Proteine: struttura e funzioni delle proteine. Livelli di organizzazione strutturale delle proteine Viene determinata la struttura di una proteina

Una proteina è una sequenza di amminoacidi legati tra loro da legami peptidici.

È facile immaginare che il numero di aminoacidi possa essere diverso: da un minimo di due a qualsiasi valore ragionevole. I biochimici hanno convenuto che se il numero di amminoacidi non supera 10, tale composto è chiamato peptide; se ci sono 10 o più aminoacidi - un polipeptide. I polipeptidi che sono capaci di formarsi spontaneamente e mantenere una certa struttura spaziale, chiamata conformazione, sono classificati come proteine. La stabilizzazione di una tale struttura è possibile solo quando i polipeptidi raggiungono una certa lunghezza (più di 40 aminoacidi, quindi i polipeptidi con un peso molecolare superiore a 5.000 Da sono generalmente considerati proteine). (1Da è pari a 1/12 di un isotopo di carbonio). Avere solo un certo struttura spaziale(struttura nativa), la proteina può svolgere le sue funzioni.

La dimensione delle proteine può essere misurata in dalton ( peso molecolare), molto spesso a causa delle dimensioni relativamente grandi della molecola in unità derivate: kilodalton (kDa). Le proteine del lievito, in media, sono costituite da 466 aminoacidi e hanno un peso molecolare di 53 kDa. La proteina più grande attualmente conosciuta, la titina, è un componente dei sarcomeri muscolari; Il peso molecolare delle sue varie isoforme varia da 3000 a 3700 kDa ed è costituito da 38.138 aminoacidi (nel muscolo solius umano).

Struttura delle proteine

La struttura tridimensionale di una proteina si forma durante il processo di ripiegamento. pieghevole -"pieghevole") Una struttura tridimensionale si forma come risultato dell'interazione di strutture ai livelli inferiori.

Esistono quattro livelli di struttura proteica:

Struttura primaria- sequenza di aminoacidi in una catena polipeptidica.

Struttura secondaria- questo è il posizionamento nello spazio delle singole sezioni della catena polipeptidica.

I seguenti sono i tipi più comuni di struttura secondaria delle proteine:

α-eliche- giri densi attorno all'asse lungo della molecola, un giro è costituito da 3,6 residui di amminoacidi e il passo dell'elica è di 0,54 nm (0,15 nm per residuo di amminoacidi), l'elica è stabilizzata da legami idrogeno tra H e O di gruppi peptidici distanziati tra loro da 4 residui amminoacidici. L'elica è costruita esclusivamente da un tipo di stereoisomero di amminoacidi (L). Anche se può essere destrorso o mancino, nelle proteine prevale la mano destra. L'elica viene interrotta dalle interazioni elettrostatiche di acido glutammico, lisina e arginina. Residui di asparagina, serina, treonina e leucina situati uno vicino all'altro possono interferire stericamente con la formazione dell'elica, i residui di prolina causano la flessione della catena e interrompono anche la struttura dell'α-elica.

Strati β-pieghettati- diverse catene polipeptidiche a zigzag in cui si formano legami idrogeno tra amminoacidi o diverse catene proteiche relativamente distanti tra loro (0,347 nm per residuo amminoacidico) nella struttura primaria e non ravvicinati, come nel caso di un'α-elica . Queste catene solitamente hanno le estremità N-terminali in direzioni opposte (orientamento antiparallelo). Le piccole dimensioni dei gruppi laterali degli amminoacidi sono importanti per la formazione dei fogli β; solitamente predominano la glicina e l'alanina;

Le proteine si ripiegano in un foglio pieghettato β

Le strutture disordinate sono una disposizione disordinata di una catena proteica nello spazio.

La struttura spaziale di ciascuna proteina è individuale ed è determinata dalla sua struttura primaria. Tuttavia, un confronto tra le conformazioni di proteine con strutture e funzioni diverse ha rivelato la presenza in esse di combinazioni simili di elementi della struttura secondaria. Questo specifico ordine di formazione delle strutture secondarie è chiamato struttura supersecondaria delle proteine. La struttura supersecondaria si forma a causa di interazioni interradicali.

Alcune combinazioni caratteristiche di α-eliche e strutture β vengono spesso definite “motivi strutturali”. Hanno nomi specifici: “α-elica-giro-α-elica”, “struttura a barile α/β”, “cerniera di leucina”, “dito di zinco”, ecc.

Struttura terziaria- Questo è un modo per posizionare l'intera catena polipeptidica nello spazio. Insieme alle α-eliche, ai fogli β-plissettati e alle strutture supersecondarie, la struttura terziaria mostra una conformazione disordinata che può occupare una porzione significativa della molecola.

Rappresentazione schematica del ripiegamento delle proteine nella struttura terziaria.

Struttura quaternaria si verifica nelle proteine costituite da diverse catene polipeptidiche (subunità, protomeri o monomeri), quando le strutture terziarie di queste subunità sono combinate. Ad esempio, la molecola dell'emoglobina è composta da 4 subunità. Le formazioni sopramolecolari hanno una struttura quaternaria: complessi multienzimatici, costituiti da diverse molecole di enzimi e coenzimi (piruvato deidrogenasi) e isoenzimi (lattato deidrogenasi - LDH, creatina fosfochinasi - CPK).

COSÌ. La struttura spaziale non dipende dalla lunghezza della catena polipeptidica, ma dalla sequenza di residui amminoacidici specifici di ciascuna proteina, nonché dai radicali laterali caratteristici dei corrispondenti amminoacidi. La struttura spaziale tridimensionale o conformazione delle macromolecole proteiche è formata principalmente da legami idrogeno, interazioni idrofobiche tra radicali laterali non polari di amminoacidi e interazioni ioniche tra gruppi laterali di carica opposta di residui amminoacidici. I legami idrogeno svolgono un ruolo enorme nella formazione e nel mantenimento struttura spaziale macromolecola proteica.

Per quanto riguarda le interazioni idrofobiche, sorgono come risultato del contatto di radicali non polari che non sono in grado di rompere i legami idrogeno tra le molecole d'acqua, che vengono spostate sulla superficie del globulo proteico. Man mano che la sintesi proteica procede, i gruppi chimici non polari si accumulano all’interno del globulo e quelli polari vengono espulsi sulla sua superficie. Pertanto, una molecola proteica può essere neutra, caricata positivamente o caricata negativamente, a seconda del pH del solvente e dei gruppi ionici nella proteina. Inoltre, la conformazione delle proteine è mantenuta dai legami covalenti S-S formati tra due residui di cisteina. Come risultato della formazione della struttura nativa della proteina, molti atomi situati in parti remote della catena polipeptidica si avvicinano e, influenzandosi a vicenda, acquisiscono nuove proprietà che sono assenti nei singoli amminoacidi o piccoli polipeptidi.

È importante capire che il ripiegamento – il ripiegamento delle proteine (e di altre biomacromolecole) da una conformazione spiegata a una forma “nativa” – è un processo fisico e chimico, in seguito al quale le proteine nel loro “habitat” naturale (soluzione, citoplasma o membrana) acquisiscono caratteristiche caratteristiche solo della loro disposizione spaziale e delle loro funzioni.

Le cellule contengono numerose proteine cataliticamente inattive, che tuttavia forniscono un contributo importante alla formazione di strutture proteiche spaziali. Questi sono i cosiddetti accompagnatori. Gli chaperon assistono nel corretto assemblaggio della conformazione tridimensionale delle proteine formando complessi reversibili non covalenti con la catena polipeptidica parzialmente ripiegata, inibendo contemporaneamente legami deformati che portano alla formazione di strutture proteiche funzionalmente inattive. L'elenco delle funzioni caratteristiche degli accompagnatori comprende la protezione dei globuli fusi (parzialmente piegati) dall'aggregazione, nonché il trasferimento delle proteine appena sintetizzate a vari loci cellulari.

Le chaperon sono prevalentemente proteine da shock termico, la cui sintesi aumenta notevolmente in caso di influssi termici stressanti, motivo per cui vengono chiamate anche hsp (proteine da shock termico). Famiglie di queste proteine si trovano nelle cellule microbiche, vegetali e animali. La classificazione degli accompagnatori si basa sul loro peso molecolare, che varia da 10 a 90 kDa. Sono proteine che aiutano nella formazione della struttura tridimensionale delle proteine. Gli chaperoni mantengono la catena polipeptidica appena sintetizzata in uno stato non ripiegato, impedendole di ripiegarsi in una forma diversa da quella nativa e forniscono le condizioni per l'unica struttura proteica nativa corretta.

Durante il ripiegamento delle proteine, alcune conformazioni della molecola vengono rifiutate allo stadio di globulo fuso. La degradazione di tali molecole viene avviata dalla proteina ubiquitina.

La degradazione delle proteine attraverso la via dell’ubiquitina prevede due fasi principali:

1) attacco covalente dell'ubiquitina alla proteina da degradare attraverso un residuo lisina, la presenza di un tale tag nella proteina è il segnale di smistamento primario, che dirige i coniugati risultanti ai proteasomi, nella maggior parte dei casi alla proteina sono attaccate diverse molecole di ubiquitina, che sono organizzate sotto forma di perline su un filo;

2) idrolisi delle proteine da parte del proteasoma (la funzione principale del proteasoma è la degradazione proteolitica delle proteine non necessarie e danneggiate in peptidi corti). L’ubiquitina è giustamente chiamata il “segno della morte” per le proteine.

Dom?n scoiattolo? - un elemento della struttura terziaria di una proteina, che è una sottostruttura abbastanza stabile e indipendente della proteina, il cui ripiegamento avviene indipendentemente dalle altre parti. Un dominio solitamente include diversi elementi della struttura secondaria. Domini strutturalmente simili si trovano non solo in proteine correlate (ad esempio, nelle emoglobine di diversi animali), ma anche in proteine completamente diverse. Una proteina può avere più domini e queste regioni possono svolgere funzioni diverse nella stessa proteina. Alcuni enzimi e tutte le immunoglobuline hanno una struttura a dominio. Le proteine con lunghe catene polipeptidiche (più di 200 residui aminoacidici) spesso creano strutture di dominio.

Proteine e loro funzioni.
Studiamo le sostanze di base che compongono il nostro corpo. Alcune delle più importanti sono le proteine.
Scoiattoli(proteine, polipeptidi) – sostanze carboniose costituite da catene amminoacidi. Sono una parte essenziale di tutte le cellule.
Aminoacidi- composti del carbonio le cui molecole contengono contemporaneamente gruppi carbossilici (-COOH) e amminici (NH2).
Un composto costituito da un gran numero di aminoacidi è chiamato: polipeptide. Ogni proteina è un polipeptide nella sua struttura chimica. Alcune proteine sono costituite da diverse catene polipeptidiche. La maggior parte delle proteine contiene in media 300-500 residui di aminoacidi. Esistono diverse proteine naturali molto corte, lunghe 3-8 aminoacidi, e biopolimeri molto lunghi, lunghi più di 1500 aminoacidi.
Le proprietà delle proteine sono determinate dalla loro composizione aminoacidica, in una sequenza rigorosamente fissa, e la composizione aminoacidica, a sua volta, è determinata dal codice genetico. Quando si creano le proteine, vengono utilizzati 20 aminoacidi standard.
Struttura delle proteine.
Ci sono diversi livelli:
- Struttura primaria - determinato dall'ordine di alternanza degli amminoacidi nella catena polipeptidica.
Venti diversi amminoacidi possono essere paragonati a 20 lettere dell'alfabeto chimico, che compongono “parole” lunghe 300-500 lettere. Con 20 lettere puoi scrivere un numero illimitato di parole così lunghe. Se assumiamo che la sostituzione o la riorganizzazione di almeno una lettera in una parola le dia un nuovo significato, il numero di combinazioni in una parola lunga 500 lettere sarà 20.500.
È noto che la sostituzione anche di un'unità amminoacidica con un'altra in una molecola proteica ne modifica le proprietà. Ogni cella ne contiene diverse migliaia diversi tipi molecole proteiche e ciascuna di esse è caratterizzata da una sequenza rigorosamente definita di aminoacidi. È l'ordine di alternanza degli amminoacidi in una determinata molecola proteica che determina le sue speciali proprietà fisico-chimiche e biologiche. I ricercatori sono in grado di decifrare la sequenza degli amminoacidi nelle lunghe molecole proteiche e di sintetizzare tali molecole.
- Struttura secondaria– molecole proteiche a forma di spirale, con uguali distanze tra le spire.
Fra gruppi NH e C=O situati su spire adiacenti, si formano legami idrogeno. Si ripetono più volte, tenendo insieme le spire regolari della spirale.
- Struttura terziaria– formazione di una spira a spirale.
Questo groviglio è formato dal regolare intreccio di tratti della catena proteica. I gruppi di amminoacidi con carica positiva e negativa vengono attratti e uniscono anche sezioni ampiamente separate della catena proteica. Anche altre parti della molecola proteica, che trasportano, ad esempio, radicali “idrorepellenti” (idrofobici), si avvicinano tra loro.
Ogni tipo di proteina è caratterizzata dalla propria forma sferica con pieghe e anelli. La struttura terziaria dipende dalla struttura primaria, cioè dall'ordine degli amminoacidi nella catena.
- Struttura quaternaria– una proteina composita costituita da diverse catene che differiscono nella struttura primaria.
Combinandosi insieme, creano una proteina complessa che ha non solo una struttura terziaria, ma anche quaternaria.
Denaturazione delle proteine.
Sotto l'influenza radiazioni ionizzanti, alta temperatura, forte agitazione, valori di pH estremi (concentrazione di ioni idrogeno), nonché una serie di solventi organici come alcol o acetone, le proteine cambiano il loro stato naturale. Viene chiamata violazione della struttura naturale di una proteina denaturazione. La stragrande maggioranza delle proteine perde la propria attività biologica, sebbene la loro struttura primaria non cambi dopo la denaturazione. Il fatto è che durante il processo di denaturazione, le strutture secondarie, terziarie e quaternarie, causate da deboli interazioni tra i residui di amminoacidi, vengono interrotte e i legami peptidici covalenti (con la condivisione di elettroni) non vengono rotti. Una denaturazione irreversibile può essere osservata quando la proteina liquida e trasparente viene riscaldata uovo di gallina: Diventa denso e opaco. La denaturazione può anche essere reversibile. Dopo aver eliminato il fattore denaturante, molte proteine sono in grado di ritornare alla loro forma naturale, cioè rinaturare.
La capacità delle proteine di modificare reversibilmente la loro struttura spaziale in risposta all'azione di fattori fisici o chimici è alla base dell'irritabilità, la proprietà più importante di tutti gli esseri viventi.
Funzioni delle proteine.
Catalitico.
Centinaia di reazioni biochimiche si verificano continuamente in ogni cellula vivente. Durante queste reazioni avviene la scomposizione e l'ossidazione dei nutrienti provenienti dall'esterno. La cellula utilizza l'energia dei nutrienti ottenuti dall'ossidazione e i prodotti della loro degradazione per sintetizzare i vari composti organici di cui ha bisogno. Il rapido verificarsi di tali reazioni è assicurato da catalizzatori biologici o acceleratori di reazione: enzimi. Si conoscono più di mille enzimi diversi. Sono tutti scoiattoli.
Le proteine enzimatiche accelerano le reazioni nel corpo. Gli enzimi sono coinvolti nella scomposizione di molecole complesse (catabolismo) e nella loro sintesi (anabolismo), nonché nella creazione e riparazione della sintesi del DNA e dell'RNA modello.
Strutturale.
Le proteine strutturali del citoscheletro, come una sorta di rinforzo, danno forma alle cellule e a molti organelli e sono coinvolte nel cambiamento della forma delle cellule. Il collagene e l'elastina sono i componenti principali della sostanza intercellulare tessuto connettivo(ad esempio, la cartilagine) e un'altra proteina strutturale, la cheratina, costituisce i capelli, le unghie, le piume degli uccelli e alcune conchiglie.
Protettivo.
Protezione fisica.(esempio: il collagene è una proteina che costituisce la base della sostanza intercellulare dei tessuti connettivi)

Protezione chimica. Il legame delle tossine con le molecole proteiche ne garantisce la disintossicazione. (esempio: enzimi epatici che scompongono i veleni o li convertono in una forma solubile, che ne facilita la rapida eliminazione dal corpo)

Protezione immunitaria. Il corpo reagisce all'ingresso di batteri o virus nel sangue di animali e esseri umani producendo speciali proteine protettive: anticorpi. Queste proteine si legano alle proteine di agenti patogeni estranei all’organismo, sopprimendo così la loro attività vitale. Per ogni proteina estranea, il corpo produce speciali "anti-proteine" - anticorpi.

Normativa.
Gli ormoni vengono trasportati nel sangue. La maggior parte degli ormoni animali sono proteine o peptidi. Il legame di un ormone a un recettore è un segnale che innesca una risposta nella cellula. Gli ormoni regolano le concentrazioni di sostanze nel sangue e nelle cellule, la crescita, la riproduzione e altri processi. Un esempio di tali proteine è insulina, che regola la concentrazione di glucosio nel sangue.
Le cellule interagiscono tra loro utilizzando proteine di segnalazione trasmesse attraverso la sostanza intercellulare. Tali proteine includono, ad esempio, citochine e fattori di crescita.
Citochine- piccole molecole di informazione peptidica. Regolano le interazioni tra le cellule, ne determinano la sopravvivenza, stimolano o sopprimono la crescita, la differenziazione, l'attività funzionale e la morte cellulare programmata e assicurano il coordinamento delle azioni del sistema immunitario, endocrino e nervoso.
Trasporto.
Solo le proteine trasportano sostanze nel sangue, ad esempio lipoproteine(trasferimento di grasso) emoglobina(trasporto di ossigeno), transferrina(trasporto del ferro) o attraverso le membrane - Na+,K+-ATPasi(opposto al trasporto transmembrana degli ioni sodio e potassio), Ca2+-ATPasi(pompando gli ioni calcio fuori dalla cellula).
Recettore.
I recettori proteici possono essere localizzati nel citoplasma o incorporati nella membrana cellulare. Una parte della molecola del recettore rileva un segnale, molto spesso un segnale chimico, ma in alcuni casi uno stress leggero, meccanico (come lo stretching) e altri stimoli.
Costruzione
Gli animali, nel processo di evoluzione, hanno perso la capacità di sintetizzare dieci aminoacidi particolarmente complessi, chiamati aminoacidi essenziali. Li ricevono già pronti con alimenti vegetali e animali. Tali aminoacidi si trovano nelle proteine dei latticini (latte, formaggio, ricotta), uova, pesce, carne, nonché soia, fagioli e alcune altre piante. Nel tratto digestivo, le proteine vengono scomposte in aminoacidi, che vengono assorbiti nel sangue ed entrano nelle cellule. Nelle cellule, da aminoacidi già pronti, vengono costruite le proprie proteine, caratteristiche di di un dato organismo. Le proteine sono una componente essenziale di tutte le strutture cellulari e questo è il loro importante ruolo di costruzione.
Energia.
Le proteine possono servire come fonte di energia per le cellule. Con una mancanza di carboidrati o grassi, le molecole di aminoacidi vengono ossidate. L'energia rilasciata in questo caso viene utilizzata per mantenere i processi vitali del corpo. Durante il digiuno a lungo termine vengono utilizzate proteine dei muscoli, degli organi linfoidi, dei tessuti epiteliali e del fegato.
Motore (motore).
Un'intera classe di proteine motorie fornisce il movimento del corpo, ad esempio la contrazione muscolare, compreso il movimento dei ponti di miosina nel muscolo, e il movimento delle cellule all'interno del corpo (ad esempio, il movimento ameboide dei leucociti).
In realtà è molto breve descrizione funzioni delle proteine, che possono solo dimostrare chiaramente le loro funzioni e il loro significato nel corpo.
Un piccolo video per capire le proteine:

Una delle caratteristiche delle proteine è la loro complessa organizzazione strutturale. Tutte le proteine hanno una struttura primaria, secondaria e terziaria e quelle che hanno due o più PCP hanno anche una struttura quaternaria (QS).

Struttura primaria delle proteine (PSB) – questo è l'ordine di alternanza (sequenza) dei residui aminoacidici nella PPC.

Anche le proteine identiche in lunghezza e composizione aminoacidica possono essere sostanze diverse. Ad esempio, da due amminoacidi puoi creare 2 diversi dipeptidi:

Con il numero di aminoacidi pari a 20, il numero di combinazioni possibili è 210 18. E se consideriamo che nella PPC ogni amminoacido può presentarsi più di 1 volta, allora il numero possibili opzioni difficile da contare.

Determinazione della struttura proteica primaria (PSB).

Il PBP delle proteine può essere determinato utilizzando feniltioidantoina metodo . Questo metodo si basa sulla reazione di interazione fenilisotiocianato (FITC) con α-AA. Di conseguenza, si forma un complesso di questi due composti: FITZ-AK . Consideriamo ad esempio il peptide per determinarne il PBP, cioè la sequenza dei residui aminoacidici.

FITC interagisce con l'amminoacido terminale (a). Si forma un complesso FTG-a, si separa dalla miscela e si determina l'identità dell'amminoacido UN. Ad esempio, questo - asn ecc. Tutti gli altri amminoacidi vengono separati e identificati in sequenza. Questo è un processo ad alta intensità di manodopera. La determinazione della PBP di una proteina di medie dimensioni richiede diversi mesi.

La priorità nella decodifica del PSB appartiene a Sengeru(1953), che scoprì l'insulina PSB (vincitore del Premio Nobel). La molecola di insulina è composta da 2 PPC: A e B.

La catena A è composta da 21 aminoacidi, la catena B da 30. Le PPC sono collegate tra loro da ponti disolfuro. Il numero di proteine di cui è stato determinato il PBP raggiunge attualmente 1500. Anche piccoli cambiamenti nella struttura primaria possono modificare significativamente le proprietà di una proteina. Gli eritrociti delle persone sane contengono HbA1c - quando sostituiti nella catena  dell'HbA1c, in 6a posizione glu SU lancia si verifica una malattia grave anemia falciforme, in cui i bambini nati con questa anomalia muoiono in tenera età. D'altro canto, esistono opzioni possibili per modificare il PSB, che non influiscono sulle sue proprietà fisico-chimiche e biologiche. Per esempio, l'HbC contiene una catena B in sesta posizione invece di glu-lys, l'HbC non è quasi diverso nelle sue proprietà dall'HbA e le persone che hanno tale Hb nei loro eritrociti sono praticamente sane.

Stabilità del PSBè formato principalmente da forti legami peptidici covalenti e, secondariamente, da legami disolfuro.

Struttura secondaria delle proteine (PSS).

Le PPC delle proteine sono altamente flessibili e acquisiscono una struttura spaziale specifica o conformazione. Ci sono 2 livelli di tale conformazione nelle proteine: questo è il VSB e la struttura terziaria (TSB).

VSB – questa è la configurazione del PPC, cioè il modo in cui viene disposto o attorcigliato in una certa conformazione, secondo il programma incorporato nel P SB.

Sono noti tre tipi principali di VSB:

1)  -spirale;

2) B-struttura(strato piegato o foglia piegata);

3) un groviglio disordinato.

-spirale .

Il suo modello è stato proposto da W. Pauling. È molto probabile che si tratti di proteine globulari. Per qualsiasi sistema, lo stato più stabile è quello corrispondente alla minima energia libera. Per i peptidi, questo stato si verifica quando i gruppi CO– e NH– sono collegati tra loro da un debole legame idrogeno. IN UN -spirali Il gruppo NH– del 1° residuo aminoacidico interagisce con il gruppo CO– del 4° residuo aminoacidico. Di conseguenza, la struttura peptidica forma un'elica, ciascuna spira della quale contiene 3,6 residui AA.

1 passo della spirale (1 giro) = 3,6 AA = 0,54 nm, angolo di elevazione – 26°

La torsione del PPC avviene in senso orario, cioè la spirale ha un movimento retto. Ogni 5 giri (18 AC; 2,7 nm) viene ripetuta la configurazione PPC.

Stabilizzante VSB principalmente da legami idrogeno e in secondo luogo da legami peptidici e disolfuro. I legami idrogeno sono 10-100 volte più deboli dei normali legami chimici; tuttavia, a causa del loro numero elevato, garantiscono una certa rigidità e compattezza del VSB. Le catene R laterali dell'a-elica sono rivolte verso l'esterno e si trovano sui lati opposti del suo asse.

B -struttura .

Si tratta di sezioni piegate del PPC, a forma di foglia piegata a fisarmonica. Gli strati PPC possono essere paralleli se entrambe le catene iniziano dal terminale N o C.

Se le catene adiacenti in uno strato sono orientate con le estremità opposte N–C e C–N, vengono chiamate antiparallelo.

parallelo

antiparallelo

La formazione di legami idrogeno avviene, come nell'α-elica, tra i gruppi CO– e NH–.

Scoiattoli- alto peso molecolare composti organici, costituito da residui α-amminoacidici.

IN composizione proteica comprende carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, zolfo. Alcune proteine formano complessi con altre molecole contenenti fosforo, ferro, zinco e rame.

Le proteine hanno un grande peso molecolare: albumina d'uovo - 36.000, emoglobina - 152.000, miosina - 500.000 Per confronto: il peso molecolare dell'alcol è 46, acido acetico - 60, benzene - 78.

Composizione aminoacidica delle proteine

Scoiattoli- polimeri non periodici, i cui monomeri sono α-amminoacidi. In genere, 20 tipi di α-amminoacidi sono chiamati monomeri proteici, sebbene oltre 170 di essi si trovino nelle cellule e nei tessuti.

A seconda che gli aminoacidi possano essere sintetizzati nel corpo dell'uomo e di altri animali, si distinguono: aminoacidi non essenziali- può essere sintetizzato; aminoacidi essenziali- non può essere sintetizzato. Gli aminoacidi essenziali devono essere forniti all'organismo attraverso il cibo. Le piante sintetizzano tutti i tipi di aminoacidi.

A seconda della composizione aminoacidica, le proteine sono: complete- contenere l'intero insieme degli aminoacidi; difettoso- nella loro composizione mancano alcuni aminoacidi. Se le proteine sono costituite solo da aminoacidi, vengono chiamate semplice. Se le proteine contengono, oltre agli aminoacidi, una componente non aminoacidica (gruppo prostetico), vengono chiamate complesso. Il gruppo prostetico può essere rappresentato da metalli (metalloproteine), carboidrati (glicoproteine), lipidi (lipoproteine), acidi nucleici (nucleoproteine).

Tutto contengono aminoacidi: 1) gruppo carbossilico (-COOH), 2) gruppo amminico (-NH 2), 3) radicale o gruppo R (il resto della molecola). La struttura del radicale è diversa per i diversi tipi di aminoacidi. A seconda del numero di gruppi amminici e gruppi carbossilici inclusi nella composizione degli amminoacidi, si distinguono: amminoacidi neutri avente un gruppo carbossilico e un gruppo amminico; amminoacidi basici avere più di un gruppo amminico; amminoacidi acidi avente più di un gruppo carbossilico.

Gli aminoacidi lo sono composti anfoteri, poiché in soluzione possono agire sia come acidi che come basi. Nelle soluzioni acquose gli amminoacidi esistono in diverse forme ioniche.

Legame peptidico

Peptidi- sostanze organiche costituite da residui amminoacidici collegati da legami peptidici.

La formazione di peptidi avviene a seguito della reazione di condensazione degli amminoacidi. Quando il gruppo amminico di un amminoacido interagisce con il gruppo carbossilico di un altro, tra loro si forma un legame covalente azoto-carbonio, chiamato peptide. A seconda del numero di residui aminoacidici inclusi nel peptide, ce ne sono dipeptidi, tripeptidi, tetrapeptidi ecc. Istruzione legame peptidico può essere ripetuto molte volte. Questo porta alla formazione polipeptidi. Ad un'estremità del peptide c'è un gruppo amminico libero (chiamato N-terminale), e all'altra c'è un gruppo carbossilico libero (chiamato C-terminale).

Organizzazione spaziale delle molecole proteiche

Lo svolgimento di alcune funzioni specifiche da parte delle proteine dipende dalla configurazione spaziale delle loro molecole, inoltre, è energeticamente sfavorevole per la cellula mantenere le proteine in una forma spiegata, sotto forma di catena, quindi le catene polipeptidiche si piegano, acquisendo una forma; certa struttura tridimensionale, o conformazione. Ci sono 4 livelli organizzazione spaziale delle proteine.

Struttura proteica primaria- la sequenza di disposizione dei residui aminoacidici nella catena polipeptidica che costituisce la molecola proteica. Il legame tra gli amminoacidi è un legame peptidico.

Se una molecola proteica è composta da soli 10 residui di amminoacidi, il numero di varianti teoricamente possibili di molecole proteiche che differiscono nell'ordine di alternanza degli amminoacidi è 10 20. Avendo 20 aminoacidi, puoi creare combinazioni ancora più diverse da essi. Nel corpo umano sono state trovate circa diecimila proteine diverse, che differiscono sia tra loro che dalle proteine di altri organismi.

È la struttura primaria della molecola proteica che determina le proprietà delle molecole proteiche e la sua configurazione spaziale. La sostituzione di un solo amminoacido con un altro in una catena polipeptidica porta a un cambiamento nelle proprietà e nelle funzioni della proteina. Ad esempio, la sostituzione del sesto amminoacido glutammina nella subunità β dell'emoglobina con la valina porta al fatto che la molecola di emoglobina nel suo insieme non può svolgere la sua funzione principale: il trasporto di ossigeno; In questi casi, la persona sviluppa una malattia chiamata anemia falciforme.

Struttura secondaria- ripiegamento ordinato della catena polipeptidica in una spirale (sembra una molla estesa). Le spire dell'elica sono rafforzate dai legami idrogeno che si formano tra i gruppi carbossilici e i gruppi amminici. Quasi tutti i gruppi CO e NH prendono parte alla formazione di legami idrogeno. Sono più deboli di quelli peptidici, ma, ripetuti più volte, conferiscono stabilità e rigidità a questa configurazione. A livello della struttura secondaria sono presenti le proteine: fibroina (seta, ragnatela), cheratina (capelli, unghie), collagene (tendini).

Struttura terziaria- impaccamento di catene polipeptidiche in globuli, risultante dalla formazione di legami chimici (idrogeno, ionico, disolfuro) e dall'instaurazione di interazioni idrofobiche tra i radicali dei residui di amminoacidi. Il ruolo principale nella formazione della struttura terziaria è svolto dalle interazioni idrofile-idrofobiche. Nelle soluzioni acquose i radicali idrofobi tendono a nascondersi dall'acqua, raggruppandosi all'interno del globulo, mentre i radicali idrofili, per effetto dell'idratazione (interazione con i dipoli dell'acqua), tendono ad apparire sulla superficie della molecola. In alcune proteine, la struttura terziaria è stabilizzata da legami covalenti disolfuro formati tra gli atomi di zolfo di due residui di cisteina. A livello della struttura terziaria ci sono enzimi, anticorpi e alcuni ormoni.

Struttura quaternaria caratteristico delle proteine complesse le cui molecole sono formate da due o più globuli. Le subunità sono trattenute nella molecola da interazioni ioniche, idrofobiche ed elettrostatiche. A volte, durante la formazione di una struttura quaternaria, si verificano legami disolfuro tra le subunità. La proteina con struttura quaternaria più studiata è emoglobina. È formato da due subunità α (141 residui aminoacidici) e due subunità β (146 residui aminoacidici). Associata a ciascuna subunità c'è una molecola eme contenente ferro.

Se per qualche motivo la conformazione spaziale delle proteine si discosta dalla norma, la proteina non può svolgere le sue funzioni. Ad esempio, la causa della “mucca pazza” (encefalopatia spongiforme) è la conformazione anomala dei prioni, le proteine di superficie delle cellule nervose.

Proprietà delle proteine

Lo determinano la composizione aminoacidica e la struttura della molecola proteica proprietà. Le proteine combinano proprietà basiche e acide, determinate dai radicali aminoacidici: più aminoacidi acidi sono presenti in una proteina, più pronunciate sono le sue proprietà acide. Viene determinata la capacità di donare e aggiungere H + Proprietà tampone delle proteine; Uno dei tamponi più potenti è l’emoglobina contenuta nei globuli rossi, che mantiene il pH del sangue a un livello costante. Esistono proteine solubili (fibrinogeno) e proteine insolubili che svolgono funzioni meccaniche (fibroina, cheratina, collagene). Esistono proteine chimicamente attive (enzimi) e proteine chimicamente inattive resistenti a varie condizioni. ambiente esterno ed estremamente instabile.

Fattori esterni (calore, radiazioni ultraviolette, metalli pesanti e loro sali, variazioni di pH, radiazioni, disidratazione)

può causare l'interruzione dell'organizzazione strutturale della molecola proteica. Viene chiamato il processo di perdita della conformazione tridimensionale insita in una data molecola proteica denaturazione. La causa della denaturazione è la rottura dei legami che stabilizzano una determinata struttura proteica. Inizialmente, i legami più deboli vengono spezzati e, man mano che le condizioni diventano più rigide, si spezzano anche quelli più forti. Pertanto si perde prima il quaternario, poi il terziario e il secondario. Un cambiamento nella configurazione spaziale porta a un cambiamento nelle proprietà della proteina e, di conseguenza, rende impossibile per la proteina svolgere le sue funzioni biologiche intrinseche. Se la denaturazione non è accompagnata dalla distruzione della struttura primaria, potrebbe esserlo reversibile, in questo caso avviene l'autorecupero della conformazione caratteristica della proteina. Ad esempio, le proteine del recettore di membrana subiscono tale denaturazione. Viene chiamato il processo di ripristino della struttura proteica dopo la denaturazione rinaturazione. Se il ripristino della configurazione spaziale della proteina è impossibile, viene chiamata la denaturazione irreversibile.

Funzioni delle proteine

Funzione	Esempi e spiegazioni
Costruzione	Le proteine sono coinvolte nella formazione delle strutture cellulari ed extracellulari: fanno parte delle membrane cellulari (lipoproteine, glicoproteine), dei capelli (cheratina), dei tendini (collagene), ecc.
Trasporto	L'emoglobina, una proteina del sangue, attacca l'ossigeno e lo trasporta dai polmoni a tutti i tessuti e gli organi, e da essi trasferisce l'anidride carbonica ai polmoni; La composizione delle membrane cellulari comprende proteine speciali che garantiscono il trasferimento attivo e rigorosamente selettivo di determinate sostanze e ioni dalla cellula all'ambiente esterno e viceversa.
Normativa	Gli ormoni proteici prendono parte alla regolazione dei processi metabolici. Ad esempio, l’ormone insulina regola i livelli di glucosio nel sangue, promuove la sintesi del glicogeno e aumenta la formazione di grassi dai carboidrati.
Protettivo	In risposta alla penetrazione di proteine o microrganismi estranei (antigeni) nel corpo, si formano proteine speciali: anticorpi che possono legarle e neutralizzarle. La fibrina, formata dal fibrinogeno, aiuta a fermare il sanguinamento.
Motore	Le proteine contrattili actina e miosina forniscono la contrazione muscolare negli animali multicellulari.
Segnale	Nella membrana superficiale della cellula sono integrate molecole proteiche in grado di modificare la loro struttura terziaria in risposta a fattori ambientali, ricevendo così segnali dall'ambiente esterno e trasmettendo comandi alla cellula.
Magazzinaggio	Nel corpo degli animali, le proteine, di regola, non vengono immagazzinate, ad eccezione dell'albumina d'uovo e della caseina del latte. Ma grazie alle proteine, alcune sostanze possono essere immagazzinate nell'organismo; ad esempio, durante la degradazione dell'emoglobina, il ferro non viene eliminato dall'organismo, ma viene immagazzinato formando un complesso con la proteina ferritina.
Energia	Quando 1 g di proteine viene scomposto nei prodotti finali, vengono rilasciati 17,6 kJ. Innanzitutto, le proteine si scompongono in amminoacidi e poi nei prodotti finali: acqua, anidride carbonica e ammoniaca. Tuttavia, le proteine vengono utilizzate come fonte di energia solo quando le altre fonti (carboidrati e grassi) sono esaurite.
Catalitico	Uno di funzioni essenziali proteine. Fornito da proteine - enzimi che accelerano le reazioni biochimiche che si verificano nelle cellule. Ad esempio, la ribulosio bifosfato carbossilasi catalizza la fissazione della CO 2 durante la fotosintesi.

Enzimi

Enzimi, O enzimi, sono una classe speciale di proteine che sono catalizzatori biologici. Grazie agli enzimi, le reazioni biochimiche avvengono a una velocità enorme. La velocità delle reazioni enzimatiche è decine di migliaia di volte (e talvolta milioni) superiore alla velocità delle reazioni che si verificano con la partecipazione di catalizzatori inorganici. Viene chiamata la sostanza su cui agisce l'enzima substrato.

Gli enzimi sono proteine globulari, caratteristiche strutturali Gli enzimi possono essere divisi in due gruppi: semplici e complessi. Enzimi semplici sono proteine semplici, cioè sono costituiti solo da aminoacidi. Enzimi complessi sono proteine complesse, cioè Oltre alla parte proteica, contengono un gruppo di natura non proteica - cofattore. Alcuni enzimi utilizzano le vitamine come cofattori. La molecola dell'enzima contiene una parte speciale chiamata centro attivo. Centro attivo- una piccola sezione dell'enzima (da tre a dodici residui amminoacidici), dove avviene il legame del substrato o dei substrati per formare un complesso enzima-substrato. Al termine della reazione, il complesso enzima-substrato si scompone nell'enzima e nel/i prodotto/i della reazione. Alcuni enzimi hanno (eccetto quelli attivi) centri allosterici- aree a cui sono attaccati i regolatori di velocità degli enzimi ( enzimi allosterici).

Le reazioni di catalisi enzimatica sono caratterizzate da: 1) alta efficienza, 2) rigorosa selettività e direzione d'azione, 3) specificità del substrato, 4) regolazione fine e precisa. La specificità del substrato e della reazione delle reazioni di catalisi enzimatica sono spiegate dalle ipotesi di E. Fischer (1890) e D. Koshland (1959).

E. Fisher (ipotesi della serratura a chiave) ha suggerito che le configurazioni spaziali del sito attivo dell'enzima e del substrato devono corrispondere esattamente tra loro. Il substrato viene paragonato alla “chiave”, l’enzima alla “serratura”.

D. Koshland (ipotesi del guanto) suggerito che la corrispondenza spaziale tra la struttura del substrato e il centro attivo dell'enzima viene creata solo al momento della loro interazione tra loro. Questa ipotesi è anche chiamata ipotesi di corrispondenza indotta.

La velocità delle reazioni enzimatiche dipende da: 1) temperatura, 2) concentrazione dell'enzima, 3) concentrazione del substrato, 4) pH. Va sottolineato che, poiché gli enzimi sono proteine, la loro attività è massima in condizioni fisiologicamente normali.

La maggior parte degli enzimi può funzionare solo a temperature comprese tra 0 e 40°C. Entro questi limiti, la velocità di reazione aumenta di circa 2 volte per ogni aumento di 10 °C della temperatura. A temperature superiori a 40°C la proteina subisce denaturazione e l’attività enzimatica diminuisce. A temperature prossime allo zero gli enzimi vengono inattivati.

All’aumentare della quantità di substrato, la velocità della reazione enzimatica aumenta finché il numero di molecole di substrato non eguaglia il numero di molecole di enzima. Con un ulteriore aumento della quantità di substrato, la velocità non aumenterà, poiché i centri attivi dell'enzima sono saturati. Un aumento della concentrazione dell'enzima porta ad un aumento dell'attività catalitica, poiché un numero maggiore di molecole di substrato subisce trasformazioni nell'unità di tempo.

Per ciascun enzima esiste un valore di pH ottimale al quale mostra la massima attività (pepsina - 2,0, amilasi salivare - 6,8, lipasi pancreatica - 9,0). A valori di pH più alti o più bassi, l'attività enzimatica diminuisce. Con improvvisi cambiamenti di pH, l'enzima si denatura.

La velocità degli enzimi allosterici è regolata da sostanze che si attaccano ai centri allosterici. Se queste sostanze accelerano una reazione, vengono chiamate attivatori, se rallentano - inibitori.

Classificazione degli enzimi

In base al tipo di trasformazioni chimiche che catalizzano, gli enzimi si dividono in 6 classi:

ossireduttasi(trasferimento di atomi di idrogeno, ossigeno o elettroni da una sostanza all'altra - deidrogenasi),
transferasi(trasferimento di gruppi metilici, acilici, fosfati o amminici da una sostanza a un'altra - transaminasi),
idrolasi(reazioni di idrolisi in cui si formano due prodotti dal substrato: amilasi, lipasi),
liasi(aggiunta non idrolitica al substrato o distacco di un gruppo di atomi da esso, nel qual caso i legami C-C, C-N, C-O, C-S possono essere rotti - decarbossilasi),
isomerasi(riarrangiamento intramolecolare - isomerasi),
ligasi(la connessione di due molecole come risultato della formazione Connessioni CC, C-N, C-O, C-S - sintetasi).

Le classi sono a loro volta suddivise in sottoclassi e sottoclassi. Nell'attuale classificazione internazionale ogni enzima ha un codice specifico, formato da quattro numeri separati da punti. Il primo numero è la classe, il secondo è la sottoclasse, il terzo è la sottoclasse, il quarto è il numero di serie dell'enzima in questa sottoclasse, ad esempio il codice dell'arginasi è 3.5.3.1.

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Le proteine sono sostanze organiche. Questi composti ad alto peso molecolare sono caratterizzati da una certa composizione e, dopo l'idrolisi, si scompongono in amminoacidi. Le molecole proteiche possono presentarsi in molte forme diverse, molte delle quali costituite da diverse catene polipeptidiche. Le informazioni sulla struttura di una proteina sono codificate nel DNA e il processo di sintesi delle molecole proteiche è chiamato traduzione.

Composizione chimica delle proteine

La proteina media contiene:

52% carbonio;
7% idrogeno;
12% di azoto;
21% di ossigeno;
3% di zolfo.

Le molecole proteiche sono polimeri. Per comprendere la loro struttura è necessario sapere quali sono i loro monomeri, gli amminoacidi.

Aminoacidi

Solitamente si dividono in due categorie: ricorrenti e occasionali. I primi includono 18 e altre 2 ammidi: acido aspartico e glutammico. A volte si trovano solo tre acidi.

Questi acidi possono essere classificati in modi diversi: a seconda della natura delle catene laterali o della carica dei loro radicali si possono dividere anche in base al numero di gruppi CN e COOH.

Struttura proteica primaria

L'ordine di alternanza degli amminoacidi in una catena proteica ne determina i successivi livelli di organizzazione, proprietà e funzioni. Il principale tra i monomeri è il peptide. È formato dall'estrazione dell'idrogeno da un amminoacido e del gruppo OH da un altro.

Il primo livello di organizzazione di una molecola proteica è la sequenza di amminoacidi in essa contenuti, semplicemente una catena che determina la struttura delle molecole proteiche. È costituito da uno “scheletro” che ha una struttura regolare. Questa è la sequenza ripetuta -NH-CH-CO-. Le singole catene laterali sono rappresentate da radicali amminoacidici (R), le loro proprietà determinano la composizione della struttura proteica.

Anche se la struttura delle molecole proteiche è la stessa, possono differire nelle proprietà solo perché i loro monomeri hanno una sequenza diversa nella catena. L'ordine degli amminoacidi in una proteina è determinato dai geni e detta determinate funzioni biologiche alla proteina. La sequenza dei monomeri nelle molecole responsabili della stessa funzione è spesso simile nelle diverse specie. Tali molecole sono identiche o simili nell'organizzazione e svolgono le stesse funzioni in diversi tipi di organismi: proteine omologhe. La struttura, le proprietà e le funzioni delle future molecole sono stabilite già nella fase di sintesi di una catena di amminoacidi.

Alcune caratteristiche comuni

La struttura delle proteine è stata studiata a lungo e l'analisi della loro struttura primaria ha permesso di fare alcune generalizzazioni. La maggior parte delle proteine sono caratterizzate dalla presenza di tutti i venti aminoacidi, tra cui soprattutto molta glicina, alanina, glutammina e poco triptofano, arginina, metionina e istidina. Le uniche eccezioni sono alcuni gruppi di proteine, ad esempio gli istoni. Sono necessari per il confezionamento del DNA e contengono molta istidina.

Qualsiasi tipo di movimento degli organismi (lavoro muscolare, movimento del protoplasma in una cellula, tremolio delle ciglia nei protozoi, ecc.) è effettuato dalle proteine. La struttura delle proteine consente loro di muoversi e formare fibre e anelli.

La funzione di trasporto è che molte sostanze vengono trasportate attraverso la membrana cellulare da speciali proteine trasportatrici.

Il ruolo ormonale di questi polimeri è subito chiaro: alcuni ormoni hanno una struttura proteica, ad esempio l'insulina, l'ossitocina.

La funzione di riserva è determinata dal fatto che le proteine sono in grado di formare depositi. Ad esempio, la valgumina dell'uovo, la caseina del latte, le proteine dei semi vegetali: vengono conservate gran numero nutrienti.

Tutti i tendini, le articolazioni, le ossa scheletriche e gli zoccoli sono formati da proteine, il che ci porta alla loro funzione successiva: il supporto.

Le molecole proteiche sono recettori che effettuano il riconoscimento selettivo di determinate sostanze. Per questo ruolo sono particolarmente note le glicoproteine e le lectine.

I fattori più importanti dell'immunità sono gli anticorpi e sono di origine proteica. Ad esempio, il processo di coagulazione del sangue si basa sui cambiamenti nella proteina fibrinogeno. Le pareti interne dell'esofago e dello stomaco sono rivestite da uno strato protettivo di proteine della mucosa: la licina. Anche le tossine sono di origine proteica. La base della pelle che protegge il corpo degli animali è il collagene. Tutte queste funzioni proteiche sono protettive.

Ebbene, l'ultima funzione è normativa. Esistono proteine che controllano il funzionamento del genoma. Cioè regolano la trascrizione e la traduzione.

Non importa quanto sia importante il ruolo svolto dalle proteine, la struttura delle proteine è stata svelata dagli scienziati molto tempo fa. E ora stanno scoprendo nuovi modi per utilizzare questa conoscenza.