View
242
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
1/50
AIKIEIE, EIDI I EII
Za istraživanje molekularnog mehanizma nekog
biološkog procesa biokemičar neizbježno mora
izučavati jedan ili više različitih proteina. Proteini su
najraširenije biološke makromolekule, koje se pojavljuju
u svim stanicama i svim dijelovima stanica.
Predstavljaju molekularne instrumente preko kojih se
izražava genetska informacija.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
2/50
Relativno jednostavne monomerne jedinice osiguravaju
ključ strukture hiljada različitih proteina. Svi proteini, od
onih u najstarijih vrsta bakterija pa do onih u
najkompliciranijim oblicima života, izgrađeni su od
kombinacija 20 istih aminokiselina međusobno povezanih
kovalentnom (amidnom, peptidnom) vezom.
Pošto svaka od ovih aminokiselina ima bočni lanac sa
različitim hemijskim (kod nekih i fizičkim) svojstvima, ova
grupa 20 molekulskih prekursora može se smatrati kao
alfabet kojim se piše jezik proteinskih struktura.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
3/50
Proteini su nađeni u širokom području veličina, od samo
nekoliko aminokiselinskih ostataka u strukturi (peptidi) pa
do milionskih molekulskih masa. Ono što je
najprepoznatljivije je to što stanice mogu stvarati proteine
vrlo različitih svojstava i aktivnosti, udruživanjem istih 20
aminokiselina u brojne kombinacije i sekvence.
Iz ovih gradivnih sastojaka različiti organizmi mogu
izgraditi brojne različite spojeve kao npr. enzime,
hormone, antitijela, prenosioce, mišićna vlakna, proteine
vida, perja, rogova (i kod nosoroga), proteine paukove
mreže, proteine mlijeka, antibiotike, otrove gljiva i bezbroj
drugih koji imaju značajne biološke funkcije (Slika 1).
Među ovim proteinskim produktima, enzimi su
najraznovrsniji i najspecifičniji.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
4/50
Slika 1. Neke funkcije proteinaSvjetlost koju emitira svitac (firefly) rezultat je reakcije koja uklju č uje protein luciferin i ATP, katalizirane od
enzima luciferaze; (b) eritrociti sadr e velike količ ine oksigen-transportirajuć eg proteina hemoglobina; (c)
protein keratin, koji nastaje u svih kič menjaka, glavni je protein kose, noktiju, rogova, vune, perja itd. Crni
nosorog je došao na granicu svoje egzistencije radi vjerovanja da prah iz njegovog roga ima afrodizijska svojstva, iako se sastav njegovog sprašenog roga ne razlikuje od sastava roga goveda il i ljudskih noktiju.
Prva aminokiselina (od 20 koje ulaze u sastav proteina) koja je bila
otkrivena je asparagin (1806 god.), a posljednja treonin (1938).
Trivijalna imena aminokiselina data su uglavnom po
materijalu iz kojeg su prvi put izolirane npr. asparagin iz
šparoge (asparagus), glutaminska kiselina iz glutena pšenice,
tirozin iz sira (grč. tyros znači sir ), a glicin po svom slatkom okusu
(grč. glykos znači sladak). Od 20 aminokiselina 19 su α-
aminokiseline (prolin je iminokiselina, jer nema slobodnu NH2 grupu, već je
atom azota u prstenu). Imaju vezanu karboksilnu i amino grupu na
istom (α) C atomu. Opća struktura aminokiseline prikazana
je niže:
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
5/50
ć č
Oznake sa tri slova sadrže prva tri slova naziva
aminokiseline, a oznake sa jednim slovom uvela je
Margaret Oakley Dayhoff (1925-1983) u cilju smanjenja
memorije pri određivanju proteinskih sekvenci. Za šest
aminokiselina (CHIMSV) prvo slovo imena je jedinstveno i
koristi se kao simbol. Za pet drugih (AGLPT) prvo slovo
nije jedinstveno, te se koristi prvo slovo one aminokiseline
koja je više zastupljena u proteinima (npr. leucin jezastupljeniji od lizina). Oznaka K za lizin je zato što je
slovo K najbliže slovu L.
Za označavanje C atoma aminokiselina koriste se dvanačina, ponekad zbunjujuća. Prema jednom načinu, osim
α ugljika (na kojem su karboksilna i amino grupa), u R
ostatku mogu biti β, γ, δ i ε C atomi. Drugi način je onaj
koji je uobičajen za većinu organskih molekula kada se C
atomi numeriraju sa jednog kraja dajući prednost onom C
atomu koji sadrži supstituent sa najvećim atomskim
brojem. Prema ovom načinu, karboksilni C atom
aminokiseline ima broj 1, a α C atom broj 2:
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
6/50
Gotovo svi biološki spojevi sa hiralnim centrom u prirodi se
pojavljuju samo u jednom stereoizomernom obliku: ili D ili L.
Aminokiselinski ostaci u proteinima su isključivo L
stereoizomeri. D-aminokiselinski ostaci nađeni su u samo
nekoliko manjih peptida, uključujući neke peptide
bakterijskih staničnih zidova i određene peptidne antibiotike.
Stanice su sposobne da specifično sintetiziraju L izomere
aminokiselina, jer su aktivna mjesta enzima asimetrična,
uzrokujući da i reakcije koje kataliziraju budu
stereospecifične.
Aminokiseline se mogu klasificirati prema
bočnom lancu
Poznavanje hemijskih svojstava uobičajenih aminokiselina
osnova je razumijevanja biohemije proteina. Prema
svojstvima njihovih bočnih lanaca (R grupa), aminokiseline
se mogu grupirati u pet glavnih vrsta. To se posebno odnosi
na njihovu polarnost ili težnju za interakcijom sa vodom pri
fiziološkom pH (blizu pH 7,0). Polarnost R grupa vrlo jepromjenljiva, od nepolarnih i hidrofobnih (liposolubilnih), do
visoko polarnih i hidrofilnih (hidrosolubilnih). Strukture 20
uobičajenih aminokiselina prikazane su na Slici 2:
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
7/50
Slika 2. 20 poznatih aminokiselina proteina. Formule prikazuju stanje u kojem se aminokiseline nalaze pri fiziološkom pH (disocirane).
.
Bč
, ć ć
. . I
, č (H)
. ,
,
č . č č
č . ()
()
č .
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
8/50
, č, ()
. H
H,
. ( H ) (
) č .
, ,
č ( 3). č ć 280 ,
.
Slika 3. Apsorpcijski UV spektri aromatskih aminokiselina. Prikazani spektri dobijeni su za koncentracije tiro zina i triptofana od 10 -3 M, pri pH 6 (apsorpcioni maksimum
triptofana je č etiri puta već i od aps. maks. tirozina-na pribli no 280 nm).
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
9/50
R grupe ovih aminokiselina topivije su u vodi ili hidrofilnije
od onih u nepolarnih aminokiselina, jer sadrže
funkcionalne grupe koje grade H-veze sa vodom. Ova
vrsta aminokiselina uključuje serin, treonin, cistein,
asparagin i glutamin. Polarnost serina i treonina potiče
od njihovih OH grupa, kod cisteina od sulfhidrilne grupe čiji
vodik može graditi H-veze sa O ili N, a polarnost
asparagina i glutamina potiče od njihovih amidnih grupa.
Asparagin i glutamin su amidi dvije druge aminokiseline
također nađene u proteinima: asparaginske i glutaminske.
Cistein se lahko oksidira, dajući kovalentno vezanu dimernuaminokiselinu cistin, u kojoj su dva ostatka cisteina vezana
međusobno disulfidnom vezom:
Disulfidno vezani ostaci su jako hidrofobni(nepolarni). Disulfidne veze imaju posebnu uloguu strukturama brojnih proteina (ove kovalentneveze nastaju između dijelova jednog polipeptida i
između dva različita polipeptidna lanca).
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
10/50
Najhidrofilnije R grupe su one koje su pozitivno ili negativno
nabijene. Aminokiseline u kojih R grupe imaju značajan pozitivninaboj pri pH 7 su lizin, koja ima drugu primarnu amino grupu u ε
poziciji njenog alifatskog lanca i arginin, koja ima pozitivno
nabijenu gvanidinsku grupu. R grupa histidina (aromatska
imidazolska grupa) pri fiziološkom pH pozitivna je samo u manjem
stepenu. U brojnim enzimski-kataliziranim reakcijama histidin služi
kao proton donor ili akceptor.
D
H 7 ,
.
č () đ
Pored 20 poznatih (uobičajenih) aminokiselina, proteini mogu
sadržavati ostatke nastale modifikacijom već prisutnih
ostataka u polipeptidu. Među njima su npr. 4-hidroksiprolin-
derivat prolina, te 5-hidroksilizin-derivat lizina. 4-
hidroksiprolin je nađen u proteinima staničnog zida biljaka, a
obje ove aminokiseline sadržane su u kolagenu, vlaknastom
proteinu vezivnih tkiva.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
11/50
6-N-metillizin je komponenta miozina, kontraktilnog
proteina mišića. Druga važna rijetka aminokiselina je γγγγ-
karboksiglutaminska, nađena u protrombinu, proteinu
zaduženom za zgrušavanje krvi, te u nekim drugim
proteinima koji vežu Ca2+ kao dio njihove biološke
funkcije. Mnogo kompleksniji je desmozin, derivat četiri
lizinska ostatka, nađen u vlaknastom proteinu elastinu.
Selenocistein, koji umjesto sumpora u cisteinu sadrži
selen, je poseban slučaj. Nastaje tokom proteinske sinteze,
češće nego postsintetičkom modifikacijom. Ova
aminokiselina, koja se može smatrati derivatom serina,
sastojak je samo nekoliko poznatih proteina.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
12/50
Slika 5a
Fosforilacija je vrlo česta regulatornamodifikacija.
Vezanje fosfatne, metilne, acetilne,adenililne, ADP-ribozilne ili drugihgrupa na pojedine aminokiselinskeostatke može povećati ili smanjiti
proteinsku aktivnost:
Slika 5b
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
13/50
Pored 20 uobičajenih aminokiselina, u stanici je nađeno
još 300 drugih aminokiselina, koje imaju različite funkcije,
a sve ne ulaze u sastav proteina. Ornitin i citrulin
zauzimaju posebnu pažnju, jer su ključni metaboliti u
biosintezi arginina i ciklusu uree:
Amino i karboksilne grupe aminokiselina, uporedo sa
jonizirajućim R grupama nekih aminokiselina, djeluju kao
slabe kiseline i baze. Otapanjem u vodi pri neutralnom pH,
postoje kao dipolarni ili zwitterjoni (njem. „mješoviti jon“),
koji mogu djelovati i kao kiselina i kao baza (Slika 6). Tvari
koje imaju ovu dvojnu (kiselinsko-baznu) prirodu su
amfoterne i često se zovu amfoliti (amfoterni elektroliti).
Karakterističan pH pri kojem je ukupni naboj jednak nulizove se izoelektrična tačka (pI). Za glicin npr., koji nema
jonizirajuću grupu na bočnom lancu, izoelektrična tačka je
aritmetička sredina dviju pKa vrijednosti:
pK1=2,34; pK2=9,6; I=5,97.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
14/50
Slika 6. Nejonski i zwitterjonski oblici aminokiselina.
Zadatak Izračunati udio histidina koji ima njegov imidazolski bočnilanac protoniran pri pH 7,3. pKa vrijednosti za histidin supK1 = 1,82, pKR (imidazol) = 6,00 i pK2 = 9,17.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
15/50
ć č K
. (CH)
( ) č ,
ć (H3+). HH
(HH) č
1% 2 H K, 99%
2 H K.
H 7,3 (C), α
(H3+). ,
H 7,3 č
,
(HH+) (H).
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
16/50
[ ][ ] HA A
pKa pH −
+= log
[ ][ ]+
+= HisH
Hislog0,63,7
[ ][ ]+
= HisH
Hislog3,1
[ ][ ]
2095,193,1 ≈==+ HisH
Hisantilog
tako da udio protoniranog histidina (HisH+) od ukupnoghistidina pri pH 7,3 iznosi 1/21 (1 dio HisH+ u ukupno 21dijelova histidina u bilo kom obliku) ili 4,8%.
Peptidi i proteini
Dvije molekule aminokiselina mogu se kovalentno vezati
supstituiranom amidnom vezom (peptidna veza) dajući
peptid (Slika 7). Ako se na ovaj način poveže nekoliko
aminokiselina, nastaje oligopeptid, a ako se veže više
aminokiselina nastaje polipeptid.
Slika 7
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
17/50
Slika 8 prikazuje strukturu pentapeptida. Aminokiselinski
ostatak na kraju sa slobodnom α-amino grupom je amino-
terminalni (N-terminalni), a ostatak na drugom kraju sa
slobodnom karboksilnom grupom je karboksi-terminalni (C-
terminalni). Po dogovoru N-terminalni kraj piše se lijevo, a
C-terminalni desno. Čitanje se vrši s lijeva na desno.
Slika 8. Pentapeptid serilgliciltirozilalanilleucin, Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu ili (SGYAL)
Iako je hidroliza peptidne veze egzoterman proces, zbog
visoke energije aktivacije odvija se jako sporo. Kao rezultat,
peptidne veze u proteinima su vrlo stabilne, sa prosječnim
poluživotom oko 7 godina pri fiziološkim uvjetima.
Kiselinsko-bazno ponašanje peptida može se predvidjeti na
osnovu njegove slobodne α-amino i α-karboksilne grupe,
kao i prirode i broja njegovih jonizabilnih R grupa.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
18/50
Kao i slobodne aminokiseline, peptidi također imaju
karakteristične titracione krive i karakterističan
izoelektrični pH (pI) pri kojem se ne kreću u električnom
polju. Ova svojstva su iskorištena u nekim tehnikama
korištenim za razdvajanje peptida i proteina.
Biološki aktivni peptidi i polipeptidi postoje u
širokom području veličina i sastava
Ne može se postaviti poopćenje (generalizacija) između
molekulskih masa biološki aktivnih peptida i proteina i
njihovih funkcija. Peptidi koji se pojavljuju u prirodi izgrađeni
su od dvije pa do više hiljada aminokiselina
(aminokiselinskih ostataka).
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
19/50
Brojni mali peptidi izražavaju svoje efekte pri vrlo niskim
koncentracijama. Npr. neki hormoni kičmenjaka su mali
peptidi: oksitocin (ima devet aminokiselinskih ostataka)
kojeg luči zadnji režanj hipofize (posterior pituitary) stimulira
kontrakcije maternice, a tirotropin-oslobađajući faktor (tri
ostatka) koji nastaje u hipotalamusu, stimulira oslobađanje
drugog hormona - tirotropina, iz prednjeg režnja hipofize.
Neki ekstremno toksični otrovi iz gljiva, kao što je
amanitin, također su mali peptidi, kao i brojni antibiotici.
U Tablici 1 navedeni su primjeri nekih proteina sa
njihovim molekulskim masama, brojem aminokiselinskih
ostataka i brojem polipeptidnih lanaca:
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
20/50
1.
C () 12 400 104 1
A (đ
)
13 700 124 1
( ) 14 300 129 1
( ) 16 700 153 1
K (đ
)
25 200 241 3
K (đ) 25 700 245 1
H () 64 500 574 4
A 66 000 609 1
H () 107 900 972 2
A ( ) 450 000 4 158 5
A B () 513 000 4 536 1
G ( ) 619 000 5 628 12
() 2 993 000 26 926 1
Proteini koji se nalaze u prirodi najčešće sadrže manje od
2000 aminokiselinskih ostataka.
Pojedinačni polipeptidni lanci u multisubjediničnom proteinu
mogu biti identični ili različiti. Ako su minimalno dva lanca
različita, za protein se kaže da je oligomeran, a identične
jedinice su protomeri.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
21/50
Npr. hemoglobin ima četiri polipeptidne subjedinice: dva
identična α lanca i dva identična β lanca, a sva četiri se
drže skupa nekovalentnim interakcijama. Svaka α
subjedinica sparena je na identičan način sa β
subjedinicom u sklopu strukture ovog multisubjediničnog
proteina, tako da se hemoglobin može posmatrati kao
tetramer četiri polipeptidne subjedinice ili kao dimer αβprotomera.
Neki proteini sadrže dva ili više polipeptidnih lanaca vezanih
kovalentno. Npr. polipeptidni lanci inzulina vezani su
disulfidnim vezama.
Aminokiselinski sastav proteina također je vrlo promjenljiv (20
uobičajenih aminokiselina nikad se ne pojavljuju u jednakim
količinama u proteinima).
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
22/50
Približan broj aminokiselinskih ostataka u jednostavnom
proteinu koji ne sadrži druge hemijske konstituente može
se izračunati dijeljenjem njegove molekulske mase brojem
110 (prosječna molekulska masa 20 aminokiselina je 138,
ali manje aminokiseline prevladavaju u većini proteina, tako
da se uzima 128, što umanjeno za Mr vode daje 110).
Neki proteini sadrže hemijske grupe različite od
aminokiselina
Mnogi proteini, npr. enzim ribonukleaza A i kimotripsin,
sadrže samo aminokiselinske ostatke bez drugih hemijskih
konstituenata. To su prosti ili jednostavni proteini ili
polipeptidi. Oni proteini koji pored aminokiselinskih ostataka
sadrže i neke druge hemijske komponente zovu se
konjugirani ili složeni proteini. Neaminokiselinski
(neproteinski) dio složenog proteina zove se obično
prostetička grupa.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
23/50
Složeni proteini se dijele prema hemijskoj prirodi njihovih
prostetičkih grupa (Tablica 2) npr. na lipoproteine, koji
sadrže lipide, glikoproteine, sadrže šećerne grupe,
metaloproteine, sadrže specifični metal. Neki proteini
sadrže više od jedne prostetičke grupe. Prostetička grupa
obično ima važnu ulogu u biološkoj funkciji datog proteina.
Vrsta Prostetička grupa Primjer
Lipoproteini Lipidi β1-lipoprotein krvi
Glikoproteini Ugljikohidrati Imunoglobulin G
Fosfoproteini Fosfatne grupe Kazein mlijeka
Hemoproteini Hem (željezo porfirin) Hemoglobin
Flavoproteini Flavin nukleotidi Sukcinat-dehidrogenaza
Željezo Feritin
Cink Alkohol-dehidrogenaza
Metaloproteini Kalcij Kalmodulin
Molibden Dinitrogenaza
Bakar Plastocijanin
Tablica 2. Složeni proteini
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
24/50
č , ,
? K ?
č . č č : , , ( 9).
Slika 9. Nivoi proteinske
strukture Primarnu strukturu č ini
aminokiselinski redoslijed
(aminokiseline povezane peptidnimvezama, a uključ ene su i disulfidne
veze). Nastali polipeptid mo e se
slagati (razmještati) u oblike
sekundarne strukture kao što je npr.α-heliks. Heliks je dio tercijarne
strukture uvijenog polipeptida, koji
je (polipeptid) jedna od subjedinica
kvaterne strukturemultisubjedinič nog proteina (u
ovom sluč aju hemoglobina).
, ,
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
25/50
Primarna struktura
Čine je sve kovalentne veze (uglavnom peptidne i disulfidne)povezivanja aminokiselinskih ostataka u polipeptidni lanac.
Najvažniji element primarne strukture je redoslijed (sekvenca)aminokiselinskih ostataka. Sekvenca određuje trodimenzionalnustrukturu proteina, koja određuje njegovu biološku funkciju.
Sekundarna struktura
Odnosi se na naročito stabilne strukture aminokiselinskihostataka naglašavajući ponavljajuće strukturne detalje.Najpoznatije od ovih struktura su α-heliks (spirala) i β-plohe (β-listovi, β-strukture, β-konformacije).
Tercijarna struktura
Opisuje sve aspekte trodimenzionalnog razmještanja (uvijanja)polipeptida. α-heliks i β-listovi su dijelovi ove strukture.
Kvaterna strukturaPredstavlja udruživanje i razmještaj polipeptidnih lanaca(subjedinica) u prostoru.
DIEIAA KA EIA
Za razumijevanje načina kako se sekvenca aminokiselina prevodi ukarakterističnu trodimenzionalnu strukturu proteina potrebno je razjasnitinekoliko (5) činjenica:
• Trodimenzionalna struktura datog proteina određena je njegovomaminokiselinskom sekvencom;
• Funkcija proteina ovisi o njegovoj strukturi;• Izolirani protein obično postoji u jednom ili malom broju stabilnih
strukturnih oblika;• Najvažnije sile koje stabiliziraju specifične proteinske strukture su
nekovalentne interakcije;
• Prepoznavanje nekih čestih strukturnih detalja doprinosi boljemrazumijevanju proteinske građe.
Ove činjenice ne znače da proteini imaju statičke, nepromjenljivetrodimenzionalne strukture. Proteinska funkcija često podrazumijevameđusobnu pretvorbu (interkonverziju) između dva ili višestrukturnih oblika.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
26/50
Konformacija proteina podrazumijeva prostorni raspored
njegovih atoma. Moguće konformacije proteina uključuju bilo
koje strukturno stanje koje se može dostići bez cijepanja
kovalentnih veza. Promjena u konformaciji kod većine
organskih spojeva dešava se npr. rotacijom atoma ili grupa
oko jednostrukih veza. Obzirom da proteini sadrže stotine
takvih veza, teoretski bi bio moguć veliki broj konformacija.
Međutim, pri fiziološkim uslovima općenito prevladava
jedan ili nekoliko (što je češći slučaj) konformacionih oblika.
To su oni koji su pri datim uslovima termodinamički
najstabilniji-imaju najnižu Gibbs-ovu slobodnu energiju (G).
Proteini u bilo kojoj njihovoj funkcionalnoj konformaciji zovu
se nativni (izvorni) proteini, a termin stabilnost u
kontekstu proteinske strukture odnosi se na tendenciju
održavanja nativne konformacije.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
27/50
Pažljivim određivanjem doprinosa slabih interakcija na
proteinsku stabilnost, našlo se da prevladavaju hidrofobne
interakcije, koje potiču uglavnom od nepolarnih bočnih
lanaca aminokiselina koji teže da se udruže u unutrašnjosti
proteina, daleko od vode. Porast entropije je glavna
termodinamička upravljačka sila za udruživanje hidrofobnih
grupa u vodenoj otopini.
Veliki doprinos imaju i H-veze, a jonske interakcije mogu
biti stabilizirajuće ili destabilizirajuće.
Jedna H-veza malo doprinosi stabilnosti nativne strukture,
ali njihovo prisustvo u hidrofobnom jezgru proteina (jezgro
od nepolarnih bočnih lanaca aminokiselina) može znatno
destabilizirati konformacije.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
28/50
đ 20
, , , č
.
J 1930 , C
,
. , ć
, ,
ć č:
1. A :
gdje Cα označava atom ugljika susjedan atomu ugljika amidne grupe. Veza C-Nima oko 30-40% karaktera dvostruke veze, tako da je rotacija oko ove vezeograničena i zahtijeva energiju od 40-80 kJmol-1. Rotacije oko veza Cα-C i Cα-Nnisu ograničene.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
29/50
2. č
đ Cα :
K , . CCCC,
đ č .
, .
.
č, đ 30°
⋅⋅⋅⋅ . , č
:
C
α,
ć
.
N H O C
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
30/50
, , C
α
( φ) Cα
C ( ψ):
,
. α
φ 57°, ψ 47°. ć φ ψ
. .,
0°, č đ
.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
31/50
Razumijevanje proteinske konformacije mora ići postepeno
od diskusije o primarnoj strukturi, kroz razmatranja
sekundarne, tercijarne i kvaterne strukture. Ovdje treba
naglasiti česte i klasificirajuće šablone uvijanja nazvane
supersekundarne strukture (engl. motif):
) , βαβ .) , β. β
α( ć )
.
Sekundarna struktura proteina
Termin sekundarna struktura označava bilo koji izabrani
segment polipeptidnog lanca i opisuje lokalni prostorni
razmještaj atoma glavnog lanca, ne uzimajući u obzir
konformaciju njegovih bočnih lanaca ili povezanost sa
drugim segmentima. Postoji više naročito stabilnih tipova
sekundarne strukture široko zastupljenih u proteinima, anajpoznatije su α-heliks (α-spirala) i β-konformacije (β-
strukture). Drugi čest tip je ββββ-uvoj.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
32/50
U slučajevima gdje se ne nalaze pravilni strukturni dijelovi,
sekundarna struktura se navodi kao nedefinirana ili kao
slučajna spirala, što nije propisno opisivanje strukture tih
segmenata, jer razmještaj polipeptidnog kostura bilo kojeg
proteina nije slučajan, već je nepromjenljiv i visoko
specifičan za strukturu i funkciju datog proteina.
Najjednostavniji razmještaj polipeptidnog lanca koji
pretpostavlja njegove rigidne (krute) peptidne veze (sa
slobodnom rotacijom oko drugih, jednostrukih veza) je
helikoidalna (spiralna) struktura – (koju su Pauling i Corey
nazvali) αααα-heliks. U ovoj strukturi polipept. kostur se
obavija oko zamišljene osi uzdužno kroz unutrašnjost
heliksa, a R grupe ostaju izvan spiralnog kostura.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
33/50
Ponavljajuća jedinica je jednostavni uvoj heliksa dužine
oko 5,4 Å (po dužini osi), što je malo iznad uočene dužine
kod α-keratina kose pri analizi difrakcijom x-zraka
(Astbury).
Aminokiselinski ostaci u prototipu α-heliksa imaju
konformacije sa φ=-57° i ψ=-47°, a svaki uvijeni segment
uključuje 3,6 aminokiselinskih ostataka. α-helikoidalni
segmenti u proteinima često blago odstupaju od ovih
diedralnih uglova čak i unutar susjednih segmenata,
stvarajući tako fine (suptilne) zavoje ili kvržice u strukturi.
U svim proteinima helikoidalni uvoj α-heliksa je desnoruki.α-heliks je dominantna struktura u α-keratinima. Oko jedna
četvrtina svih aminokiselinskih ostataka u proteinima nalaze
se u α-heliksima (tačan udio varira od proteina do proteina).
„lijevoruki“ (a) i „desnoruki“(b) α -heliksi;
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
34/50
Postavlja se pitanje zašto se α -heliks formira brže
od mnogih drugih mogućih konformacija?
Djelimičan odgovor je u činjenici da se α-heliksom
na optimalan način koriste unutrašnje H-veze.
Struktura se stabilizira H-vezama između H-atoma vezanogna atom azota peptidne veze i karbonilnog kisika iz
peptidne veze četvrtog aminokiselinskog ostatka idući od
N-terminalnog kraja:
Svaka peptidna veza unutar α-
heliksa (osim onih blizu svakog
njegovog kraja) sudjeluje u H-
vezama. Svaki naredni uvoj α-
heliksa drži se sa susjednim
uvojima sa 3-4 H-veze,
doprinoseći značajno stabilnosti
ukupne strukture.
štapičasti model sakuglicama pokazujeunutarlančane H-veze. Dio koji seponavlja sadržiprosječno 3,6
aminokiselinskihostataka.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
35/50
Aminokiselinska sekvenca utiče na stabilnost α αα α -heliksa
Svi polipeptidi ne mogu graditi stabilni αααα-heliks. Svaki
aminokiselinski ostatak u polipeptidu ima vlastitu
sklonost da gradi αααα-heliks (tabela), reflektirajući svojstvo R
grupe i kako one utiču na kapacitet susjednih atoma u
glavnom lancu da zauzmu karakteristične uglove (φ i ψ) u
odnosu na ravan lanca. Alanin pokazuje najveću
tendenciju da gradi αααα-helikse.
Izvori: Podaci (osim za prolin) iz Bryson et al., 1995; podaci za prolin preuzeti iz Myers et al., 1997.∆∆Gº je razlika u promjeni slobodne energije u odnosu na alanin, potrebna da aminokiselinski ostatak
zauzme konformaciju α-heliksa. Veći brojevi znače veću teškoću zauzimanja te strukture.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
36/50
Pozicija aminokiselinskog ostatka u odnosu na susjedne
ostatke također je važna. Interakcije između
aminokiselinskih bočnih lanaca mogu stabilizirati ili
destabilizirati α-helikoidalnu strukturu. Npr. ako polipeptidni
lanac ima duži blok ostataka Glu, takav segment lanca
neće graditi α-heliks pri fiziološkom pH (negativno nabijene
karboksilne grupe susjednih ostataka Glu odbijaju se tako
jako da to spriječava formiranje α-heliksa).
Sličan slučaj je ako postoji više susjednih ostataka Lys i/ili
Arg, čije se pozitivno nabijene R grupe pri fiziološkom pH
snažno odbijaju i spriječavaju formiranje α-heliksa.
Voluminoznost i oblik ostataka Asn, Ser, Thr i Cys također
može destabilizirati α-heliks ako su skupa u lancu.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
37/50
Zakrivljenje (uvoj) α-heliksa osigurava pojavu kritičnih
interakcija između bočnog lanca aminokiseline i bočnoglanca udaljenog tri (ponekad i četiri) aminokiselinska
ostatka. Ovo je jasnije kada se α-heliks prikaže kao
helikoidalni točak:Prikaz α αα α -heliksa kaohelikoidalnog točka.
Žuti aminokiselinski ostaci mogu bitihidrofobni i mogu se uklopiti u
međuprostor između datog heliksa idrugog dijela istog ili drugog
polipeptida. Crveni i plavi ostaciprikazuju mogućnost interakcijenegativno i pozitivno nabijenih
bočnih lanaca razdvojenih sa dvaaminokiselinska ostatka u heliksu.
Pozitivno nabijene aminokiseline često se nalaze za tri
ostatka udaljene od negativno nabijenih aminokiselina,
omogućavajući nastanak jonskog para.
Dva ostatka aromatskih aminokiselina često su na sličan
način razmaknuta (za tri ostatka), rezultirajući hidrofobnim
interakcijama.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
38/50
Ograničenje za formiranje αααα-heliksa je prisustvo
ostataka Pro ili Gly, koje imaju najnižu sklonost
građenja αααα-heliksa. Atom azota u prolinu je dio rigidnog
prstena i rotacija oko N-Cα veze nije moguća. Dakle,
prolinski ostaci čine destabilizirajuću kvržicu u α-heliksu.
Cis- i trans-izomeri peptidne veze uključujuimino azot prolina. Peptidne veze između
drugih aminokiselinskih ostataka (osim Pro)su više od 99,95% u trans-konfiguraciji.
Međutim, peptidne veze koje uključuju iminoazot prolina su oko 6% u cis-konfiguraciji, amnoge od njih su zastupljene u β-uvojima.
Dodatno, atom azota u peptidnoj vezi formiranoj sa
prolinskim ostacima nema atom vodika da sudjeluje u H-
vezama sa drugim aminokiselinskim ostacima. Iz
navedenih razloga prolin se rijetko nalazi u α-heliksu.
Glicin se rijetko pojavljuje u α-heliksima iz drugog razloga:
Ima više konformacijske fleksibilnosti od drugih
aminokiselinskih ostataka. Polimeri glicina teže da
zauzmu namotane strukture sasvim različite od α-heliksa.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
39/50
Konačni faktor koji utiče na stabilnost α-heliksa je
identitet aminokiselinskih ostataka blizu krajeva α-
helikoidalnog segmenta polipeptida. Mali električni dipol
postoji u svakoj peptidnoj vezi:
Ovi dipoli se usklađuju sa H-vezama α-heliksa, što
rezultira mrežom dipola duž osi heliksa, koja raste sa
dužinom heliksa:
Dipol α αα α -heliksa.
Električni dipol peptidne veze prenosi seduž α-helikoidalnog segmenta prekounutarlančanih H-veza, rezultirajućiukupnim dipolom heliksa. Amino i
karbonilni konstituenti svake peptidne
veze označeni su sa + i – (respektivno).Amino i karbonilni konstituenti peptidnihveza blizu svakog kraja α-helikoidalnog
područja koji nisu vezani H-vezamaoznačeni su crvenom bojom.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
40/50
Četiri aminokiselinska ostatka na svakom kraju heliksa ne
sudjeluju potpuno u H-vezama heliksa. Parcijalno pozitivni i
negativni naboji dipola heliksa prisutni su na peptidnim
amino i karbonilnim grupama blizu N- i C-terminalnih
krajeva. Iz tog razloga, negativno nabijene aminokiseline
često se nalaze blizu N-terminala helikoidalnog segmenta,
gdje imaju stabilizirajuću interakciju sa pozitivnim nabojem
dipola heliksa; pozitivno nabijena aminokiselina na N-
terminalu je destabilizirajuća. Suprotno važi za C-terminalnikraj helikoidalnog segmenta.
Dakle, postoji pet ograničavajućih efekata na stabilnost α-
heliksa:
• sklonost aminokiselinskog (a.k.) ostatka da gradi α-heliks;
• interakcije između R grupa, naročito onih razmaknutih tri iličetiri a.k. ostatka;
• voluminoznost susjednih R grupa;
• zastupljenost prolinskih i glicinskih ostataka;
• interakcije između a.k. ostataka na krajevima helikoidalnogsegmenta sa električnim dipolom na α-heliksu.
Prema tome, tendencija datog segmenta polipeptidnoglanca da gradi α-heliks zavisi od vrste i sekvence a.k.ostataka unutar segmenta.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
41/50
Druga važna struktura koju su pomenuti naučnici predvidjeli
upotrebom difrakcije X zraka je β-plošna struktura ili
jednostavnije β-struktura (ili β-konformacija). Ova
struktura posljedica je intermolekularnih (između
polipeptidnih lanaca) i intramolekularnih (unutar
polipeptidnog lanca, odnosno proteinske molekule) H-veza.
U ovom razmještaju, nazvanom ββββ-list, H-veze se formiraju
između susjednih segmenata polipeptidnog lanca.
Pojedinačni segmenti koji grade β-list obično su susjedni u
polipep. lancu, ali također mogu biti i međusobno udaljeni
u linearnoj sekvenci polipeptida, kao i u različitim lancima.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
42/50
Primjeri β ββ β -struktura
ββββ-konformacija organizira polipeptidni lanac u plohe ililistove
Suprotno α-heliksu, H-veze β-strukture orijentirane su
strogo okomito na uzdužnu os polipeptidnog lanca.
U β-konformaciji kostur polipeptidnog lanca je izdužen u
cik-cak strukturu formirajući niz nabora:
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
43/50
β ββ β -konformacije polipeptidnih lanaca.
Pogledi s vrha (odozgo) i sa strane (bočno)otkrivaju R ostatke izvan β-lista i naglašavaju
naborani oblik oivičen ravnima peptidnihveza (drugi naziv za ovu strukturu je β-
naborani list). Isprepletene H-veze izmeđususjednih lanaca također su prikazane.Orijentacije amino- i karboksi-terminalasusjednih lanaca (prikazano strelicama)mogu biti iste (kod paralelnih β-listova) ili
suprotne (kod antiparalelnih listova).
Neke proteinske strukture ograničavaju vrste aminokiselina
koje se mogu pojaviti u β-listovima. Kada se dvije ili više β-
listova slažu unutar proteina, R grupe a.k. ostataka na
dodirnim površinama moraju biti relativno male. ββββ-keratini
kao npr. fibroin svile i fibroin paukove mreže imaju vrlo
visok sadržaj glicinskih i alaninskih ostataka, a to su
aminokiseline sa najmanjim R grupama.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
44/50
ββββ-uvoji
β-uvoji ili petlje su česti u globularnim proteinima. Ovestrukture povezuju α-heliks ili β-konformacije. Naročito sučesti β-uvoji koji povezuju krajeve dva susjedna segmentaantiparalelnih β-ploča. Struktura zakrenuta za 180°uključuje četiri a.k. ostatka, sa H-vezom između karbonilnogkisika prvog i amino grupe četvrtog ostatka:
Od nekoliko tipova β-uvojaprikazani su najčešći.
Beta uvoji su česti blizu površine proteina, gdje peptidne
grupe drugog i trećeg a.k. ostatka uvoja grade H-veze sa
vodom. Značajno rjeđi je γ-uvoj (sa tri a.k. ostatka i H-
vezom između prvog i trećeg).
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
45/50
Ostaci glicina i prolina su česti u β-uvojima (glicin jer jemala i fleksibilna molekula, a prolin jer peptidne veze
uključuju imino azot prolina koji brzo poprima cis
konfiguraciju, oblik odgovoran za čvrsti uvoj).
Tercijarne i kvaterne strukture proteina
Ukupni trodimenzionalni razmještaj svih atoma u proteinu
navodi se kao tercijarna struktura proteina. Dok termin
“sekundarna struktura” označava prostorni razmještaj a.k.
ostataka susjednih u segmentu polipeptida, tercijarna
struktura uključuje šire aspekte aminokiselinske sekvence.
Aminokiseline koje su znatno udaljene u polipeptidnom
nizu i koje su u različitim tipovima sekundarne strukture,
mogu biti u međusobnoj interakciji unutar potpuno
umrežene proteinske strukture.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
46/50
Svi dijelovi polipeptidnih lanaca održavaju se u njihovim
karakterističnim tercijarnim pozicijama pomoću nekoliko
vrsta slabih (nekovalentnih) interakcija (ponekad i jakim
kovalentnim npr. disulfidnim vezama).
Neki proteini sadrže dva ili više odvojenih polipeptidnih lanaca
(subjedinica), koji mogu biti identični ili različiti. Razmještaj
ovih proteinskih subjedinica u trodimenzionalnim
kompleksima čini kvaternu strukturu.
Pri razmatranju ovih viših nivoa strukture, korisno je
klasificirati proteine u dvije glavne grupe: vlaknaste (sadugim polipept. lancima ili listovima) i globularne (sapolipept. lancima umreženim u sferni ili globularni oblik).
Ove dvije grupe su strukturno različite:
Vlaknasti proteini obično sadrže znatan udio sekundarnestrukture određenog tipa i njihova tercijarna struktura jerelativno jednostavna.
Globularni proteini često sadrže nekoliko tipova sekundarnestrukture. Globularni se odlikuju kompaktnošću, jer u ovim
molekulama polipeptidni lanci se slažu tako da ostaje vrlomalo slobodnog prostora.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
47/50
Ove dvije grupe proteina razlikuju se i funkcionalno:
strukture koje osiguravaju potporu, oblik i zaštitu za
kičmenjake obično su od vlaknastih proteina, dok su
većina enzima i regulatornih proteina globularni proteini.
Mioglobin i hemoglobin su više od 75% u vidu strukture α-
heliksa, dok npr. lizozim ima oko 40% ove strukture,
papain samo 20%, a kimotripsin praktično je nema. Jasno
je da, osim Pauling i Corey kriterija, postoje i drugi faktori
koji utiču na konformaciju proteina.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
48/50
Vlaknasti proteini su prisutni u vuni, svili i kosi. Takvi
proteini u kosi i vuni zovu se keratini. Struktura α-heliksa u
keratinima daje fleksibilnost i elastična svojstva vuni. Pošto
ne dolazi do interakcija između polipeptidnih lanaca, vlakna
vune nisu naročito jaka.
Svila posjeduje β-strukturu. Pošto su polipeptidni lanci već u
izduženoj formi, svila gubi elastičnost i rastegljivost, ali zbog
intermolekularnih H-veza dosta je jaka.
Kolagen je drugi primjer vlaknastih proteina koji čini ≈ jednu
trećinu svih proteina ljudskog tijela. To je najvažnija
komponenta vezivnih tkiva kao npr. hrskavice, ligamenata i
tetiva. Osnovna strukturna jedinica kolagena je
tropokolagen, izduženi trostruki heliks koji se sastoji od tri
polipeptidna lanca isprepletena u superheliks sa prečnikom
≈15 Å i dužinom 3 000 Å. Najvažnija svojstva kolagena sunjegova tvrdoća i otpornost na deformaciju, koja su vitalna
za prenos mehaničke sile proizvedene mišićima.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
49/50
đ
Dva glavna otkrića u 1953. godini bila su od krucijalnog
značaja u historiji biokemije. Te godine James D. Watson i
Francis Crick razriješili su dvostruko-helikoidalnu strukturu
DNA i predložili strukturne osnove za njenu preciznu
replikaciju. Iste godine, Frederick Sanger odredio je
sekvencu aminokiselinskih ostataka u polipeptidnim lancima
hormona inzulina:
Slika 10. Aminokiselinska
sekvenca goveđeg inzulina.
Dva polipeptidna lanca povezana
su disulfidnim popreč nim
vezama. Lanac A identič an je u
inzulinu ljudi, svinja, pasa,
kunić a i spermokitova. Lanci B
identič ni su u goveda, svinja,
pasa, koza i konja.
8/19/2019 Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215
50/50
Ubrzo je postalo jasno da nukleotidna sekvenca u DNA i
aminokiselinska sekvenca u proteinima imaju određenu
povezanost.Moderna proteinska hemija još uvijek često koristi
tradicionalne metode sekvencioniranja polipeptida, iako
postoje novije metode sekvencioniranja koje osiguravaju
brojne prednosti za dobivanje podataka o aminokiselinskoj
sekvenci.
Kratki polipeptidi se sekvencioniraju automatiziranim
postupcima
Za određivanje primarne strukture proteina koriste se različiti
postupci. Najpoznatiji su oni koji se zasnivaju na
označavanju i identifikaciji N- i C-terminalnih krajeva.
A đ đ
: ( ć: 2030 , ); , đ č đ :
ć
č č
K , DA čč đ . ć č.
Recommended