structura și funcția proteinelor
proteinele sunt blocurile de construcție ale structurilor celulare și motoarele activităților celulare. Ele sunt modulare în natură și interacțiunile lor cu alte molecule din celulă se bazează pe prezența unor domenii funcționale specifice. Forma exactă a domeniului, care rezultă din prezența legăturilor necovalente între reziduuri într-un lanț polipeptidic, decide despre funcție., Cel mai cunoscut exemplu al relației formă-funcție este teoria „cheie și blocare” a funcției enzimatice. Schimbarea buzunarului enzimatic, datorată mutației sau modificării unui reziduu de aminoacizi, modifică afinitatea și/sau specificitatea enzimei. Pe scurt, cu cât se potrivesc mai bine între două molecule, cu atât funcționează mai bine, cu atât se pot face mai multe legături, cu atât semnalul poate trece mai repede sau cele două molecule mai puternice se conectează (gândiți-vă la moleculele de adeziune).conformația 3D a proteinei depinde de interacțiunile dintre aminoacizii din lanțul polipeptidic., Deoarece secvența aminoacizilor depinde de codul genetic, forma proteinei este codificată în ADN. Proteinele au patru niveluri de organizare. Structura primară se referă la secvența liniară a aminoacizilor conectați prin legăturile peptidice. Structura secundară constă în ambalarea locală a lanțului polipeptidic în α-helici și β-foi datorită legăturilor de hidrogen dintre legătura peptidică – coloana vertebrală centrală a carbonului. Structura terțiară (3D) este o formă care rezultă din plierea structurilor secundare determinate de interacțiunile dintre lanțurile laterale ale aminoacizilor., Structura cuaternară descrie aranjamentul lanțurilor polipeptidice în aranjamentul cu mai multe subunități.acest videoclip prezintă cele 4 niveluri ale structurii proteice.
adaptat din Banca de date RCSBProtein sub licența CC-BY
tot ceea ce este necesar pentru a da o formă unică proteinei și, prin urmare, o funcție unică este „scris” într-un fragment al ADN-ului cunoscut sub numele de genă. De fiecare dată când o genă este transcrisă, fie pe durata de viață a celulei, fie în orice celulă care are același ADN, natural sau recombinant, proteinele apar la fel și își asumă funcția pre-programată.,
structura primară a proteinelor
proteinele sunt cea mai importantă și versatilă clasă de macromolecule din celulă. Rolurile jucate de aceste molecule cuprind orice, de la transportul nutrienților, catalizând reacțiile biochimice până la componentele structurale ale celulelor sau ale motoarelor moleculare. Proteinele sunt polimeri liniari ai aminoacizilor conectați prin legături peptidice. Acestea sunt sintetizate din catena șablon de ADN și conțin secvențe unice și specifice de aminoacizi într-o formă liniară cunoscută ca o structură primară.,doar douăzeci de aminoacizi sunt necesari și suficienți pentru a genera mii de proteine într-o celulă. Asta nu înseamnă că există doar douăzeci de aminoacizi. Aceasta este o concepție greșită comună. Există nenumărate aminoacizi care există în lume, dar sunt implicați în alte reacții metabolice, dar nu în sinteza proteinelor. Modul în care proteina individuală își obține identitatea constă în combinația ordonată de aminoacizi, care determină toate caracteristicile sale.aminoacizii care sunt conectați printr-o legătură peptidică se numesc lanț polipeptidic., Lanțul polipeptidic este compus dintr-o secvență de aminoacizi dictată de genă. O secvență a lanțurilor de aminoacizi oferă diversitate vitală pentru satisfacerea cerințelor vieții. Conservarea secvențelor specifice de proteine este atât de importantă încât celula are mecanisme de reglementare pentru a se asigura că se produc numai proteine perfecte. Fiecare secvență separată are o ordine unică care transmite o funcție foarte unică. Dacă ar fi să schimbați un singur aranjament al lanțului, atunci acel lanț ar avea o funcție complet diferită., Funcția proteinei poate fi pusă în pericol sau pierdută complet dacă secvența nu este în ordine. Dar nu toate mutațiile sau modificările proteice duc la consecințe dezastruoase. Unele dintre ele fac ca celula și organismul să se adapteze mai bine presiunilor de mediu, un proces pe care îl cunoașteți ca evoluție.
proprietățile aminoacizilor și diferențele lor de lanț lateral
aminoacizii au aceeași structură de bază, care este importantă pentru formarea corectă a legăturilor chimice între moleculele adiacente. Fiecare aminoacid are un carbon Central desemnat ca α-carbon., Α-carbon are întotdeauna următoarele patru grupe atașat la acesta:
- –NH2 o bază de aminoacizi grup
- –COOH o acid grup (cunoscut ca o grupare carboxil)
- –H un atom de hidrogen
- –R un lanț lateral
-R simbolizează variabilă a lanțului lateral, care este singurul grup chimice, care diferă de toate douăzeci de aminoacizi. În esență, lanțul lateral face aminoacidul unic și poate fi gândit ca amprenta sa.,cea mai importantă proprietate a aminoacizilor care afectează plierea și, ulterior, funcția întregii molecule de proteine este interacțiunea lor cunoscută și previzibilă cu apa. Aminoacizii pot fi, prin urmare, împărțiți în grupuri hidrofile și hidrofobe. Hidrofobe, numite nepolare, aminoacizii au hidrocarburi saturate ca lanțuri laterale. Acești aminoacizi sunt alanină, valină, metionină, leucină și izoleucină și doi aminoacizi cu inele aromatice triptofan și fenilalanină., Aminoacizii hidrofobi, nepolari, joacă un rol esențial în plierea proteinelor, deoarece tind să se adune și să se aglomereze departe de apă. Acești aminoacizi formează de obicei domenii transmembranare și se găsesc adânc îngropați în interiorul hidrofob al majorității proteinelor globulare.aminoacizii hidrofili interacționează ușor cu apa. Acest grup include aminoacizi care ionizează și devin încărcați electric (atât negativ cât și pozitiv) la disociere și aminoacizi care sunt polari, dar neîncărcați., Aminoacizii care au lanțuri laterale cu o grupare carboxil în plus față de gruparea carboxil la α-carbon utilizat în formarea legăturii peptidice poartă o sarcină negativă. Aceste reziduuri sunt acidul glutamic și acidul aspartic-observați că numele lor conțin de fapt termenul „acid” datorită prezenței a două grupări carboxil.lanțurile laterale ale lizinei, argininei și histidinei au grupuri de bază puternice și sunt încărcate pozitiv. Aminoacizii hidrofili care sunt polari, dar neîncărcați sunt asparagina, glutamina, Serina, treonina și tirozina., Lanțurile laterale hidrofile și încărcate de aminoacizi sunt expuse pe suprafața proteinei și sunt deosebit de răspândite în buzunarele enzimatice sau moleculele de transport. Sarcinile electrice expuse transmit natura și activitatea proteinei către alte molecule și acționează ca niște magneți care atrag forțe similare pentru a interacționa.mai mulți aminoacizi contribuie la structura proteinei datorită caracteristicilor unice caracteristice lanțurilor lor laterale. Structura prolinei diferă de ceilalți aminoacizi prin faptul că lanțul său lateral este legat de azot, precum și de carbonul central., Acest aminoacid este chimic non-reactive (hidrofobe), dar din cauza pentaatomic inel, se intrerupe geometria de o pliere de proteine provoacă bruște schimbări de conformație de fizic introducerea răsuciri și îndoiri de la un lanț polipeptidic. Glicina nu are nici un lanț lateral, la toate doar un al doilea atom de hidrogen atașat la α-carbon. Nu prezintă un caracter polar puternic sau electronegativitate, este de obicei văzut în locuri unde părți ale lanțului polipeptidic se îndoaie și se apropie una de cealaltă.cisteina este un aminoacid cunoscut pentru faptul că afectează foarte mult structura proteică., Are o grupare sulfhidril responsabilă de formarea legăturilor disulfidice care stabilizează structura terțiară a proteinelor și contribuie foarte mult la funcțiile moleculare pe care le veți învăța mai târziu în acest text.
structura secundară și toate buclele
cum știm cum arată cu adevărat proteinele atunci când sunt pliate? Există două metode care ne permit să privim în structura proteinei; difracția cu raze X și rezonanța magnetică nucleară (RMN)., Metoda de difracție cu raze X produce o hartă tridimensională a conturului electronilor dintr-un cristal proteic, bazată pe modul în care razele x sări atunci când trec prin probă. RMN măsoară distanța dintre proteine în soluție saturată și informații despre constrângerile de spațiu este utilizat pentru a determina structurile ori ale fiecărei proteine. Aceste două teste puse împreună ne ajută să înțelegem care este forma pliată a unei proteine.forma unei proteine este determinată exclusiv de secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic. Așa este; este la fel ca ADN-ul, codul unic face un design unic., Plierea proteinelor este rezultatul proprietăților fizice ale lanțurilor laterale ale aminoacizilor și interacțiunilor lor cu mediul din jurul lor. Proteinele se pliază în forma cea mai eficientă din punct de vedere energetic numită stare nativă în mai multe etape sau niveluri în structura proteinei.când sunt expuse la condițiile din citosol sau lumenul ER, lanțurile polipeptidice presupun organizarea localizată numită structură secundară care optimizează interacțiunile dintre lanțurile laterale ale aminoacizilor între ele și apă., Coloana vertebrală polipeptidică se îndoaie în spirale și panglici de, respectiv, α-helice și β-foi. Atât α-helix, cât și β-sheet sunt segmente ale polipeptidei care au o geometrie regulată și sunt dantelate împreună cu viraje blânde și nu atât de blânde și separate de bucle mai puțin organizate.Alpha helix este o structură care împachetează α-Carboni cu rotație oferind unghiuri favorabile pentru formarea unei legături puternice de hidrogen și ambalarea strânsă a lanțurilor laterale. Foile Beta sunt structuri plate compuse din mai multe fire β legate de firele β vecine prin legarea hidrogenului., În foile β, lanțul polipeptidic poate rula în aceeași direcție (paralelă) sau opusă (anti-paralelă). Legăturile de hidrogen sunt mai stabile atunci când foaia β are mai degrabă fire anti-paralele decât paralele. Foile paralele tind să fie îngropate în interiorul structurii proteice. Structurile secundare sunt conectate prin întinderi nestructurate care formează bucle multiple.
structura terțiară a proteinei
există multe moduri în care structurile secundare se pot lega împreună într-o rețea 3D mare., Structura terțiară a proteinelor este de trei-dimensional combinație de α-helixuri și β-sheet că ori unul lângă altul, ca urmare a noncovalent interacțiuni între aminoacizi partea grupurilor și mediul înconjurător singur polipeptid. În acest stadiu, proteinele încep să-și solidifice structura prin legături suplimentare, cum ar fi legăturile disulfidice dintre două cisteine. Cea mai importantă caracteristică a structurilor terțiare este prezența regiunilor conservate cu funcții similare cunoscute sub numele de domenii funcționale., Structurile terțiare sunt mai puțin stabile și, într-adevăr, majoritatea își schimbă forma în timpul vieții proteinei, adesea de mai multe ori. Modificările conformaționale în aceste domenii funcționale stau la baza funcției proteinei. Acestea pot fi permanente în timpul plierii și maturării proteinelor sau reversibile și pot servi ca o modalitate de reglare a activității proteinei pe o reacție prin scară de reacție. Domeniile proteice sunt regiuni cu activitate similară. Nu au neapărat o secvență conservată., De exemplu, un domeniu kinază, responsabil pentru atașarea grupare fosfat are o formă diferită, și secvență, în funcție de substratul grupare fosfat este atașat la. Structurile secundare care formează domenii nu trebuie să se afle secvențial într-un lanț polipeptidic. Acestea ar putea fi chiar părți ale mai multor polipeptide diferite în cazul proteinelor multimerice.
motivele sunt un subgrup de domenii funcționale care au secvențe conservate evolutiv, oferindu-le, desigur, forma conservată., Un exemplu, motivele cu bobină înfășurată sunt suprastructuri foarte regulate ale Două α-helice împerecheate pentru a forma configurația fibroasă care este baza dimerilor stabili. De obicei, există două α-helices identice înfășurate unul în jurul celuilalt într-o conformație stângă și stabilizate prin interacțiuni hidrofobe. Legăturile ionice intermoleculare între lanțurile laterale într-o α-helix, 3.6 reziduuri în afară, dau spațiului reziduurilor hidrofobe să interacționeze cu un motiv similar pe proteina opusă.,
structura cuaternară
structura cuaternară este rezultatul unui ansamblu de două sau mai multe polipeptide într-o proteină multimerică funcțională. Subunitățile sunt asamblate prin interacțiuni între domenii sau regiuni din proteină și ținute împreună prin interacțiuni hidrofobe (două oglinzi umede) și legături disulfidice., Dacă subunitățile sunt identice structura este descrisă cu prefixul homo și dacă acestea sunt diferite cu prefixul hetero (ca în glicogen muscular phosphorylase homodimer sau ca în heterotrimeric G proteine)
procesele Intracelulare, cum ar fi semnalizare depinde de interacțiunea dintre molecule. Cu cât este mai bună potrivirea moleculară între două molecule, cu atât mai multe legături se pot forma sau cu atât interacțiunea (afinitatea dintre ele) este mai puternică. Secvența de aminoacizi dictată de o genă și, la rândul său, proprietățile lanțurilor laterale ale aminoacizilor decid asupra formei și, la rândul lor, asupra interacțiunilor.