Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215

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.


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.


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.


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:


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:


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:


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 .


8/50

, 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).


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).


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.


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.


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


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.


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.


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).


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


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.


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).


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:


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.


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).


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.


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


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).

, ,


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.


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.


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.


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.


29/50

2. č

đ Cα :

K , . CCCC,

đ č .

, .

.

č, đ 30°

⋅⋅⋅⋅ . , č

:

C

α,

ć

.

N H O C


30/50

, , C

α

( φ) Cα

C ( ψ):

,

. α

φ 57°, ψ 47°. ć φ ψ

. .,

0°, č đ

.


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.


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.


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;


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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:


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.


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).


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.


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.


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.


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.


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.


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.

Documents

Aminokiseline, Peptidi i Proteini 221215