Примарна структура на белковините

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Примарна структура на белковинитеСекундарна структура на белковинитеТерциерна структура на белковинитеКвартерна структура на белковините
The image above contains clickable links
Интерактивен дијаграм на протеинската структура; за пример е искористен PCNA.

Примарната структура на белковините (протеините) е линеарна низа (секвенца) на аминокиселините во составот на тој протеин.[1] По договор, примарната структура на протеинот се чита започнувајќи од амино-терминалот (N-крај) кон карбоксилниот-терминал (C-крај). Биосинтезата на белковините најчесто се врши од страна на рибозомите во клетките. Пептидите, исто така, може да се синтетизираат во лабораторија. Примарната структура на протеините може да биде директно секвенционирана, или да биде изведена од ДНК секвенцата.

Формирање[уреди | уреди извор]

Биолошко[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Транслација (биологија).

Аминокиселините се полимеризираат со формирање на пептидни врски за да создадат долга нишка, која поседува `рбет изграден од пептидни групи и странични ланци (групи) кои се нарекуваат аминокиселински остатоци. Во биолошките системи, протеините се создаваат за време на процесот на транслација, кој се одвива во рибозомите на клетката. Некои организми се способни да синтетизираат кратки пептиди со помош на процесот на не-рибозомна синтеза на пептиди, кои често, освен стандардните 20, содржат и други аминокиселини, вклучувајќи и D-аминокиселини.

Хемиско[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Синтеза на пептиди.

Пептидите можат да бидат синтетизирани и хемиски со помош на многу лабораториски методи. Со хемиските методи синтезата на пептидите обично тече во спротивна насока од биолошката синтеза на протеините (почнувајќи од C-крајот).

Систем на одбележување (нотација)[уреди | уреди извор]

Протеинската секвенца обично се одбележува како низа на букви, со наведување на аминокиселините почнувајќи од амино-терминалот (N-крајот), па сé до карбоксилниот-терминал (C-крај). Може да се користи или код составен од три букви или код од една буква за да се прикажат 20-те природни аминокиселини, како и мешавини или двосмислени аминокиселини (слично на нотацијата на нуклеинските киселини).[1][2][3]

Пептидите можат да бидат директно секвенционирани, или, пак, секвенцата да им биде заклучена од ДНК секвенцата. Постојат големи бази на податоци за протеински секвенци кои ги складираат и систематизираат досега познатите протеински секвенци.

Нотација на 20-те природни аминокиселини
Аминокиселина 3-букви[4] 1-буква[4]
Аланин Ala A
Аргинин Arg R
Аспарагин Asn N
Аспарагинска киселина Asp D
Цистеин Cys C
Глутаминска киселина Glu E
Глутамин Gln Q
Глицин Gly G
Хистидин His H
Изолеуцин Ile I
Леуцин Leu L
Лизин Lys K
Метионин Met M
Фенилаланин Phe F
Пролин Pro P
Серин Ser S
Треонин Thr T
Триптофан Trp W
Тирозин Tyr Y
Валин Val V
Нотација на двосмислени аминокиселини
Симбол Опис Остаток кој го претставува
X Било која аминокиселина, или непозната Сите
B Аспарагинска киселина или аспарагин D, N
Z Глутаминска киселина или глутамин E, Q
J Леуцин или изолеуцин I, L
Φ Хидрофобна V, I, L, F, W, Y, M
Ω Ароматична F, W, Y, H
Ψ Алифатична V, I, L, M
π Мала P, G, A, S
ζ Хидрофилна S, T, H, N, Q, E, D, K, R
+ Позитивно наелектризирана K, R, H
- Негативно наелектризирана D, E

Модификација[уреди | уреди извор]

Општо гледано, полипептидите се неразгранети полимери, па нивната примарна структура често може да се определи со низа од аминокиселини долж 'рбетот на полимерот. Сепак, протеините може да станат вкрстено поврзани, најчесто преку дисулфидни врски, а примарната структура, исто така, мора да ги специфицира атомите кои учествуваат во вкрстеното поврзување, на пример, специфицирање на цистеините вклучени во дисулфидните врски на протеинот. Друг вид на вкрстена врска е дезмозинот.

Изомеризација[уреди | уреди извор]

Хиралните центри на еден полипептиден синџир можат да бидат подложени на рацемизација. Иако ова не ја менува секвенцата, може да влијае на хемиските својства на секвенцата. Конкретно, L-аминокиселините кои се среќаваат во протеините може спонтано да изомеризираат на атомот за да формираат D-аминокиселини, кои повеќето протеази не можат да ги раскинат. Дополнително, пролинот може да формира стабилни транс-изомери на пептидната врска.

Пост-транслациона модификација[уреди | уреди извор]

Протеинот може да подлежи на голем број на пост-транслациони модификации, кои накратко се објаснети овде.

N-терминалната амино група на еден полипептид може ковалентно да биде променета, на пример,

Сл. 1 Ацетилација на N-терминалот
  • ацетилација
Позитивниот полнеж на N-терминалната амино група може да биде елиминиран со негова промена во ацетилна група (N-терминално блокирање).
  • формилација
N-терминалниот метионин, кој обично се среќава по транслацијата, има N-терминална амино група блокирана со формил група. Оваа формилна група (а понекогаш и самиот метионински остаток, ако после него следи Gly или Ser) е отстранета од страна на ензимот деформилаза.
  • пироглутамат
Сл. 2 Формирање на пироглутамат од N-терминален глутамин
N-терминалниот глутамин може самиот себе да се нападне, формирајќи циклична пироглутаматна група.
  • миристоилација
Процес кој е сличен на ацетилацијата. Наместо едноставна метилна група, миристоил групата има хидрофобен јаглеводороден ланец од 14 јаглеродни атоми, кои го прават идеален за вкотвување на протеини во клеточни мембрани.

C-терминалната карбоксилна група на еден полипептид, исто така може да биде променета, на пример,

Сл. 3 C-терминална амидација
  • амидација (види слика)
C-терминалот исто така може да биде блокиран (со што се неутрализира неговиот негативен полнеж) со амидација.
  • врзување на гликозил фосфатидилинозитол (GPI)
Гликозил фосфатидилинозитол е голема, хидрофобна, фосфолипидна простетична група, која ги вкотвува протеините во клеточните мембрани. Таа е врзана за C-терминалот на полипептидот преку амидна врска, потоа се врзува за етаноламин, потоа за шеќери и конечно за фосфатидилинозитолниот липид.

На крај, и страничните ланци на пептидите може да бидат ковалентно променети, на пример,

  • фосфорилација
Фосфорилацијата е втората најважна хемиска модификација на протеините (првата е ензимското раскинување на дел од протеинската молекула). Фосфатната група може да биде прикачена за страничните хидроксилни групи на серинските, треонинските и тирозинските остатоци, давајќи негативен полнеж на тоа место. Ваквите реакции се катализирани од ензими наречени кинази, а обратната реакција е катализирана од фосфатази. Фосфорилираните тирозини често се користат како „рачки“ со кои протеините се поврзуваат меѓусебе, а фосфорилацијата на серин/треонин често предизвикува конформациони промени, веројатно поради воведениот негативен полнеж. Ефектите на фосфорилација на серин/треонин понекогаш можат да бидат симулирани со нивна мутација во глутаминска киселина.
  • гликозилација
Сеопфатно име за група на многу чести и хетерогени хемиски модификации. Шеќерните групи можат да бидат прикачени за страничните хидроксилни групи на Ser/Thr или за страничната амидна група на Asn. Врзувањето на шеќерни групи може да врши повеќе функции, како што се зголемување на растворливоста на протеинот во вода или процеси на комплексна сигнализација. Сите гликозилации можат да бидат блокирани со одредени инхибитори, како што е туникамицинот.
  • деамидација (формирање на сукцинимид)
Кај оваа модификација, аспарагинскиот или аспартатниот страничен ланец ја напаѓа соседната пептидна врска, создавајќи симетричен сукцинимид како меѓупроизвод. Со хидролиза на овој меѓупроизвод се создава или аспартат (Asp) или β-аминокиселина, iso(Asp). Во случајот на аспарагин, било кој продукт на хемиската реакција резултира со губење на амидна група, па оттука името „деамидација“.
  • хидроксилација
Пролинските остатоци може да бидат хидроксилирани на било кој од два атома, а лизинските остатоци на само еден атом. Хидроксипролинот е клучна компонента на колагенот, кој станува нестабилен по негова загуба. Реакцијата на хидроксилација е катализирана од ензим за чија активност е потребна аскорбинска киселина (витамин Ц).
  • метилација
Некои протеински остатоци можат да бидат метилирани, особено позитивните групи на лизинот и аргининот. Аргининските остатоци стапуваат во интеракција со фосфатниот 'рбет на нуклеинските киселини и често формираат водородни врски со азотните бази, особено гванинот, во протеин–ДНК комплексите. Лизинските остатоци можат да бидат единечно, двојно, па дури и тројно метилирани. Метилацијата не го менува позитивниот полнеж на страничниот ланец.
  • ацетилација
Ацетилацијата на лизинските амино групи е хемиски аналогна на ацетилацијата на N-терминалот. Сепак, од функционална гледна точка, ацетилацијата на лизинските остатоци се користи за регулирање на врзувањето на протеините за нуклеинските киселини. Губењето на позитивниот полнеж на лизинот го ослабнува електростатското привлекување за негативно наелектризираните нуклеински киселини.
  • сулфација
Тирозините може да бидат сулфатирани на нивниот атом. Оваа модификација се одвива во Голџиевиот систем, а не во eндоплазматичниот ретикулум. Слично на фосфорилираните тирозини, сулфатираните тирозини служат за специфични препознавања, на пример, кај хемокинските рецептори на површината на клетката. Како и со фосфорилацијата, сулфатацијата додава негативен полнеж на претходно електро-неутрална позиција.
  • пренилација и палмитоилација
Хидрофобните изопреноидни (на пример, фарнезил, геранил и геранилгеранил) групи и палмитоил групите може да бидат додадени на атом на цистеински остатоци, за вкотвување на протеините за клеточни мембрани. За разлика од GPI и миристоил групите, овие групи не мора да бидат додадени на терминал.
  • карбоксилација
Ова е релативно ретка модификација при која се додава дополнителна карбоксилна група (а со тоа и двоен негативен полнеж) на глутаматен страничен ланец, со што се создава Gla остаток. Модификацијата се користи за зајакнување на врзувањето за метални јони, како што се калциумот.
  • ADP-рибозилација
Големата ADP-рибозилна група може да биде трансферирана на неколку видови на протеински странични ланци, со хетерогени ефекти. Оваа модификација е таргет за моќните токсини на различни бактерии, на пример, Vibrio cholerae, Corynebacterium diphtheriae и Bordetella pertussis.
  • убиквитинација и SUMOилација
Различни целосни и склопени протеини можат да врзат на своите C-терминали лизински амониумови групи од страничните ланци на други протеини. Убиквитинот е најчестиот од овие протеини и обично сигнализира дека убиквитин-обележаните протеини треба да бидат разградени.

Повеќето од полипептидните модификации наведени погоре се случуваат пост-транслационо, односно по синтезата на протеинот во рибозомот, а најчесто во ендоплазматичниот ретикулум.

Раскинување и сврзување[уреди | уреди извор]

Во прилог на горенаведените модификации, најважната модификација на примарната структура е пептидното раскинување (со хемиска хидролиза или со протеази). Протеините често се синтетизираат во неактивна форма на прекурсори; типично, N-терминалниот или C-терминалниот сегмент го блокира активното место на протеинот, со што ја инхибира својата функција. Протеинот се активира со раскинување на инхибиторниот пептид.

Некои протеини ја имаат моќта да се раскинуваат самите себе. Вообичаено, хидроксилната група на серинскиот (поретко на треонинскиот) или тиолната група на цистеинскиот остаток го напаѓа карбонилниот јаглерод на претходната пептидна врска, формирајќи тетраедално поврзан интермедиер [класифициран како хидроксиоксазолидински (Ser/Thr) или хидрокситиазолидински (Cys) интермедиер]. Овој интермедиер има тенденција да се врати во амидна форма и ја отфрла напаѓачката група, бидејќи слободната енергија ја фаворизира амидната форма (веројатно поради силната резонантна стабилизација на пептидната група). Сепак, дополнителни молекуларни интеракции може да ја направат амидната форма помалку стабилна; во тој случај се отфрла амино групата, што резултира со создавање на естерска (Ser/Thr) или тиоестерска (Cys) врска на местото на пептидната врска. Оваа хемиска реакција се нарекува N-O ацилно преместување.

Естерската/тиоестерската врска може да реагира на следните начини:

  • Едноставна хидролиза ќе го пресече полипептидниот синџир, каде што разместената амино група станува нов N-терминал. Ова се среќава кај „зреењето“ на ензимот гликозиласпарагиназа.
  • Реакција на β-елиминација, исто така, го сече полипептидниот синџир, но резултира со пирувоил група на новиот N-терминал. Оваа пирувоил група може да се користи како ковалентно прикачен каталитички кофактор кај некои ензими, особено декарбоксилази, како што е S-аденозилметионин декарбоксилазата (SAMDC), кои ја користат моќта на привлекување електрони на пирувоил групата.
  • Интрамолекуларна трансестерификација, која резултира со разгранет полипептид. Кај интеините (протеински сегменти кои се способни да се отсечат самите себеси и да ги спојат преостанатите делови од протеинот), новата естерска врска е раскината со интрамолекуларен напад од страна на создадениот C-терминален аспарагин.
  • Интермолекуларната трансестерификација може да пренесе цел сегмент од еден полипептид на друг, како што е забележано при автопроцесирањето кај некои протеини.

Историја[уреди | уреди извор]

Предлогот дека протеините се линеарни синџири од α-аминокиселини го дале, речиси истовремено, двајца научници на истата конференција во 1902 година, односно 74-тата средба на Здружението на германски научници и лекари, која се одржала во Карлсбад. Франц Хофмајстер го дал предлогот утрото, врз основа на неговите набљудувања на биуретовата реакција кај протеините. Неколку часа подоцна, Емил Фишер, претставил голем број на податоци кои го поддржувале моделот на пептидни врски. Меѓутоа, уште во 1882 година, францускиот хемичар Едуард Гримо предложил дека протеините содржат амидни врски.[5]

И покрај овие податоци и подоцнежните докази дека протеолитички дигестираните протеини даваат само олигопептиди како продукти, идејата дека протеините се линеарни, неразгранети полимери на аминокиселини не била веднаш прифатена. Некои високо почитувани научници, како британскиот физичар и молекуларен биолог Вилијам Астбури, се сомневале дека ковалентните врски се доволно јаки за да можат аминокиселините да ги држат врзани заедно во толку долги полимери; тие верувале дека топлинската енергија може лесно да ги раскине таквите долги молекули. Германскиот хемичар Херман Штаудингер се соочил со слични предрасуди во 1920-тите години, кога тврдел дека гумата е составена од макромолекули.[5]

Така се појавиле неколку алтернативни хипотези. Хипотезата на колоидна белковина тврдела дека белковините се по природа колоидни агрегати составени од помали молекули. Оваа хипотеза била отфрлена во 1920-тите години со мерења на ултрацентрифугирање од страна на Теодор Сведберг, кој покажал дека белковините имаат добро дефинирана, репродуктибилна молекуларна тежина и со мерења на електрофореза од страна на Арне Тиселиус, кој покажал дека белковините се единечни молекули. Хипотезата на циклоли, развиена од Дороти Вринч, предлагала дека линеарниот полипептид подлегнува на хемиски циклол преуредувања, C=O + HN → C(OH)-N, со кои вкрстено се поврзуваат амидните групи од `рбетот на полипептидната нишка, формирајќи дводимензионална плочеста структура. Други хипотези за примарната структура на белковините биле предложувани од разни истражувачи, како, на пример, дикетопиперазинскиот модел на швајцарскиот биохемичар Емил Абдерхаленд и пирол/пиперидин моделот на Троензегард во 1942 година. Сите овие алтернативни модели конечно биле побиени кога британскиот биохемичар Фредерик Сангер успешно ја секвенционирал примарната структура на инсулинот во 1951 година[6][7][8] и кога Макс Перуц и Џон Кендру кристалографски ги определиле структурите на миоглобинот и хемоглобинот во 1959 година.[9]

Однос кон секундарната и терцијарната структура[уреди | уреди извор]

Примарната структура на еден биолошки полимер во голема мера ја одредува неговата тродимензионална форма (терцијарна структура). Белковинската секвенца може да се користи за да се предвидат некои локални карактеристики, како што се сегменти на секундарната структура, или трансмембрански региони. Сепак, комплексноста на склопувањето на белковинските молекули забранува предвидување на терцијарната структура на белковината само од нејзината секвенца. Познавањето на структурата на слична хомологна секвенца (на пример секвенца на молекула припадник на истата белковинска фамилија) овозможува многу точно предвидување на терциерната структура со хомологно моделирање. Доколку е достапна целосната белковинска секвенца, можно е да се проценат некои основни биофизички својства на таа супстанца, како што е нејзината изоелектрична точка.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. 1,0 1,1 SANGER F. The arrangement of amino acids in proteins. „Adv. Protein Chem.“ том  7: 1–67. doi:10.1016/S0065-3233(08)60017-0. PMID 14933251. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0065323308600170. 
  2. Aasland, Rein; Abrams, Charles; Ampe, Christophe; Ball, Linda J.; Bedford, Mark T.; Cesareni, Gianni; Gimona, Mario; Hurley, James H.; и др. (20 февруари 2002 г). Normalization of nomenclature for peptide motifs as ligands of modular protein domains (на en). „FEBS Letters“ том  513 (1): 141–144. doi:10.1016/s0014-5793(01)03295-1. ISSN 0014-5793. https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1016/S0014-5793(01)03295-1. 
  3. Aasland, Rein; Abrams, Charles; Ampe, Christophe; Ball, Linda J.; Bedford, Mark T.; Cesareni, Gianni; Gimona, Mario; Hurley, James H.; и др. (20 февруари 2002 г). Normalization of nomenclature for peptide motifs as ligands of modular protein domains. „FEBS letters“ том  513 (1): 141–144. ISSN 0014-5793. PMID 11911894. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11911894. 
  4. 4,0 4,1 Hausman, Robert E.; Cooper, Geoffrey M. (2004). The cell: a molecular approach. Washington, D.C: ASM Press. стр. 51. ISBN 0-87893-214-3. 
  5. 5,0 5,1 Fruton JS (мај 1979 г). Early theories of protein structure. „Ann. N. Y. Acad. Sci.“ том  325: xiv, 1–18. doi:10.1111/j.1749-6632.1979.tb14125.x. PMID 378063. 
  6. Sanger, F.; Tuppy, H. (1 септември 1951 г). The amino-acid sequence in the phenylalanyl chain of insulin. I. The identification of lower peptides from partial hydrolysates. „The Biochemical Journal“ том  49 (4): 463–481. ISSN 0264-6021. PMID 14886310. PMC: PMC1197535. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14886310. 
  7. Sanger, F.; Tuppy, H. (1 септември 1951 г). The amino-acid sequence in the phenylalanyl chain of insulin. 2. The investigation of peptides from enzymic hydrolysates. „The Biochemical Journal“ том  49 (4): 481–490. ISSN 0264-6021. PMID 14886311. PMC: PMC1197536. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14886311. 
  8. Sanger, F.; Thompson, E. O. P. (1 февруари 1953 г). The amino-acid sequence in the glycyl chain of insulin. I. The identification of lower peptides from partial hydrolysates. „The Biochemical Journal“ том  53 (3): 353–366. ISSN 0264-6021. PMID 13032078. PMC: PMC1198157. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/13032078. 
  9. Information Overload“, „Science History Institute“, 18 јули 2016. (на en)

Надворешни врски[уреди | уреди извор]