Struktur sekunder protein adalah heliks. Struktur protein. Struktur protein: primer, sekunder, tersier dan kuaterner. Protein sederhana dan kompleks. Komponen struktural protein

Untuk setiap protein, selain protein utama, juga ada protein tertentu struktur sekunder. Biasanya molekul protein menyerupai pegas yang memanjang.

Inilah yang disebut a-heliks, yang distabilkan oleh banyak ikatan hidrogen yang muncul antara gugus CO dan NH yang terletak di dekatnya. Atom hidrogen dari gugus NH satu asam amino membentuk ikatan seperti itu dengan atom oksigen dari gugus CO dari asam amino lain, dipisahkan dari asam amino pertama oleh empat residu asam amino.

Dengan demikian asam amino 1 ternyata berikatan dengan asam amino 5, asam amino 2 menjadi asam amino 6, dan seterusnya. Analisis struktur sinar-X menunjukkan bahwa terdapat 3,6 residu asam amino per putaran heliks.

Konformasi heliks sepenuhnya dan, oleh karena itu, protein keratin memiliki struktur fibrilar. Itu struktural protein rambut, bulu, kuku, paruh, bulu dan tanduk, yang juga merupakan bagian dari kulit vertebrata.

Kekerasan dan kelenturan keratin bervariasi tergantung pada jumlah jembatan disulfida antara rantai polipeptida yang berdekatan (derajat ikatan silang rantai).

Secara teoritis, semua gugus CO dan NH dapat berpartisipasi dalam pembentukannya ikatan hidrogen, jadi α-helix adalah konformasi yang sangat stabil dan karenanya sangat umum. Bagian α-heliks dalam molekul menyerupai batang kaku. Namun, sebagian besar protein ada dalam bentuk globular, yang juga mengandung daerah (3 lapisan (lihat di bawah) dan daerah dengan struktur tidak beraturan.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa pendidikan ikatan hidrogen Hal ini terhambat oleh sejumlah faktor: adanya residu asam amino tertentu dalam rantai polipeptida, adanya jembatan disulfida antara berbagai bagian rantai yang sama, dan, terakhir, fakta bahwa asam amino prolin umumnya tidak mampu membentuk ikatan hidrogen. .

Lapisan Beta, atau lapisan terlipat- ini adalah tipe yang berbeda struktur sekunder. Fibroin protein sutera, yang disekresikan oleh kelenjar ulat sutera yang mensekresi sutera ketika menggulung kepompong, seluruhnya terwakili dalam bentuk ini. Fibroin terdiri dari sejumlah rantai polipeptida yang lebih memanjang dibandingkan rantai dengan konformasi alfa. spiral.

Rantai-rantai ini tersusun secara paralel, tetapi rantai-rantai yang berdekatan berlawanan arah satu sama lain (antiparalel). Mereka terhubung satu sama lain menggunakan ikatan hidrogen, muncul antara gugus C=0- dan NH dari rantai tetangga. Dalam hal ini, semua gugus NH dan C=0 juga berperan dalam pembentukan ikatan hidrogen, yaitu strukturnya juga sangat stabil.

Konformasi rantai polipeptida ini disebut konformasi beta, dan strukturnya secara keseluruhan merupakan lapisan terlipat. Ia memiliki kekuatan tarik yang tinggi dan tidak dapat diregangkan, tetapi susunan rantai polipeptida ini membuat sutra sangat fleksibel. Pada protein globular, rantai polipeptida dapat terlipat dengan sendirinya, dan kemudian pada titik-titik tersebut muncul daerah globular yang memiliki struktur lapisan terlipat.

Lain metode pengorganisasian rantai polipeptida kita temukan di kolagen protein fibrilar. Ini juga merupakan protein struktural, yang, seperti keratin dan fibroin, memiliki kekuatan tarik yang tinggi. Kolagen memiliki tiga rantai polipeptida yang dipilin menjadi satu, seperti untaian tali, membentuk triple helix. Setiap rantai polipeptida dari heliks kompleks ini, yang disebut tropocollagen, mengandung sekitar 1000 residu asam amino. Rantai polipeptida individu bebas spiral melingkar(tapi bukan a-helix;).

Tiga rantai disatukan ikatan hidrogen. Fibril terbentuk dari banyak heliks rangkap tiga yang tersusun sejajar satu sama lain dan disatukan oleh ikatan kovalen antara rantai yang berdekatan. Mereka pada gilirannya bergabung menjadi serat. Struktur kolagen terbentuk secara bertahap - pada beberapa tingkatan - mirip dengan struktur selulosa. Kolagen juga tidak dapat diregangkan, dan sifat ini penting untuk fungsinya, misalnya pada tendon, tulang, dan jenis jaringan ikat lainnya.

Tupai, yang hanya ada dalam bentuk melingkar penuh, seperti keratin dan kolagen, merupakan pengecualian di antara protein lainnya.

Molekul protein jenis apa pun dalam keadaan aslinya memiliki struktur spasial yang khas, sering disebut konformasi. Istilah yang berbeda digunakan untuk merujuk pada tingkat struktur protein yang berbeda. Istilah struktur sekunder mengacu pada konformasi rantai polipeptida yang memanjang atau melingkar. Istilah struktur tersier mengacu pada cara rantai polipeptida dilipat menjadi struktur yang kompak dan padat. Istilah konformasi yang lebih umum digunakan untuk secara bersamaan mengkarakterisasi struktur sekunder dan tersier suatu rantai, yaitu. konfigurasi spasialnya. Istilah struktur kuaterner mengacu pada metode penyatuan (susunan dalam ruang) rantai polipeptida individu dalam molekul protein yang terdiri dari beberapa rantai serupa.

Biasanya, rantai protein polipeptida mengandung 100 hingga 300 residu asam amino. Beberapa protein memiliki rantai yang lebih panjang; ini termasuk albumin serum (sekitar 550 residu), miosin (sekitar 1800 residu), dll. Namun, jika berat molekul suatu protein melebihi 50.000, ada banyak alasan untuk berasumsi bahwa molekul protein tersebut mengandung setidaknya dua rantai polipeptida .

Protein adalah senyawa bermolekul tinggi dengan batasan yang ketat struktur kimia. Molekul protein terdiri dari satu atau lebih rantai polipeptida yang terbentuk sebagai hasil polikondensasi asam amino. Ketika asam amino digabungkan menjadi rantai protein, ikatan peptida (-NH-CO-) terbentuk, dengan gugus NH+3 di satu ujung dan gugus COO- di ujung lainnya.

Mari kita lihat struktur ikatan peptida.

Ciri khusus ikatan adalah 4 atom N,H,C,O terletak pada bidang yang sama (area yang dilingkari pada gambar). Diketahui bahwa rotasi molekul di sekitar ikatan tunggal menyebabkan munculnya isomer putar.

Pada protein, rotasi di sekitar ikatan peptida C-N sulit dilakukan (energi aktivasi 40 - 80 kJ/mol), karena ikatan ini bersifat ikatan rangkap dan selain itu pada gugus peptida terdapat ikatan hidrogen antara gugus C=O dengan atom hidrogen gugus NH (dengan energi aktivasi 20-30 kJ/mol) .

Oleh karena itu, protein dapat dianggap sebagai rantai unit peptida planar yang terhubung satu sama lain. Rotasi unit-unit ini hanya mungkin terjadi di sekitar ikatan tunggal - karbon dan asam amino (lihat gambar).

Sudut rotasi sekitar koneksi S-S ditunjuk, di sekitar ikatan C-N ditunjuk.

Menemukan konformasi rantai protein yang paling stabil memerlukan minimalisasi energi total, termasuk energi ikatan hidrogen intramolekul. Pauling dan Curie menetapkan 2 varian utama struktur rantai protein, yang disebut -helix dan -form.

-spiral	-membentuk

Beras. Orientasi ikatan hidrogen dalam struktur protein.

Spiral dapat bertangan kanan (=132o, =123o) dan bertangan kiri (=228o, =237o). -bentuk bisa sejajar (=61o, =239o) dan antiparalel (=380o, =325o).

Selain itu, ada daerah dalam protein yang tidak membentuk struktur teratur. Misalnya, dalam hemoglobin, 75% asam amino membentuk heliks α sisi kanan, dan bagian rantai lainnya tidak terurut sama sekali. Daerah yang dipesan sering disebut bagian kristal molekul protein, dan area yang tidak teratur - bentuk amorf tupai.

Daerah amorf- depo bahan bangunan, yang, jika perlu, digunakan untuk membuat bagian yang dipesan.

Rantai polipeptida yang disintesis di dalam sel, terbentuk sebagai hasil sambungan berurutan residu asam amino, seolah-olah merupakan molekul protein yang terbuka penuh. Agar protein memperoleh sifat fungsional yang melekat, rantai harus terlipat dengan cara tertentu di ruang angkasa, membentuk struktur yang aktif secara fungsional (“asli”). Meskipun sejumlah besar struktur spasial yang secara teori dimungkinkan untuk suatu rangkaian asam amino individu, pelipatan setiap protein mengarah pada pembentukan konformasi asli tunggal. Oleh karena itu, harus ada kode yang menentukan hubungan antara urutan asam amino rantai polipeptida dan jenis struktur spasial yang dibentuknya.

Ternyata proses pelipatan protein secara in vivo tidak dapat dianggap spontan atau tidak bergantung pada energi. Berkat sistem pengaturan yang sangat terkoordinasi yang ada di dalam sel, sejak “kelahirannya”, meninggalkan ribosom, ia berada di bawah kendali faktor-faktor yang, tanpa mengubah jalur pelipatan spesifik (ditentukan oleh kode genetik), menyediakan kondisi optimal untuk mewujudkan pembentukan struktur tata ruang asli secara cepat dan efektif.

Kemampuan suatu bagian tertentu dari rantai polipeptida untuk membentuk elemen struktur sekunder (misalnya, untuk melipat menjadi heliks-a) bergantung pada sifat urutan asam amino dari bagian rantai tersebut. Dengan demikian, jumlah dan lokasi heliks a, untai b, dan loop di sepanjang rantai polipeptida bervariasi antara protein yang berbeda dan ditentukan oleh kode genetik. Hal ini menjelaskan potensi kemampuan rantai polipeptida mana pun untuk melipat secara spontan menjadi struktur tersier yang unik.

Beras. Diagram struktur spasial protein kecil (penghambat trypsin pankreas). Jalannya rantai utama digambarkan dengan latar belakang kontur umum molekul; -heliks, -untai, rotasi rantai tajam (t) dan jembatan sistein (- - -) disorot. Karena protein melipat dirinya sendiri, semua ini dapat diprediksi hanya dari struktur primer proteinnya saja. Kelompok samping tidak ditampilkan di sini, tetapi - pada prinsipnya - lokasinya di luar angkasa juga dapat diprediksi.

Menurut konsep modern, proses pelipatan bersifat hierarkis: pertama, elemen struktur sekunder terbentuk dengan sangat cepat (dalam milidetik), berfungsi sebagai “benih” bagi pembentukan motif arsitektur yang lebih kompleks (tahap 1). Tahap kedua (juga terjadi dengan sangat cepat) adalah asosiasi spesifik beberapa elemen struktur sekunder dengan pembentukan struktur supersekunder (ini dapat berupa kombinasi beberapa heliks a, beberapa rantai b, atau gabungan campuran elemen-elemen ini) .

Pembentukan struktur asli protein yang terdiri dari dua atau lebih domain diperumit oleh tahap tambahan - pembentukan kontak spesifik antar domain. Situasinya menjadi lebih rumit ketika bentuk oligomer dari protein aktif secara fungsional (yaitu, terdiri dari beberapa rantai polipeptida, yang masing-masing, setelah dilipat, membentuk apa yang disebut subunit). Dalam kasus ini, tahap lain ditambahkan - pembentukan kontak antar subunit.

Tahap transformasi “gumpalan cair” menjadi protein asli adalah yang paling lambat, sehingga membatasi laju keseluruhan proses. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa pembentukan “kumpulan optimal” interaksi spesifik yang menstabilkan konformasi asli dikaitkan dengan kebutuhan penataan ulang struktural yang terjadi relatif lambat. Ini termasuk isomerisasi cis-trans dari ikatan peptida sebelum residu prolin. Karena konformasi trans lebih stabil, ia mendominasi rantai polipeptida yang baru disintesis. Namun, untuk pembentukan struktur protein asli, sekitar 7% ikatan yang dibentuk oleh residu prolin perlu diisomerisasi menjadi konformasi cis. Reaksi ini yang menyebabkan rantai berputar 1800 koneksi C-N, sangat lambat. In vivo, ini dipercepat karena aksi enzim khusus - peptidyl-prolyl-cis/trans-isomerase.

Enzim kedua, yang mempercepat proses pelipatan, mengkatalisis pembentukan dan isomerisasi ikatan disulfida. Ini terlokalisasi di lumen retikulum endoplasma dan mendorong pelipatan protein yang disekresikan oleh sel yang mengandung jembatan disulfida (misalnya, insulin, ribonuklease, imunoglobulin). Beras. 3 menjelaskan peran enzim ini dalam pembentukan ikatan disulfida yang menstabilkan struktur protein asli dan dalam pembelahan jembatan S-S yang “salah”.

Struktur sekunder protein. Pertama-tama, kita akan berbicara tentang struktur sekunder biasa - struktur a-heliks dan b.

Susunan struktur a dan b menjadi globul menentukan struktur tersier protein. Struktur sekunder ini dibedakan berdasarkan konformasi rantai utama tertentu dan berkala - dengan berbagai konformasi kelompok samping.

Gambar. Struktur sekunder rantai polipeptida (untai a-heliks dan b-sheet) dan struktur tersier globul protein.

Mari kita mulai dengan spiral. Bisa kiri atau kanan, bisa memiliki periode dan langkah yang berbeda. Spiral kanan (R) datang kepada kita dengan melengkung berlawanan arah jarum jam (yang sesuai dengan sudut positif dalam trigonometri); kiri (Kiri) - berputar searah panah.

Heliks terpenting dalam rantai polipeptida disatukan oleh ikatan hidrogen, di mana gugus C=O dari tulang punggung polipeptida terhubung ke gugus yang terletak jauh darinya menuju ujung C rantai. kelompok H-N. Pada prinsipnya, heliks berikatan H berikut ini mungkin terjadi: 27, 310, 413 (biasanya disebut a) dan 516 (disebut juga p). Di sini, dalam nama "27" - "2" berarti ikatan dengan residu ke-2 dalam rantai, dan "7" adalah jumlah atom dalam cincin (O......H-N-C"-Ca-N-C") ditutup oleh obligasi ini. Angka-angka pada nama spiral lainnya memiliki arti yang sama.

Beras. Ikatan hidrogen (ditunjukkan oleh panah), merupakan karakteristik heliks yang berbeda.
Manakah dari struktur heliks berikut yang mendominasi protein? a-heliks. Mengapa? Jawaban atas pertanyaan ini diberikan oleh peta Ramachandran untuk residu asam amino khas, alanin, yang menunjukkan konformasi yang pengulangan periodiknya mengarah pada pembentukan ikatan hidrogen yang ditunjukkan pada gambar.

Beras. Konformasi berbagai struktur sekunder dengan latar belakang peta konformasi residu asam amino yang diperbolehkan dan dilarang. 27R, 27L: spiral kanan dan kiri 27; 310R, 310L: spiral kanan dan kiri 310; R, L - kanan dan kiri -heliks; R, L - kanan dan kiri -heliks.  - -struktur (untuk detailnya lihat Gambar 7-8b). Heliks P - Poli(Pro)II. - konformasi yang diperbolehkan untuk alanin (Ala); - area yang diperbolehkan hanya untuk glisin, tetapi tidak untuk alanin dan residu lainnya; - area terlarang untuk semua residu.  dan  adalah sudut rotasi internal rantai protein.

Dapat dilihat bahwa hanya heliks R (-kanan) yang terletak cukup dalam di dalam wilayah yang diperbolehkan untuk alanin (dan untuk semua residu lainnya). Heliks lain terletak di tepi wilayah ini (misalnya, heliks kiri L atau heliks kanan 310), di mana tekanan konformasi sudah meningkat, atau di wilayah yang hanya dapat diakses oleh glisin. Oleh karena itu, kita dapat berharap bahwa -heliks kananlah yang seharusnya lebih stabil, dan oleh karena itu mendominasi protein - dan itulah yang diamati. Pada α-heliks kanan, semua atom tersusun secara optimal: rapat, tetapi tanpa tegangan; Oleh karena itu, tidak mengherankan jika terdapat banyak heliks dalam protein, dan dalam protein fibrilar heliks tersebut mencapai panjang yang sangat besar dan mencakup ratusan residu asam amino.

Pada pertengahan 1980-an, era baru dimulai dalam studi mekanisme pengaturan pelipatan protein secara in vivo. Ditemukan bahwa di dalam sel terdapat kategori protein khusus, yang fungsi utamanya adalah memastikan pelipatan rantai polipeptida yang benar ke dalam struktur aslinya. Protein-protein ini, dengan mengikat konformasi rantai polipeptida yang terbuka atau sebagian, mencegahnya “menjadi bingung” dan membentuk struktur yang salah. Mereka mempertahankan protein yang terlipat sebagian, memfasilitasi perpindahannya ke formasi subselular yang berbeda, dan juga menciptakan kondisi untuk pelipatan yang efektif. Protein-protein ini disebut “pendamping molekuler”, yang secara kiasan mencerminkan fungsinya ( kata bahasa Inggris pendamping memiliki arti yang dekat dengan kata "pengasuh").

Struktur utama protein adalah rantai polipeptida linier asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida. Struktur primer - tingkat paling sederhana organisasi struktural molekul protein. Stabilitas tinggi diberikan oleh ikatan peptida kovalen antara gugus α-amino dari satu asam amino dan gugus α-karboksil dari asam amino lain.

Jika gugus imino prolin atau hidroksiprolin terlibat dalam pembentukan ikatan peptida, maka bentuknya berbeda.

Ketika ikatan peptida terbentuk di dalam sel, gugus karboksil dari satu asam amino diaktifkan terlebih dahulu, dan kemudian bergabung dengan gugus amino asam amino lainnya. Sintesis polipeptida di laboratorium dilakukan dengan cara yang kira-kira sama.

Ikatan peptida adalah fragmen berulang dari rantai polipeptida. Ia memiliki sejumlah fitur yang tidak hanya mempengaruhi bentuk struktur utama, tetapi juga tingkat yang lebih tinggi organisasi rantai polipeptida:

· koplanaritas - semua atom yang termasuk dalam kelompok peptida berada pada bidang yang sama;

· kemampuan untuk eksis dalam dua bentuk resonansi (bentuk keto atau enol);

· posisi trans substituen relatif terhadap ikatan C-N;

· kemampuan membentuk ikatan hidrogen, dan masing-masing gugus peptida dapat membentuk dua ikatan hidrogen dengan gugus lain, termasuk gugus peptida.

Pengecualiannya adalah gugus peptida yang melibatkan gugus amino prolin atau hidroksiprolin. Mereka hanya mampu membentuk satu ikatan hidrogen (lihat di atas). Hal ini mempengaruhi pembentukan struktur sekunder protein. Rantai polipeptida di daerah di mana prolin atau hidroksiprolin berada mudah tertekuk, karena tidak terikat, seperti biasanya, oleh ikatan hidrogen kedua.

skema pembentukan tripeptida:

Tingkat organisasi spasial protein: struktur sekunder protein: konsep lapisan α-helix dan β-sheet. Struktur protein tersier: konsep protein asli dan denaturasi protein. Struktur kuartener protein menggunakan contoh struktur hemoglobin.

Struktur sekunder protein. Struktur sekunder suatu protein mengacu pada cara rantai polipeptida disusun menjadi struktur yang teratur. Menurut konfigurasinya, elemen struktur sekunder berikut dibedakan: α -spiral dan β - lapisan terlipat.

Model bangunan α-heliks, dengan mempertimbangkan semua sifat ikatan peptida, dikembangkan oleh L. Pauling dan R. Corey (1949 - 1951).

Pada Gambar 3, A diagram ditampilkan α -spiral, memberikan gambaran tentang parameter utamanya. Rantai polipeptida terlipat menjadi α -spiral sedemikian rupa sehingga putaran spiral teratur, oleh karena itu konfigurasi spiral mempunyai simetri heliks (Gbr. 3, B). Untuk setiap belokan α -helix memiliki 3,6 residu asam amino. Jarak antar putaran atau helix pitch adalah 0,54 nm, sudut putarannya adalah 26°. Pembentukan dan pemeliharaan α -Konfigurasi heliks terjadi karena terbentuknya ikatan hidrogen antar gugus peptida masing-masing N-th dan ( N+ 3)-residu asam amino. Meskipun energi ikatan hidrogen rendah, jumlah besar mengarah pada efek energik yang signifikan, menghasilkan α -Konfigurasi spiral cukup stabil. Radikal samping dari residu asam amino tidak terlibat dalam pemeliharaan α -konfigurasi heliks, sehingga semua residu asam amino masuk α -spiral setara.

Dalam protein alami, hanya ada yang bertangan kanan. α -spiral.

lapisan lipatan β- elemen kedua dari struktur sekunder. Berbeda dengan α -spiral β -lapisan yang terlipat memiliki bentuk linier, bukan batang (Gbr. 4). Struktur linier dipertahankan karena pembentukan ikatan hidrogen antara kelompok peptida yang terletak di berbagai bagian rantai polipeptida. Daerah ini ternyata dekat dengan jarak ikatan hidrogen antara gugus -C = O dan HN - (0,272 nm).

Beras. 4. Ilustrasi skema β -lapisan terlipat (tanda panah menunjukkan

o arah rantai polipeptida)

Beras. 3. Skema ( A) dan modelnya ( B) α -spiral

Struktur sekunder suatu protein ditentukan oleh struktur primernya. Residu asam amino mampu membentuk ikatan hidrogen pada tingkat yang berbeda-beda, yang mempengaruhi pembentukannya α -spiral atau β -lapisan. Asam amino pembentuk heliks antara lain alanin, asam glutamat, glutamin, leusin, lisin, metionin, dan histidin. Jika suatu fragmen protein sebagian besar terdiri dari residu asam amino yang tercantum di atas, maka a α -spiral. Valin, isoleusin, treonin, tirosin dan fenilalanin berkontribusi pada pembentukan β -lapisan rantai polipeptida. Struktur yang tidak teratur muncul di bagian rantai polipeptida di mana residu asam amino seperti glisin, serin, asam aspartat, asparagin, dan prolin terkonsentrasi.

Banyak protein yang terkandung secara bersamaan α -spiral, dan β -lapisan. Proporsi konfigurasi heliks bervariasi antar protein. Jadi, protein otot paramyosin hampir 100% berbentuk heliks; proporsi konfigurasi heliks pada mioglobin dan hemoglobin tinggi (75%). Sebaliknya, pada trypsin dan ribonuklease, sebagian besar rantai polipeptida berlapis β -struktur. Protein jaringan pendukung - keratin (protein rambut), kolagen (protein kulit dan tendon) - miliki β -konfigurasi rantai polipeptida.

Struktur tersier suatu protein. Struktur tersier suatu protein adalah susunan rantai polipeptida dalam ruang. Agar protein memperoleh sifat fungsional yang melekat, rantai polipeptida harus terlipat dengan cara tertentu di ruang angkasa, membentuk struktur yang aktif secara fungsional. Struktur ini disebut warga asli. Meskipun sejumlah besar struktur spasial secara teori dimungkinkan untuk rantai polipeptida individu, pelipatan protein mengarah pada pembentukan konfigurasi asli tunggal.

Struktur tersier protein distabilkan oleh interaksi yang terjadi antara radikal samping residu asam amino dari berbagai bagian rantai polipeptida. Interaksi ini dapat dibagi menjadi kuat dan lemah.

Interaksi kuat meliputi ikatan kovalen antara atom belerang residu sistein yang terletak di berbagai bagian rantai polipeptida. Jika tidak, ikatan tersebut disebut jembatan disulfida; Pembentukan jembatan disulfida dapat digambarkan sebagai berikut:

Selain ikatan kovalen, struktur tersier molekul protein didukung oleh interaksi lemah, yang selanjutnya terbagi menjadi polar dan nonpolar.

Interaksi polar meliputi ikatan ionik dan hidrogen. Interaksi ionik dibentuk oleh kontak gugus radikal samping lisin, arginin, histidin yang bermuatan positif dan gugus COOH asam aspartat dan glutamat yang bermuatan negatif. Ikatan hidrogen muncul antara gugus fungsi radikal samping residu asam amino.

Interaksi nonpolar atau van der Waals antara radikal hidrokarbon residu asam amino berkontribusi pada pembentukan inti hidrofobik (penurunan lemak) di dalam gumpalan protein, karena radikal hidrokarbon cenderung menghindari kontak dengan air. Semakin banyak asam amino nonpolar yang dikandung suatu protein, semakin besar peran ikatan van der Waals dalam pembentukan struktur tersiernya.

Banyaknya ikatan antara radikal samping residu asam amino menentukan konfigurasi spasial molekul protein (Gbr. 5).

Beras. 5. Jenis ikatan yang mendukung struktur tersier suatu protein:
A- jembatan disulfida; B - ikatan ionik; c, d - ikatan hidrogen;
D - koneksi van der Waals

Struktur tersier suatu protein adalah unik, begitu pula struktur utamanya. Hanya penataan ruang yang benar dari protein yang membuatnya aktif. Berbagai pelanggaran struktur tersier menyebabkan perubahan sifat protein dan hilangnya aktivitas biologis.

Struktur protein kuarter. Protein dengan berat molekul lebih dari 100 kDa 1 biasanya terdiri dari beberapa rantai polipeptida dengan berat molekul yang relatif kecil. Suatu struktur yang terdiri dari sejumlah rantai polipeptida yang menempati posisi tetap relatif satu sama lain, sebagai akibatnya protein memiliki aktivitas tertentu, disebut struktur kuaterner protein. Protein yang mempunyai struktur kuaterner disebut epimolekul atau multimer , dan rantai polipeptida penyusunnya - masing-masing subunit atau protomer . Ciri khas protein dengan struktur kuaterner adalah bahwa subunit individu tidak memiliki aktivitas biologis.

Stabilisasi struktur kuaterner protein terjadi karena interaksi polar antara radikal samping residu asam amino yang terlokalisasi pada permukaan subunit. Interaksi seperti itu dengan kuat memegang subunit dalam bentuk kompleks yang terorganisir. Area subunit tempat terjadinya interaksi disebut area kontak.

Contoh klasik protein dengan struktur kuaterner adalah hemoglobin. Molekul hemoglobin dengan berat molekul 68.000 Da terdiri dari empat subunit dua jenis yang berbeda - α Dan β / α -Subunit terdiri dari 141 residu asam amino, a β - dari 146. Struktur tersier α - Dan β -subunit serupa, begitu pula berat molekulnya (17.000 Da). Setiap subunit berisi kelompok prostetik - dia me . Karena heme juga terdapat dalam protein lain (sitokrom, mioglobin), yang akan dipelajari lebih lanjut, setidaknya kita akan membahas secara singkat struktur topiknya (Gbr. 6). Gugus heme merupakan sistem siklik koplanar kompleks yang terdiri dari atom pusat yang membentuk ikatan koordinasi dengan empat residu pirol yang dihubungkan oleh jembatan metana (= CH -). Dalam hemoglobin, zat besi biasanya dalam keadaan teroksidasi (2+).

Empat subunit - dua α dan dua β - dihubungkan menjadi satu struktur sedemikian rupa sehingga α -subunit hanya menghubungi dengan β -subunit dan sebaliknya (Gbr. 7).

Beras. 6. Struktur heme hemoglobin

Beras. 7. Representasi skema struktur kuaterner hemoglobin:
Fe - hemoglobin heme

Terlihat pada Gambar 7, satu molekul hemoglobin mampu membawa 4 molekul oksigen. Baik pengikatan maupun pelepasan oksigen disertai dengan perubahan konformasi pada struktur α - Dan β -subunit hemoglobin dan susunan relatifnya dalam epimolekul. Fakta ini menunjukkan bahwa struktur kuaterner protein tidak sepenuhnya kaku.

Informasi terkait.

Struktur sekunder adalah cara pelipatan rantai polipeptida menjadi struktur teratur akibat terbentuknya ikatan hidrogen antara gugus peptida dari rantai yang sama atau rantai polipeptida yang berdekatan. Menurut konfigurasinya, struktur sekunder dibagi menjadi heliks (α-heliks) dan berlapis-lipat (struktur β dan bentuk silang).

α-Heliks. Ini adalah jenis struktur protein sekunder yang terlihat seperti heliks biasa, terbentuk karena ikatan hidrogen interpeptida dalam satu rantai polipeptida. Model struktur α-helix (Gbr. 2), yang memperhitungkan semua sifat ikatan peptida, diusulkan oleh Pauling dan Corey. Fitur utama α-heliks:

· konfigurasi heliks dari rantai polipeptida yang memiliki simetri heliks;

· pembentukan ikatan hidrogen antara gugus peptida setiap residu asam amino pertama dan keempat;

Keteraturan putaran spiral;

· kesetaraan semua residu asam amino dalam α-heliks, terlepas dari struktur radikal sampingnya;

· Radikal samping asam amino tidak ikut serta dalam pembentukan α-helix.

Secara eksternal, α-helix tampak seperti spiral kompor listrik yang agak memanjang. Keteraturan ikatan hidrogen antara gugus peptida pertama dan keempat menentukan keteraturan putaran rantai polipeptida. Ketinggian satu putaran, atau tinggi nada heliks α, adalah 0,54 nm; itu mencakup 3,6 residu asam amino, yaitu, setiap residu asam amino bergerak sepanjang sumbu (ketinggian satu residu asam amino) sebesar 0,15 nm (0,54:3,6 = 0,15 nm), yang memungkinkan kita berbicara tentang kesetaraan semua residu asam amino dalam α-heliks. Periode keteraturan suatu α-heliks adalah 5 putaran atau 18 residu asam amino; panjang satu periode adalah 2,7 nm. Beras. 3. Model a-heliks Pauling-Corey

β-Struktur. Ini adalah jenis struktur sekunder yang memiliki konfigurasi rantai polipeptida sedikit melengkung dan dibentuk oleh ikatan hidrogen interpeptida dalam bagian individu dari satu rantai polipeptida atau rantai polipeptida yang berdekatan. Ini juga disebut struktur lipatan berlapis. Ada jenis struktur β. Daerah berlapis terbatas yang dibentuk oleh satu rantai polipeptida suatu protein disebut bentuk silang (struktur β pendek). Ikatan hidrogen dalam bentuk silang-β terbentuk antara kelompok peptida dari loop rantai polipeptida. Tipe lain - struktur β lengkap - merupakan karakteristik seluruh rantai polipeptida, yang memiliki bentuk memanjang dan dipegang oleh ikatan hidrogen interpeptida antara rantai polipeptida paralel yang berdekatan (Gbr. 3). Struktur ini menyerupai tiupan akordeon. Selain itu, varian struktur β dimungkinkan: mereka dapat dibentuk oleh rantai paralel (ujung N-terminal rantai polipeptida diarahkan ke arah yang sama) dan antiparalel (ujung N-terminal diarahkan ke arah yang berbeda). Radikal samping dari satu lapisan ditempatkan di antara radikal samping dari lapisan lainnya.

Dalam protein, transisi dari struktur α ke struktur β dan sebaliknya dimungkinkan karena penataan ulang ikatan hidrogen. Alih-alih ikatan hidrogen interpeptida biasa di sepanjang rantai (yang menyebabkan rantai polipeptida dipelintir menjadi spiral), bagian heliks terlepas dan ikatan hidrogen menutup di antara fragmen rantai polipeptida yang memanjang. Transisi ini ditemukan pada keratin, protein rambut. Saat mencuci rambut dengan alkaline deterjen Struktur spiral β-keratin mudah hancur dan berubah menjadi α-keratin (rambut keriting diluruskan).

Penghancuran struktur sekunder protein yang teratur (heliks α dan struktur β), dengan analogi dengan peleburan kristal, disebut “peleburan” polipeptida. Dalam hal ini, ikatan hidrogen terputus, dan rantai polipeptida berbentuk kusut acak. Akibatnya, stabilitas struktur sekunder ditentukan oleh ikatan hidrogen interpeptida. Jenis ikatan lain hampir tidak mengambil bagian dalam hal ini, kecuali ikatan disulfida di sepanjang rantai polipeptida di lokasi residu sistein. Peptida pendek ditutup menjadi siklus karena ikatan disulfida. Banyak protein mengandung daerah heliks α dan struktur β. Hampir tidak ada protein alami yang terdiri dari 100% α-heliks (kecuali paramyosin, protein otot yang 96-100% α-heliks), sedangkan polipeptida sintetik memiliki 100% heliks.

Protein lain memiliki tingkat penggulungan yang berbeda-beda. Frekuensi tinggi struktur heliks α diamati pada paramiosin, mioglobin, dan hemoglobin. Sebaliknya, pada trypsin, suatu ribonuklease, sebagian besar rantai polipeptida dilipat menjadi struktur β berlapis. Protein jaringan pendukung: keratin (protein rambut, wol), kolagen (protein tendon, kulit), fibroin (protein sutra alam) memiliki konfigurasi rantai polipeptida β. Perbedaan derajat helisitas rantai polipeptida protein menunjukkan bahwa, jelas, terdapat kekuatan yang mengganggu sebagian helisitas atau “memutus” lipatan teratur rantai polipeptida. Alasannya adalah pelipatan rantai polipeptida protein yang lebih kompak dalam volume tertentu, yaitu menjadi struktur tersier.

P ERVICHNAYA STRUKTURBELKOV

Struktur utama protein membawa informasi tentang struktur spasialnya.

1. Residu asam amino pada rantai peptida protein tidak bergantian secara acak, tetapi tersusun dalam urutan tertentu. Urutan linier residu asam amino dalam rantai polipeptida disebut struktur utama protein.

2. Struktur utama setiap protein individu dikodekan dalam molekul DNA (wilayah yang disebut gen) dan diwujudkan selama transkripsi (menyalin informasi ke mRNA) dan translasi (sintesis rantai peptida).

3. Masing-masing dari 50.000 protein yang dimiliki tubuh manusia unik untuk protein individu tertentu, struktur primer. Semua molekul protein individu (misalnya albumin) memiliki pergantian residu asam amino yang sama, yang membedakan albumin dari protein individu lainnya.

4. Urutan residu asam amino pada rantai peptida dapat dianggap sebagai
formulir masuk

dengan beberapa informasi.

Informasi ini menentukan pelipatan spasial rantai peptida linier panjang menjadi struktur tiga dimensi yang lebih kompak.

KONFORMASIBELKOV

1. Rantai polipeptida linier dari protein individu, karena interaksi gugus fungsi asam amino, memperoleh struktur atau konformasi tiga dimensi spasial tertentu. Dalam protein globular ada
dua tipe utama konformasi rantai peptida: struktur sekunder dan tersier.

SEKUNDERSTRUKTURBELKOV

2. Struktur sekunder protein adalah struktur spasial yang terbentuk sebagai hasil interaksi antar gugus fungsi tulang punggung peptida. Dalam hal ini, rantai peptida dapat memperoleh struktur yang teratur dua jenis:os-spiral Dan struktur-p.

Beras. 1.2. Struktur sekunder protein adalah a-heliks.

Di os-spiral ikatan hidrogen terbentuk antara atom oksigen dari gugus karboksil dan air genus nitrogen Amida dari tulang punggung peptida melalui 4 asam amino; rantai samping residu asam amino terletak di sepanjang pinggiran heliks, tidak ikut serta dalam pembentukan ikatan hidrogen yang membentuk struktur sekunder (Gbr. 1.2).

Residu bervolume besar atau residu dengan muatan tolak-menolak yang sama dapat dicegah mendorong pembentukan α-helix.

Residu prolin mengganggu α-heliks karena struktur cincinnya dan ketidakmampuan membentuk ikatan hidrogen karena kurangnya hidrogen pada atom nitrogen dalam rantai peptida.

B-Struktur terbentuk antara daerah linier dari satu rantai polipeptida, membentuk lipatan, atau antara rantai polipeptida yang berbeda. Rantai polipeptida atau bagiannya dapat terbentuk paralel(ujung N dan C dari rantai peptida yang berinteraksi adalah sama) atau antiparalel(Ujung N dan C dari rantai peptida yang berinteraksi terletak pada arah yang berlawanan) struktur-p(Gbr. 1.3).

DI DALAM Protein juga mengandung daerah dengan struktur sekunder tidak beraturan, yang disebut dalam kusut acak, meskipun struktur ini tidak banyak berubah dari satu molekul protein ke molekul lainnya.

TERSIERSTRUKTURBELKOV

3. Struktur protein tersier adalah struktur spasial tiga dimensi yang terbentuk karena interaksi antara radikal asam amino, yang dapat ditempatkan pada jarak yang cukup jauh satu sama lain dalam rantai peptida.

Beras. 1.3. Antiparalel (struktur beta.)

Radikal asam amino hidrofobik cenderung bergabung dalam struktur globular protein melalui apa yang disebut memandu-interaksi rofobia dan gaya van der Waals antarmolekul, membentuk inti hidrofobik yang padat. Radikal asam amino terionisasi dan non-terionisasi hidrofilik terutama terletak di permukaan protein dan menentukan kelarutannya dalam air.

Asam amino hidrofilik yang terdapat di dalam inti hidrofobik dapat berinteraksi satu sama lain menggunakan ionik Dan ikatan hidrogen(beras. 1.4).

Beras. 1.4. Jenis ikatan yang timbul antara radikal asam amino selama pembentukan struktur tersier suatu protein. 1 - ikatan ionik; 2 - ikatan hidrogen; 3 - interaksi hidrofobik; 4 - ikatan disulfida.

Beras. 1.5. Ikatan disulfida dalam struktur insulin manusia.

Ikatan ionik, hidrogen, dan hidrofobik lemah: energinya tidak jauh lebih tinggi daripada energi gerak termal molekul pada suhu kamar.

Konformasi protein dipertahankan karena munculnya banyak ikatan lemah.

Labilitas konformasi protein adalah kemampuan protein untuk mengalami perubahan kecil dalam konformasi akibat putusnya sebagian protein dan pembentukan ikatan lemah lainnya.

Struktur tersier beberapa protein menjadi stabil ikatan disulfida, terbentuk karena interaksi gugus SH dari dua residu sistein.

Kebanyakan protein intraseluler tidak memiliki ikatan disulfida kovalen. Kehadiran mereka merupakan karakteristik protein yang disekresikan oleh sel; misalnya, ikatan disulfida terdapat dalam molekul insulin dan imunoglobulin.

Insulin- hormon protein yang disintesis dalam sel beta pankreas. Disekresikan oleh sel sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi glukosa dalam darah. Dalam struktur insulin terdapat 2 ikatan disulfida yang menghubungkan 2 rantai polipeptida A dan B, dan 1 ikatan disulfida di dalam rantai A (Gbr. 1.5).

Ciri-ciri struktur sekunder protein mempengaruhi sifat interaksi antarradikal dan struktur tersier.

4. Urutan spesifik tertentu dari pergantian struktur sekunder diamati pada banyak protein dengan struktur dan fungsi berbeda dan disebut struktur supersekunder.

Seperti struktur yang tertata sering disebut dengan motif struktural, yang memiliki nama khusus: “a-helix-turn-a-helix”, “leucine ritsleting”, “seng jari”, “P-struktur barel”, dll.

Berdasarkan keberadaan heliks α dan struktur β, protein globular dapat dibagi menjadi 4 kategori:

1. Kategori pertama mencakup protein yang hanya mengandung heliks α, misalnya mioglobin dan hemoglobin (Gbr. 1.6).

2. Kategori kedua mencakup protein yang mengandung heliks a dan (struktur 3. Dalam hal ini, struktur a dan (3) sering kali membentuk jenis kombinasi yang sama yang ditemukan pada protein individu yang berbeda.

Contoh. Struktur supersekunder tipe P-barrel.

Enzim triosephosphate isomerase mempunyai struktur supersekunder tipe P-barrel, dimana masing-masing (3-struktur terletak di dalam P-barrel dan berhubungan dengan daerah heliks α dari polipeptida.rantai yang terletak di permukaan molekul (Gbr. 1.7, A).

Beras. 1.7. Struktur supersekunder tipe p-barrel.

a - isomerase triosefosfat; b - domain Piru Vatka Naziy.

Struktur supersekunder yang sama ditemukan di salah satu domain molekul enzim piruvat kinase (Gbr. 1.7, b). Domain adalah bagian dari molekul yang strukturnya menyerupai protein globular independen.

Contoh lain terbentuknya struktur supersekunder yang memiliki struktur P dan os-heliks. Pada salah satu domain laktat dehidrogenase (LDH) dan fosfogliserat kinase, struktur P rantai polipeptida terletak di tengah dalam bentuk lembaran bengkok, dan setiap struktur P berasosiasi dengan daerah heliks α yang terletak pada permukaan molekul (Gbr. 1.8).

Beras. 1.8. Struktur sekunder, karakteristik banyak fer- polisi.

A-domain dehidrogenase laktat; B- domain fosfogliserat kinase.

3. Kategori ketiga meliputi protein yang memiliki hanya struktur p sekunder. Struktur seperti itu ditemukan pada imunoglobulin, pada enzim superoksida dismutase (Gbr. 1.9).

Beras. 1.9. Struktur sekunder dari domain konstan imunoglobulin (A)

dan enzim superoksida dismutase (B).

4. Kategori keempat mencakup protein yang hanya mengandung sejumlah kecil struktur sekunder biasa. Protein ini termasuk protein kecil yang kaya sistin atau metaloprotein.

Protein pengikat DNA mengandung tipe umum struktur super sekunder: "os-helix-turn-os-helix", "ritsleting leusin", "seng-jarimu." Protein pengikat DNA mengandung situs pengikatan yang melengkapi wilayah DNA dengan urutan nukleotida tertentu. Protein ini terlibat dalam regulasi aksi gen.

« A- Spiral—putar—spiral"

Beras. 1.10. Menghubungkan sekolah menengah atas

struktur “a-helix-turn-a-helix”.

di alur utama D

Struktur DNA beruntai ganda memiliki 2 alur: mayor dan minor.Nyerialur leher bagusdiadaptasi untuk mengikat protein dengan daerah heliks kecil.

Motif struktural ini mencakup 2 heliks: yang satu lebih pendek, yang lain lebih panjang, dihubungkan oleh putaran rantai polipeptida (Gbr. 1.10).

α-heliks yang lebih pendek terletak di alur DNA, dan α-heliks yang lebih panjang terletak di alur utama, membentuk ikatan spesifik non-kovalen radikal asam amino dengan nukleotida DNA.

Seringkali protein dengan struktur seperti itu membentuk dimer; akibatnya, protein oligomer memiliki 2 struktur supersekunder.

Mereka terletak pada jarak tertentu satu sama lain dan menonjol di atas permukaan protein (Gbr. 1.11).

Dua struktur tersebut dapat mengikat DNA di daerah alur utama yang berdekatan

tanpaperubahan signifikan dalam struktur protein.

"jari seng"

“Jari seng” adalah fragmen protein yang mengandung sekitar 20 residu asam amino (Gbr. 1.12).

Atom seng terikat dengan 4 radikal asam amino: 2 residu sistein dan 2 residu histidin.

Dalam beberapa kasus, selain residu histidin, terdapat residu sistein.

Beras. 1.12. Struktur wilayah pengikatan DNA

protein dalam bentuk “jari seng”.

Wilayah protein ini membentuk α-heliks, yang secara spesifik dapat berikatan dengan wilayah pengatur alur utama DNA.

Spesifisitas pengikatan protein pengikat DNA pengatur individu bergantung pada urutan residu asam amino yang terletak di daerah jari seng.

"Ritsleting Leusin"

Protein yang berinteraksi memiliki daerah heliks α yang mengandung setidaknya 4 residu leusin.

Residu leusin terletak 6 asam amino satu sama lain.

Karena setiap putaran α-heliks mengandung residu asam amino 3,6, radikal leusin terletak di permukaan setiap putaran kedua.

Residu leusin dari α-heliks suatu protein dapat berinteraksi dengan residu leusin dari protein lain (interaksi hidrofobik), menghubungkan keduanya (Gbr. 1.13).

Banyak protein pengikat DNA berinteraksi dengan DNA dalam bentuk struktur oligomer, di mana subunitnya dihubungkan satu sama lain melalui “ritsleting leusin”. Contoh protein tersebut adalah histon.

Histon- protein inti, yang mengandung sejumlah besar asam amino bermuatan positif - arginin dan lisin (hingga 80%).

Molekul histon digabungkan menjadi kompleks oligomer yang mengandung 8 monomer menggunakan “ritsleting leusin”, meskipun molekul ini memiliki muatan positif yang kuat.

Melanjutkan. Semua molekul protein individu, yang memiliki struktur primer yang identik, memperoleh konformasi yang sama dalam larutan.

Dengan demikian, sifat lipatan spasial rantai peptida ditentukan oleh asam aminokomposisi dan pergantian residu asam amino dirantai. Akibatnya, konformasi merupakan karakteristik spesifik suatu protein individu seperti struktur utamanya.