idrofili. Questi siti svolgono un ruolo significativo nella formazione della conformazione tridimensionale della macromolecola proteica, poiché vengono utilizzati per impacchettare le α-eliche nella struttura spaziale della proteina. Palla a spirale. Il contenuto di a-eliche nelle proteine ​​non è lo stesso ed è una caratteristica individuale di ciascuna macromolecola proteica. Alcune proteine, come la mioglobina, hanno un'α-elica come base della loro struttura; altre, come la chimotripsina, non hanno regioni α-elicoidali. In media, le proteine ​​globulari hanno un grado di elicizzazione dell'ordine del 60-70%. Le sezioni a spirale si alternano a bobine caotiche e, a causa della denaturazione, le transizioni elica-spira aumentano. L'elicizzazione di una catena polipeptidica dipende dai residui amminoacidici che la formano. Pertanto, i gruppi carichi negativamente dell'acido glutammico situati uno vicino all'altro sperimentano una forte repulsione reciproca, che impedisce la formazione dei corrispondenti legami idrogeno nell'α-elica. Per lo stesso motivo, l'elicizzazione della catena è ostacolata dalla repulsione dei gruppi chimici di lisina o arginina carichi positivamente situati ravvicinati. La grande dimensione dei radicali aminoacidici è anche il motivo per cui è difficile l'elicizzazione della catena polipeptidica (serina, treonina, leucina). Il fattore che interferisce più frequentemente nella formazione di un'α-elica è l'amminoacido prolina. Inoltre, la prolina non forma un legame idrogeno intracatena a causa dell'assenza di un atomo di idrogeno nell'atomo di azoto. Pertanto, in tutti i casi in cui la prolina si trova in una catena polipeptidica, la struttura a-elica viene interrotta e si forma una spirale o (b-bend). b-Struttura. A differenza dell'elica a, la struttura b è formata da catena incrociata legami idrogeno tra sezioni adiacenti della catena polipeptidica, poiché non vi sono contatti intracatena. Se queste sezioni sono dirette in una direzione, tale struttura viene chiamata parallela, ma se nella direzione opposta, allora antiparallela. La catena polipeptidica nella struttura b è molto allungata e non ha una forma a spirale, ma piuttosto a zigzag. La distanza tra i residui amminoacidici adiacenti lungo l'asse è 0,35 nm, cioè tre volte maggiore che in un'elica a, il numero di residui per giro è 2. Nel caso di una disposizione parallela della struttura b, i legami idrogeno sono meno forti rispetto a quelli con disposizione antiparallela dei residui aminoacidici. A differenza dell'elica a, che è satura di legami idrogeno, ciascuna sezione della catena polipeptidica nella struttura b è aperta alla formazione di ulteriori legami idrogeno. Quanto sopra si applica sia alle strutture b parallele che a quelle antiparallele, tuttavia, nella struttura antiparallela i legami sono più stabili. Il segmento della catena polipeptidica che forma la struttura B contiene da tre a sette residui aminoacidici e la struttura B stessa è costituita da 2-6 catene, sebbene il loro numero possa essere maggiore. La struttura b ha una forma piegata a seconda dei corrispondenti atomi di carbonio a. La sua superficie può essere piana e sinistrorsa in modo che l'angolo tra le singole sezioni della catena sia di 20-25°. b-Piegatura. Le proteine ​​globulari hanno una forma sferica in gran parte dovuta al fatto che la catena polipeptidica è caratterizzata dalla presenza di anse, zigzag, forcine e la direzione della catena può cambiare anche di 180°. In quest'ultimo caso si verifica una curvatura a b. Questa curva ha la forma di una forcina ed è stabilizzata da un singolo legame idrogeno. Il fattore che ne impedisce la formazione possono essere i grandi radicali laterali, e quindi abbastanza spesso si osserva l'inclusione del più piccolo residuo aminoacidico, la glicina. Questa configurazione appare sempre sulla superficie del globulo proteico e quindi la curva B prende parte all'interazione con altre catene polipeptidiche. Strutture supersecondarie. Le strutture supersecondarie delle proteine ​​furono prima postulate e poi scoperte da L. Pauling e R. Corey. Un esempio è un'α-elica superavvolta, in cui due α-eliche sono attorcigliate in una superelica sinistrorsa. Tuttavia, più spesso le strutture superelicoidali includono sia a-eliche che fogli b-plissettati. La loro composizione può essere presentata come segue: (aa), (ab), (ba) e (bXb). Quest'ultima opzione consiste in due fogli piegati paralleli, tra i quali si trova una bobina statistica (bСb).La relazione tra le strutture secondaria e supersecondaria ha un alto grado di variabilità e dipende dalle caratteristiche individuali di una particolare macromolecola proteica. I domini sono livelli più complessi di organizzazione della struttura secondaria. Sono sezioni globulari isolate collegate tra loro da brevi tratti cosiddetti cerniera della catena polipeptidica. D. Birktoft fu uno dei primi a descrivere l'organizzazione dei domini della chimotripsina, notando la presenza di due domini in questa proteina.

Struttura secondaria delle proteine

La struttura secondaria è il modo in cui una catena polipeptidica è organizzata in una struttura ordinata. La struttura secondaria è determinata dalla struttura primaria. Poiché la struttura primaria è determinata geneticamente, la formazione di una struttura secondaria può avvenire quando la catena polipeptidica lascia il ribosoma. La struttura secondaria è stabilizzata legami di idrogeno, che si formano tra i gruppi NH e CO dei legami peptidici.

Distinguere a-elica, struttura b e conformazione disordinata (bugna).

Struttura α-eliche è stato proposto Pauling E Corey(1951). Questo è un tipo di struttura secondaria proteica che assomiglia ad un'elica regolare (Fig.

Conformazione della catena polipeptidica. Struttura secondaria della catena polipeptidica

2.2). Un'α-elica è una struttura a forma di bastoncino in cui i legami peptidici si trovano all'interno dell'elica e i radicali amminoacidici della catena laterale si trovano all'esterno. L'α-elica è stabilizzata da legami idrogeno, che sono paralleli all'asse dell'elica e si trovano tra il primo e il quinto residuo amminoacidico. Pertanto, nelle regioni elicoidali estese, ciascun residuo amminoacidico partecipa alla formazione di due legami idrogeno.

Riso. 2.2. Struttura di un'α-elica.

Ci sono 3,6 residui amminoacidici per giro dell'elica, il passo dell'elica è 0,54 nm e ci sono 0,15 nm per residuo amminoacidico. L'angolo dell'elica è di 26°. Il periodo di regolarità di un'a-elica è di 5 giri o 18 residui amminoacidici. Le più comuni sono le a-eliche destrorse, cioè La spirale gira in senso orario. La formazione di un'a-elica è impedita dalla prolina, aminoacidi con radicali carichi e voluminosi (ostacoli elettrostatici e meccanici).

Un'altra forma a spirale è presente in collagene . Nel corpo dei mammiferi, il collagene è la proteina quantitativamente predominante: costituisce il 25% delle proteine ​​totali. Il collagene è presente in varie forme, principalmente nel tessuto connettivo. È un'elica sinistrorsa con un passo di 0,96 nm e 3,3 residui per giro, più piatta dell'elica α. A differenza dell'α-elica, qui la formazione di ponti idrogeno è impossibile. Il collagene ha una composizione aminoacidica insolita: 1/3 è glicina, circa il 10% prolina, nonché idrossiprolina e idrossilisina. Gli ultimi due amminoacidi si formano dopo la biosintesi del collagene mediante modificazione post-traduzionale. Nella struttura del collagene, la tripletta gli-X-Y si ripete costantemente, con la posizione X spesso occupata dalla prolina e la posizione Y dall'idrossilisina. Esistono prove evidenti che il collagene è presente ubiquitariamente come una tripla elica destrorsa attorcigliata da tre eliche primarie sinistrorse. In una tripla elica, ogni terzo residuo finisce al centro, dove, per ragioni steriche, si adatta solo la glicina. L'intera molecola di collagene è lunga circa 300 nm.

b-Struttura(strato piegato in B). Si trova nelle proteine ​​globulari, così come in alcune proteine ​​fibrillari, ad esempio la fibroina della seta (Fig. 2.3).

Riso. 2.3. b-Struttura

La struttura ha forma piatta. Le catene polipeptidiche sono quasi completamente allungate, anziché strettamente attorcigliate, come in un'a-elica. I piani dei legami peptidici si trovano nello spazio come pieghe uniformi di un foglio di carta. È stabilizzato da legami idrogeno tra i gruppi CO e NH dei legami peptidici delle catene polipeptidiche vicine. Se le catene polipeptidiche che formano la struttura b vanno nella stessa direzione (cioè i terminali C e N coincidono) – struttura b parallela; se al contrario - struttura b antiparallela. I radicali laterali di uno strato sono posti tra i radicali laterali di un altro strato. Se una catena polipeptidica si piega e corre parallela a se stessa, allora questo struttura b-cross antiparallela. I legami idrogeno nella struttura b-cross si formano tra i gruppi peptidici degli anelli della catena polipeptidica.

Il contenuto di a-eliche nelle proteine ​​finora studiate è estremamente variabile. In alcune proteine, ad esempio la mioglobina e l'emoglobina, l'a-elica è alla base della struttura e rappresenta il 75%, nel lisozima - 42%, nella pepsina solo il 30%. Altre proteine, ad esempio l'enzima digestivo chimotripsina, sono praticamente prive di una struttura a-elicoidale e una parte significativa della catena polipeptidica si inserisce in strutture b stratificate. Le proteine ​​di supporto dei tessuti, il collagene (proteine ​​dei tendini e della pelle), la fibroina (proteine ​​naturali della seta) hanno una configurazione b delle catene polipeptidiche.

È stato dimostrato che la formazione delle eliche α è facilitata dalle strutture glu, ala, leu e β da met, val, ile; nei punti in cui la catena polipeptidica si piega: gliy, pro, asn. Si ritiene che sei residui raggruppati, quattro dei quali contribuiscono alla formazione dell'elica, possano essere considerati il ​​centro dell'elicizzazione. Da questo centro si verifica una crescita delle eliche in entrambe le direzioni fino alla sezione - un tetrapeptide, costituito da residui che impediscono la formazione di queste eliche. Durante la formazione della struttura β, il ruolo dei primer è svolto da tre dei cinque residui amminoacidici che contribuiscono alla formazione della struttura β.

Nella maggior parte delle proteine ​​strutturali predomina una delle strutture secondarie, determinata dalla composizione aminoacidica. Una proteina strutturale costruita principalmente sotto forma di α-elica è l’α-cheratina. I peli degli animali (pelliccia), le piume, gli aculei, gli artigli e gli zoccoli sono composti principalmente da cheratina. Come componente dei filamenti intermedi, la cheratina (citocheratina) è un componente essenziale del citoscheletro. Nelle cheratine, la maggior parte della catena peptidica è ripiegata in un'α-elica destrorsa. Due catene peptidiche formano un'unica sinistra superspirale. I dimeri di cheratina superavvolti si combinano in tetrameri, che si aggregano per formare protofibrille con un diametro di 3 nm. Infine si formano otto protofibrille microfibrille con un diametro di 10 nm.

I capelli sono costituiti dalle stesse fibrille. Così, in un'unica fibra di lana del diametro di 20 micron, si intrecciano milioni di fibrille. Le singole catene di cheratina sono reticolate da numerosi legami disolfuro, che conferiscono loro ulteriore forza. Durante la permanente si verificano i seguenti processi: prima i ponti disolfuro vengono distrutti mediante riduzione con tioli e poi, per dare ai capelli la forma richiesta, vengono asciugati mediante riscaldamento. Allo stesso tempo, a causa dell'ossidazione da parte dell'ossigeno dell'aria, si formano nuovi ponti disolfuro che mantengono la forma dell'acconciatura.

La seta si ottiene dai bozzoli dei bruchi del baco da seta ( Bombice mori) e specie affini. La principale proteina della seta, fibroina, ha la struttura di uno strato piegato antiparallelo e gli strati stessi si trovano paralleli tra loro, formando numerosi strati. Poiché nelle strutture piegate le catene laterali dei residui amminoacidici sono orientate verticalmente su e giù, negli spazi tra i singoli strati possono inserirsi solo gruppi compatti. Infatti la fibroina è composta per l’80% da glicina, alanina e serina, cioè tre amminoacidi caratterizzati da catene laterali di dimensioni minime. La molecola di fibroina contiene un tipico frammento ripetitivo (gli-ala-gli-ala-gli-ser)n.

Conformazione disordinata. Le regioni di una molecola proteica che non appartengono a strutture elicoidali o ripiegate sono chiamate disordinate.

Struttura soprasecondaria. Le regioni strutturali alfa elicoidale e beta nelle proteine ​​possono interagire tra loro e tra loro, formando assiemi. Le strutture soprasecondarie presenti nelle proteine ​​native sono energeticamente le più preferibili. Questi includono un'α-elica superavvolta, in cui due α-eliche sono attorcigliate l'una rispetto all'altra, formando una superelica sinistrorsa (batteriorodopsina, emeritrina); frammenti α-elicoidali e β-strutturali alternati della catena polipeptidica (ad esempio, il collegamento βαβαβ di Rossmann, che si trova nella regione di legame NAD+ delle molecole dell'enzima deidrogenasi); la struttura β a tre filamenti antiparallela (βββ) è chiamata β-zigzag e si trova in numerosi enzimi microbici, protozoari e vertebrati.

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PROTEINE Opzione 1 A1 Le unità strutturali delle proteine ​​sono: ...

5 - 9 gradi

PROTEINE
opzione 1
A1. Le unità strutturali delle proteine ​​sono:
UN)
Ammine
IN)
Aminoacidi
B)
Glucosio
G)
Nucleotidi
A2. La formazione di una spirale è caratterizzata da:
UN)
Struttura proteica primaria
IN)
Struttura terziaria delle proteine
B)
Struttura secondaria delle proteine
G)
Struttura delle proteine ​​quaternarie
A3. Quali fattori causano la denaturazione irreversibile delle proteine?
UN)
Interazione con soluzioni di sali di piombo, ferro e mercurio
B)
Impatto sulle proteine ​​con una soluzione concentrata di acido nitrico
IN)
Calore elevato
G)
Tutti i fattori di cui sopra sono veri
A4. Indicare cosa si osserva quando l'acido nitrico concentrato viene applicato a soluzioni proteiche:
UN)
Precipitato bianco
IN)
Colorazione rosso-viola
B)
Precipitato nero
G)
Colorazione gialla
A5. Le proteine ​​che svolgono una funzione catalitica sono chiamate:
UN)
Ormoni
IN)
Enzimi
B)
Vitamine
G)
Proteine
A6. La proteina emoglobina svolge la seguente funzione:
UN)
Catalitico
IN)
Costruzione
B)
Protettivo
G)
Trasporto

Parte B
B1. Incontro:
Tipo di molecola proteica
Proprietà
1)
Proteine ​​globulari
UN)
La molecola è arricciata in una palla
2)
Proteine ​​fibrillari
B)
Non si dissolve in acqua

IN)
Si dissolve in acqua o forma soluzioni colloidali

G)
Struttura filiforme

Struttura secondaria

Proteine:
UN)
Costruito da residui di aminoacidi
B)
Contiene solo carbonio, idrogeno e ossigeno
IN)
Idrolizza in ambienti acidi e alcalini
G)
Capace di denaturazione
D)
Sono polisaccaridi
E)
Sono polimeri naturali

Parte C
C1. Scrivere le equazioni di reazione mediante le quali si può ottenere la glicina da etanolo e sostanze inorganiche.

È stata dimostrata l'esistenza di 4 livelli di organizzazione strutturale di una molecola proteica.

Struttura proteica primaria– la sequenza di disposizione dei residui aminoacidici nella catena polipeptidica. Nelle proteine ​​i singoli amminoacidi sono legati tra loro legami peptidici, derivante dall'interazione dei gruppi a-carbossilici e a-amminici degli amminoacidi.

Ad oggi è stata decifrata la struttura primaria di decine di migliaia di proteine ​​diverse. Per determinare la struttura primaria di una proteina, la composizione aminoacidica viene determinata utilizzando metodi di idrolisi. Quindi viene determinata la natura chimica degli amminoacidi terminali. Il passo successivo è determinare la sequenza degli aminoacidi nella catena polipeptidica. A questo scopo viene utilizzata l'idrolisi parziale selettiva (chimica ed enzimatica). È possibile utilizzare l'analisi della diffrazione dei raggi X, nonché i dati sulla sequenza nucleotidica complementare del DNA.

Struttura secondaria delle proteine– configurazione della catena polipeptidica, cioè un metodo per impacchettare una catena polipeptidica in una conformazione specifica. Questo processo non procede in modo caotico, ma secondo il programma incorporato nella struttura primaria.

La stabilità della struttura secondaria è assicurata principalmente dai legami idrogeno, ma un certo contributo è dato dai legami covalenti: peptidici e disolfuro.

Viene considerato il tipo più probabile di struttura delle proteine ​​​​globulari a-elica. La torsione della catena polipeptidica avviene in senso orario. Ogni proteina è caratterizzata da un certo grado di elicizzazione. Se le catene dell'emoglobina sono per il 75% elicoidali, la pepsina è solo per il 30%.

Viene chiamato il tipo di configurazione delle catene polipeptidiche presenti nelle proteine ​​dei capelli, della seta e dei muscoli strutture b. I segmenti della catena peptidica sono disposti in un unico strato, formando una figura simile ad un foglio piegato a fisarmonica. Lo strato può essere formato da due o più catene peptidiche.

In natura esistono proteine ​​la cui struttura non corrisponde né alla struttura β né alla struttura a, ad esempio il collagene è una proteina fibrillare che costituisce la maggior parte del tessuto connettivo nel corpo umano e animale.

Struttura terziaria delle proteine– orientamento spaziale dell’elica polipeptidica o il modo in cui la catena polipeptidica è disposta in un determinato volume. La prima proteina la cui struttura terziaria è stata chiarita dall'analisi di diffrazione dei raggi X è stata la mioglobina del capodoglio (Fig. 2).

Nella stabilizzazione della struttura spaziale delle proteine, oltre ai legami covalenti, il ruolo principale è svolto dai legami non covalenti (idrogeno, interazioni elettrostatiche di gruppi carichi, forze intermolecolari di van der Waals, interazioni idrofobiche, ecc.).

Secondo i concetti moderni, la struttura terziaria di una proteina, dopo aver completato la sua sintesi, si forma spontaneamente. La principale forza trainante è l'interazione dei radicali aminoacidici con le molecole d'acqua. In questo caso, i radicali di amminoacidi idrofobici non polari sono immersi all'interno della molecola proteica e i radicali polari sono orientati verso l'acqua. Viene chiamato il processo di formazione della struttura spaziale nativa di una catena polipeptidica pieghevole. Proteine ​​chiamate accompagnatori. Partecipano al ripiegamento. Sono state descritte numerose malattie umane ereditarie, il cui sviluppo è associato a disturbi dovuti a mutazioni nel processo di ripiegamento (pigmentosi, fibrosi, ecc.).

Utilizzando metodi di analisi di diffrazione di raggi X è stata dimostrata l'esistenza di livelli di organizzazione strutturale della molecola proteica, intermedi tra la struttura secondaria e quella terziaria. Dominioè un'unità strutturale globulare compatta all'interno di una catena polipeptidica (Fig. 3). Sono state scoperte molte proteine ​​(ad esempio le immunoglobuline), costituite da domini di diversa struttura e funzione, codificati da geni diversi.

Tutte le proprietà biologiche delle proteine ​​​​sono associate alla conservazione della loro struttura terziaria, come si chiama nativo. Il globulo proteico non è una struttura assolutamente rigida: sono possibili movimenti reversibili di parti della catena peptidica. Questi cambiamenti non interrompono la conformazione complessiva della molecola. La conformazione di una molecola proteica è influenzata dal pH dell'ambiente, dalla forza ionica della soluzione e dall'interazione con altre sostanze. Eventuali influenze che portano alla rottura della conformazione nativa della molecola sono accompagnate dalla perdita parziale o totale delle proprietà biologiche della proteina.

Struttura delle proteine ​​quaternarie- un metodo per posizionare nello spazio singole catene polipeptidiche che hanno la stessa o diversa struttura primaria, secondaria o terziaria e la formazione di una formazione macromolecolare strutturalmente e funzionalmente unificata.

Viene chiamata una molecola proteica costituita da diverse catene polipeptidiche oligomero, e ogni catena inclusa in esso - protomero. Le proteine ​​oligomeriche sono spesso costituite da un numero pari di protomeri; ad esempio, la molecola dell'emoglobina è costituita da due catene polipeptidiche a e due b (Fig. 4).

Circa il 5% delle proteine ​​hanno una struttura quaternaria, comprese l'emoglobina e le immunoglobuline. La struttura della subunità è caratteristica di molti enzimi.

Le molecole proteiche che compongono una proteina con struttura quaternaria si formano separatamente sui ribosomi e solo dopo il completamento della sintesi formano una struttura supramolecolare comune. Una proteina acquisisce attività biologica solo quando i suoi protomeri costituenti si combinano. Alla stabilizzazione della struttura quaternaria partecipano gli stessi tipi di interazioni che partecipano alla stabilizzazione di quella terziaria.

Alcuni ricercatori riconoscono l'esistenza di un quinto livello di organizzazione strutturale delle proteine. Questo metaboloni - complessi macromolecolari polifunzionali di vari enzimi che catalizzano l'intero percorso di trasformazione del substrato (sintetasi degli acidi grassi superiori, complesso della piruvato deidrogenasi, catena respiratoria).

La struttura primaria delle proteine ​​è una catena polipeptidica lineare di amminoacidi collegati da legami peptidici. La struttura primaria è il livello più semplice di organizzazione strutturale di una molecola proteica. L'elevata stabilità gli è conferita dai legami peptidici covalenti tra il gruppo α-amminico di un amminoacido e il gruppo α-carbossilico di un altro amminoacido.

Se il gruppo imminico della prolina o dell'idrossiprolina è coinvolto nella formazione del legame peptidico, allora ha una forma diversa

Quando nelle cellule si formano legami peptidici, il gruppo carbossilico di un amminoacido viene prima attivato e poi si combina con il gruppo amminico di un altro. La sintesi di laboratorio dei polipeptidi viene eseguita più o meno allo stesso modo.

Un legame peptidico è un frammento ripetitivo di una catena polipeptidica. Ha una serie di caratteristiche che influenzano non solo la forma della struttura primaria, ma anche i livelli più alti di organizzazione della catena polipeptidica:

· complanarità - tutti gli atomi compresi nel gruppo peptidico sono sullo stesso piano;

· capacità di esistere in due forme risonanti (forma cheto o enolica);

· trasposizione dei sostituenti rispetto al legame C-N;

· la capacità di formare legami idrogeno, e ciascuno dei gruppi peptidici può formare due legami idrogeno con altri gruppi, compresi quelli peptidici.

L'eccezione sono i gruppi peptidici che coinvolgono il gruppo amminico della prolina o dell'idrossiprolina. Sono in grado di formare solo un legame idrogeno (vedi sopra). Ciò influenza la formazione della struttura secondaria della proteina. La catena polipeptidica nella zona in cui si trova la prolina o l'idrossiprolina si piega facilmente poiché non è trattenuta, come al solito, da un secondo legame idrogeno.

schema di formazione del tripeptide:

Livelli di organizzazione spaziale delle proteine: struttura secondaria delle proteine: concetto di α-elica e foglietto β. Struttura terziaria delle proteine: concetto di proteina nativa e denaturazione delle proteine. Struttura quaternaria delle proteine ​​usando l'esempio della struttura dell'emoglobina.

Struttura secondaria delle proteine. La struttura secondaria di una proteina si riferisce al modo in cui la catena polipeptidica è disposta in una struttura ordinata. In base alla configurazione si distinguono i seguenti elementi della struttura secondaria: α -spirale e β - strato piegato.

Modello di costruzione α-eliche, tenendo conto di tutte le proprietà del legame peptidico, è stato sviluppato da L. Pauling e R. Corey (1949 - 1951).

Nella Figura 3, UN diagramma mostrato α -spirale, dando un'idea dei suoi parametri principali. La catena polipeptidica si ripiega α -spirale in modo tale che le spire della spirale siano regolari, quindi la configurazione della spirale ha simmetria elicoidale (Fig. 3, B). Per ogni turno α -helix ha 3,6 residui aminoacidici. La distanza tra le spire o il passo dell'elica è di 0,54 nm, l'angolo di sterzata è di 26°. Formazione e mantenimento α -la configurazione elicoidale si verifica a causa dei legami idrogeno formati tra i gruppi peptidici di ciascuno N-esimo e ( P+ 3)-esimo residui amminoacidici. Sebbene l'energia dei legami idrogeno sia piccola, un gran numero di essi porta ad un effetto energetico significativo, con conseguente α -la configurazione a spirale è abbastanza stabile. I radicali laterali dei residui di amminoacidi non sono coinvolti nel mantenimento α -configurazione elicoidale, quindi tutti i residui amminoacidici sono presenti α -le spirali sono equivalenti.

Nelle proteine ​​naturali esistono solo quelle destrogire. α -spirali.

Strato di piega β- il secondo elemento della struttura secondaria. A differenza di α -spirali β -lo strato ripiegato ha una forma lineare anziché bastoncino (Fig. 4). La struttura lineare viene mantenuta grazie alla formazione di legami idrogeno tra gruppi peptidici situati in diverse parti della catena polipeptidica. Queste aree risultano essere vicine alla distanza del legame idrogeno tra i gruppi - C = O e HN - (0,272 nm).

Riso. 4. Illustrazione schematica β -strato piegato (le frecce indicano

o direzione della catena polipeptidica)

Riso. 3. Schema ( UN) e modello ( B) α -spirali

La struttura secondaria di una proteina è determinata dalla struttura primaria. I residui di amminoacidi sono in grado di formare legami idrogeno a vari livelli, il che influisce sulla formazione α -spirali o β -strato. Gli amminoacidi che formano l'elica includono alanina, acido glutammico, glutammina, leucina, lisina, metionina e istidina. Se un frammento proteico è costituito principalmente dai residui amminoacidici sopra elencati, allora a α -spirale. Contribuiscono alla formazione valina, isoleucina, treonina, tirosina e fenilalanina β -strati della catena polipeptidica. Strutture disordinate si formano nelle sezioni della catena polipeptidica dove sono concentrati residui di aminoacidi come glicina, serina, acido aspartico, asparagina e prolina.

Molte proteine ​​contengono contemporaneamente α -spirali, e β -strati. La proporzione della configurazione elicoidale varia tra le proteine. Pertanto, la proteina muscolare paramiosina è quasi al 100% elicoidale; la proporzione della configurazione elicoidale nella mioglobina e nell'emoglobina è elevata (75%). Al contrario, nella tripsina e nella ribonucleasi, una parte significativa della catena polipeptidica si inserisce a strati β -strutture. Le proteine ​​dei tessuti di supporto sono cheratina (proteine ​​dei capelli), collagene (proteine ​​della pelle e dei tendini). β -configurazione delle catene polipeptidiche.

Struttura terziaria di una proteina. La struttura terziaria di una proteina è il modo in cui la catena polipeptidica è disposta nello spazio. Affinché una proteina acquisisca le sue proprietà funzionali intrinseche, la catena polipeptidica deve piegarsi in un certo modo nello spazio, formando una struttura funzionalmente attiva. Questa struttura si chiama nativo. Nonostante l’enorme numero di strutture spaziali teoricamente possibili per una singola catena polipeptidica, il ripiegamento proteico porta alla formazione di un’unica configurazione nativa.

La struttura terziaria della proteina è stabilizzata dalle interazioni che si verificano tra i radicali laterali dei residui aminoacidici di diverse parti della catena polipeptidica. Queste interazioni possono essere suddivise in forti e deboli.

Le forti interazioni includono legami covalenti tra gli atomi di zolfo dei residui di cisteina situati in diverse parti della catena polipeptidica. Altrimenti, tali legami sono chiamati ponti disolfuro; La formazione di un ponte disolfuro può essere rappresentata come segue:

Oltre ai legami covalenti, la struttura terziaria di una molecola proteica è mantenuta da interazioni deboli, che a loro volta sono divise in polari e non polari.

Le interazioni polari includono legami ionici e idrogeno. Le interazioni ioniche si formano dal contatto di gruppi caricati positivamente di radicali laterali di lisina, arginina, istidina e del gruppo COOH caricato negativamente di acidi aspartico e glutammico. I legami idrogeno si formano tra i gruppi funzionali dei radicali laterali dei residui amminoacidici.

Alla formazione contribuiscono le interazioni non polari o di van der Waals tra radicali idrocarburici di residui aminoacidici nucleo idrofobico (goccia di grasso) all'interno del globulo proteico, perché i radicali idrocarburici tendono ad evitare il contatto con l'acqua. Maggiore è il numero di amminoacidi non polari contenuti in una proteina, maggiore è il ruolo svolto dai legami di van der Waals nella formazione della sua struttura terziaria.

Numerosi legami tra i radicali laterali dei residui aminoacidici determinano la configurazione spaziale della molecola proteica (Fig. 5).

Riso. 5. Tipi di legami che supportano la struttura terziaria di una proteina:
UN- ponte disolfuro; B - legame ionico; CD - legami di idrogeno;
D - Collegamenti di van der Waals

La struttura terziaria di una singola proteina è unica, così come lo è la sua struttura primaria. Solo la corretta disposizione spaziale della proteina la rende attiva. Varie violazioni della struttura terziaria portano a cambiamenti nelle proprietà proteiche e alla perdita di attività biologica.

Struttura delle proteine ​​quaternarie. Le proteine ​​con un peso molecolare superiore a 100 kDa 1 sono costituite, di regola, da diverse catene polipeptidiche con un peso molecolare relativamente piccolo. Una struttura costituita da un certo numero di catene polipeptidiche che occupano una posizione strettamente fissa l'una rispetto all'altra, a seguito della quale la proteina ha l'una o l'altra attività, è chiamata struttura quaternaria della proteina. Viene chiamata una proteina con una struttura quaternaria epimolecola O multimero e le sue catene polipeptidiche costituenti - rispettivamente subunità O protomi . Una proprietà caratteristica delle proteine ​​con struttura quaternaria è che una singola subunità non ha attività biologica.

La stabilizzazione della struttura quaternaria della proteina avviene a causa delle interazioni polari tra i radicali laterali dei residui aminoacidici localizzati sulla superficie delle subunità. Tali interazioni tengono saldamente le subunità sotto forma di un complesso organizzato. Le aree delle subunità in cui si verificano le interazioni sono chiamate aree di contatto.

Un classico esempio di proteina con struttura quaternaria è l'emoglobina. La molecola di emoglobina con un peso molecolare di 68.000 Da è costituita da quattro subunità di due tipi diversi: α E β / α -La subunità è costituita da 141 residui aminoacidici, a β - da 146. Struttura terziaria α - E β -le subunità sono simili, così come il loro peso molecolare (17.000 Da). Ogni subunità contiene un gruppo prostetico - eme . Poiché l'eme è presente anche in altre proteine ​​(citocromi, mioglobina), che verranno approfondite, discuteremo almeno brevemente la struttura dell'argomento (Fig. 6). Il gruppo eme è un complesso sistema ciclico complanare costituito da un atomo centrale che forma legami di coordinazione con quattro residui pirrolici collegati da ponti metano (= CH -). Nell'emoglobina, il ferro è solitamente in uno stato ossidato (2+).

Quattro subunità: due α e due β - sono collegati in un'unica struttura in modo tale che α -le subunità contattano solo con β -subunità e viceversa (Fig. 7).

Riso. 6. Struttura dell'emoglobina eme

Riso. 7. Rappresentazione schematica della struttura quaternaria dell'emoglobina:
Fe - eme dell'emoglobina

Come si può vedere dalla Figura 7, una molecola di emoglobina è in grado di trasportare 4 molecole di ossigeno. Sia il legame che il rilascio dell'ossigeno sono accompagnati da cambiamenti conformazionali nella struttura α - E β -subunità dell'emoglobina e loro relativa disposizione nell'epimolecola. Questo fatto indica che la struttura quaternaria della proteina non è assolutamente rigida.

Informazioni correlate.

P ERVICHNAYA STRUTTURABELKOV

La struttura primaria di una proteina trasporta informazioni su la sua struttura spaziale.

1. I residui di amminoacidi nella catena peptidica delle proteine ​​non si alternano in modo casuale, ma sono disposti in un certo ordine. Viene chiamata la sequenza lineare di residui amminoacidici in una catena polipeptidica struttura primaria della proteina.

2. La struttura primaria di ogni singola proteina è codificata in una molecola di DNA (una regione chiamata gene) e viene realizzata durante la trascrizione (copia delle informazioni sull'mRNA) e la traduzione (sintesi di una catena peptidica).

3. Ognuna delle 50.000 proteine ​​individuali presenti nel corpo umano possiede unico per una data proteina individuale, la struttura primaria. Tutte le molecole di una singola proteina (ad esempio l'albumina) hanno la stessa alternanza di residui aminoacidici, che distingue l'albumina da qualsiasi altra proteina individuale.

4. La sequenza dei residui aminoacidici nella catena peptidica può essere considerata come
modulo di iscrizione

con alcune informazioni.

Queste informazioni determinano il ripiegamento spaziale di una lunga catena peptidica lineare in una struttura tridimensionale più compatta.

CONFORMAZIONEBELKOV

1. Le catene polipeptidiche lineari delle singole proteine, a causa dell'interazione di gruppi funzionali di amminoacidi, acquisiscono una certa struttura tridimensionale spaziale, o conformazione. Nelle proteine ​​globulari ci sono
due tipologie principali conformazione catene peptidiche: strutture secondarie e terziarie.

SECONDARIOSTRUTTURABELKOV

2. Struttura secondaria delle proteineè una struttura spaziale formata come risultato delle interazioni tra gruppi funzionali della struttura peptidica. In questo caso la catena peptidica può acquisire strutture regolari due tipi:os-spirali E strutture p.

Riso. 1.2. La struttura secondaria della proteina è a-elica.

In os-spirale i legami idrogeno si formano tra l'atomo di ossigeno del gruppo carbossilico e l'acqua il genere dell'azoto ammidico della struttura peptidica attraverso 4 aminoacidi; le catene laterali dei residui amminoacidici si trovano lungo la periferia dell'elica, non partecipando alla formazione di legami idrogeno che formano la struttura secondaria (Fig. 1.2).

Prevengono residui volumetrici di grandi dimensioni o residui con identiche cariche repellenti promuovere la formazione di un’α-elica.

Il residuo di prolina interrompe l'α-elica a causa della sua struttura ad anello e dell'incapacità di formare un legame idrogeno a causa della mancanza di idrogeno nell'atomo di azoto nella catena peptidica.

B-Struttura formato tra regioni lineari di una catena polipeptidica, formando pieghe, o tra diverse catene polipeptidiche. Possono formarsi catene polipeptidiche o parti di esse parallelo(I terminali N e C delle catene peptidiche interagenti sono gli stessi) o antiparallelo(I terminali N e C delle catene peptidiche interagenti si trovano in direzioni opposte) strutture p(Fig. 1.3).

IN Le proteine ​​contengono anche regioni con struttura secondaria irregolare, chiamate in grovigli casuali, sebbene queste strutture non cambino molto da una molecola proteica all'altra.

TERZIARIOSTRUTTURABELKOV

3. Struttura terziaria delle proteineè una struttura spaziale tridimensionale formata a causa delle interazioni tra radicali di amminoacidi, che possono trovarsi a notevole distanza l'uno dall'altro nella catena peptidica.

Riso. 1.3. Antiparallelo (struttura beta).

I radicali aminoacidici idrofobici tendono a combinarsi all'interno della struttura globulare delle proteine ​​attraverso i cosiddetti guida-interazioni rofobiche e le forze intermolecolari di van der Waals, formando un denso nucleo idrofobico. I radicali aminoacidici idrofili ionizzati e non ionizzati si trovano principalmente sulla superficie della proteina e ne determinano la solubilità in acqua.

Gli amminoacidi idrofili presenti all'interno del nucleo idrofobico possono interagire tra loro utilizzando ionico E legami di idrogeno(riso. 1.4).

Riso. 1.4. Tipi di legami che si formano tra i radicali aminoacidici durante la formazione della struttura terziaria di una proteina. 1 - legame ionico; 2 - legame idrogeno; 3 - interazioni idrofobiche; 4 - legame disolfuro.

Riso. 1.5. Legami disolfuro nella struttura dell'insulina umana.

I legami ionici, idrogeno e idrofobici sono deboli: la loro energia non è molto superiore all'energia del movimento termico delle molecole a temperatura ambiente.

La conformazione della proteina viene mantenuta a causa della comparsa di molti legami deboli.

Labilità conformazionale delle proteineè la capacità delle proteine ​​di subire piccoli cambiamenti di conformazione dovuti alla rottura di alcuni e alla formazione di altri legami deboli.

La struttura terziaria di alcune proteine ​​è stabilizzata legami disolfuro, formato a causa dell'interazione dei gruppi SH di due residui di cisteina.

La maggior parte delle proteine ​​intracellulari non hanno legami disolfuro covalenti. La loro presenza è caratteristica delle proteine ​​secrete dalla cellula; ad esempio, i legami disolfuro sono presenti nelle molecole dell'insulina e delle immunoglobuline.

Insulina- un ormone proteico sintetizzato nelle cellule beta del pancreas. Secreto dalle cellule in risposta ad un aumento della concentrazione di glucosio nel sangue. Nella struttura dell'insulina ci sono 2 legami disolfuro che collegano 2 catene polipeptidiche A e B e 1 legame disolfuro all'interno della catena A (Fig. 1.5).

Le caratteristiche della struttura secondaria delle proteine ​​influenzano la natura delle interazioni interradicali e della struttura terziaria.

4. Un certo ordine specifico di alternanza delle strutture secondarie si osserva in molte proteine ​​con strutture e funzioni diverse ed è chiamato struttura supersecondaria.

Come le strutture ordinate sono spesso chiamate motivi strutturali, che hanno nomi specifici: “a-helix-turn-a-helix”, “cerniera di leucina”, “dita di zinco”, “struttura a barile P”, ecc.

In base alla presenza di eliche α e strutture β, le proteine ​​globulari possono essere suddivise in 4 categorie:

1. La prima categoria comprende proteine ​​che contengono solo α-eliche, ad esempio mioglobina ed emoglobina (Fig. 1.6).

2. La seconda categoria comprende proteine ​​che contengono a-eliche e (3-strutture. In questo caso, a- e (3-strutture) spesso formano lo stesso tipo di combinazioni che si trovano in diverse singole proteine.

Esempio. Struttura supersecondaria del tipo P-barile.

L'enzima triosefosfato isomerasi ha una struttura super-secondaria del tipo barile P, dove ciascuna (struttura 3 si trova all'interno del barile P ed è associata alla regione α-elicoidale del polipeptidecatene situate sulla superficie della molecola (Fig. 1.7, UN).

Riso. 1.7. Struttura supersecondaria del tipo p-barile.

a - triosefosfato isomerasi; b - dominio di Piru Vatka Nazy.

La stessa struttura supersecondaria è stata trovata in uno dei domini della molecola dell'enzima piruvato chinasi (Fig. 1.7, b). Un dominio è una parte di una molecola la cui struttura ricorda una proteina globulare indipendente.

Un altro esempio della formazione di una struttura supersecondaria che ha strutture P ed eliche os. In uno dei domini della lattato deidrogenasi (LDH) e della fosfoglicerato chinasi, le strutture P della catena polipeptidica si trovano al centro sotto forma di un foglio ritorto e ciascuna struttura P è associata a una regione α-elicoidale situata sulla superficie della molecola (Fig. 1.8).

Riso. 1.8. La struttura secondaria, caratteristica di molti fer- poliziotti.

UN-dominio della lattato deidrogenasi; B- dominio della fosfoglicerato chinasi.

3. La terza categoria comprende le proteine ​​che hanno contenente solo la struttura p secondaria. Tali strutture si trovano nelle immunoglobuline, nell'enzima superossido dismutasi (Fig. 1.9).

Riso. 1.9. Struttura secondaria del dominio costante delle immunoglobuline (UN)

e l'enzima superossido dismutasi (B).

4. La quarta categoria comprende proteine ​​che contengono solo una piccola quantità di strutture secondarie regolari. Queste proteine ​​includono piccole proteine ​​ricche di cistina o metalloproteine.

Le proteine ​​che legano il DNA hanno tipi comuni di strutture supersecondarie: "os-helix-turn-os-helix", "cerniera leucina", "zinco-le tue dita." Le proteine ​​che legano il DNA contengono un sito di legame complementare a una regione del DNA con una sequenza nucleotidica specifica. Queste proteine ​​sono coinvolte nella regolazione dell'azione dei geni.

« UN- Spirale-gira-a-spirale"

Riso. 1.10. Collegamento del supersecondario

Strutture “a-elica-giro-elica”.

nel solco maggiore D

Questo motivo strutturale comprende 2 eliche: una più corta, l'altra più lunga, collegate da un giro della catena polipeptidica (Fig. 1.10).

L'α-elica più corta si trova attraverso il solco del DNA e l'α-elica più lunga si trova nel solco maggiore, formando legami specifici non covalenti di radicali amminoacidici con nucleotidi del DNA.

Spesso le proteine ​​con tale struttura formano dimeri; di conseguenza, la proteina oligomerica ha 2 strutture supersecondarie.

Due di queste strutture possono legare il DNA nelle regioni adiacenti dei solchi principali

senzacambiamenti significativi nella struttura delle proteine.

"Dito di zinco"

Il “dito di zinco” è un frammento proteico contenente circa 20 residui di amminoacidi (Fig. 1.12).

L'atomo di zinco è associato a 4 radicali aminoacidici: 2 residui di cisteina e 2 residui di istidina.

In alcuni casi, al posto dei residui di istidina, sono presenti residui di cisteina.

proteine ​​sotto forma di “dito di zinco”.

Questa regione della proteina forma un'α-elica, che può legarsi specificamente alle regioni regolatrici del solco principale del DNA.

Le proteine ​​interagenti hanno una regione α-elicoidale contenente almeno 4 residui di leucina.

I residui di leucina si trovano a 6 aminoacidi l'uno dall'altro.

Poiché ogni giro dell'α-elica contiene un residuo di 3,6 aminoacidi, i radicali leucina si trovano sulla superficie di ogni secondo giro.

I residui di leucina dell'α-elica di una proteina possono interagire con i residui di leucina di un'altra proteina (interazioni idrofobiche), collegandoli insieme (Fig. 1.13).

Molte proteine ​​che legano il DNA interagiscono con il DNA sotto forma di strutture oligomeriche, dove le subunità sono collegate tra loro da “cerniere di leucina”. Un esempio di tali proteine ​​sono gli istoni.

Istoni- proteine ​​nucleari, che contengono un gran numero di amminoacidi caricati positivamente - arginina e lisina (fino all'80%).

Le molecole degli istoni vengono combinate in complessi oligomerici contenenti 8 monomeri utilizzando le “cerniere di leucina”, nonostante la forte carica positiva di queste molecole.

Riepilogo. Tutte le molecole di una singola proteina, avendo un'identica struttura primaria, acquisiscono in soluzione la stessa conformazione.

Così, la natura della disposizione spaziale della catena peptidica è determinata dall'amminoacidocomposizione e alternanza dei residui aminoacidici inCatene. Di conseguenza, la conformazione è una caratteristica specifica di una singola proteina quanto la sua struttura primaria.