Valgu esmane struktuur. Valkude esmane struktuur

Valgu struktuuri saab esitada ühe neljast võimalusest. Igal variandil on enda omadused. Seega on olemas kvaternaar, kolmeosaline, sekundaarne ja primaarne

Selle loendi viimane tase on aminohapete lineaarne polüpeptiidahel. Aminohapped on omavahel ühendatud peptiidsidemetega. Esmane on molekuli lihtsaim organiseerituse tase. Läbi kovalentsete peptiidsidemete ühe aminohappe alfa-aminorühma ja teise aminohappe alfa-karboksüülrühma vahel on tagatud molekuli kõrge stabiilsus.

Kui rakkudes moodustuvad peptiidsidemed, aktiveeritakse esmalt karboksüülrühm. Siis tekib seos aminorühmaga. Ligikaudu sama viiakse läbi polüpeptiidi laboratoorse sünteesiga.

Peptiidside, mis on korduv fragment polü peptiidahelat, sellel on mitmeid funktsioone. Nende tunnuste mõjul ei moodustu mitte ainult valgu esmane struktuur. Need mõjutavad ka polüpeptiidahela kõrgemaid organisatsioonilisi tasemeid. Peamiste hulgas silmapaistvad omadused kiirgavad koplanaarsust (kõigi peptiidrühma kuuluvate aatomite võime olla samal tasapinnal), asendajate transpositsioon C-N sideme suhtes, omadus eksisteerida kahes resonantsvormis. Peptiidsideme tunnuste hulka kuulub ka võime moodustada vesiniksidemeid. Sel juhul võib iga peptiidirühm moodustada kaks vesiniksidemed teiste rühmadega (sh peptiidid). Siiski on erandeid. Nende hulka kuuluvad hüdroksüproliini või proliini aminorühmadega peptiidrühmad. Nad võivad moodustada ainult ühe.See mõjutab valgu sekundaarse struktuuri teket. Niisiis, piirkonnas, kus hüdroksüproliin või proliin asub, paindub peptiidahel kergesti, kuna puudub teine ​​vesinikside, mis seda hoiaks (nagu tavaliselt).

Peptiidide nimi on moodustatud neis sisalduvate aminohapete nimedest. Dipeptiid annab kaks aminohapet, tripeptiid annab kolm, tetrapeptiid annab neli jne. Igas mis tahes pikkusega polüpeptiidahelas (või peptiidis) on N-otsa aminohape, mis sisaldab vaba aminorühma, ja C-otsa aminohape, mis sisaldab vaba karboksüülrühma.

Valkude omadused.

Neid ühendeid uurides huvitasid teadlasi mitmed küsimused. Teadlased püüdsid kõigepealt välja selgitada valgu molekulide suurust, kuju ja massi. Tuleb märkida, et need olid piisavad väljakutseid pakkuvad ülesanded. Raskus seisnes selles, et määramine valgulahuste suurendamise teel (nagu seda tehakse teiste ainetega) on võimatu, kuna valgulahuseid ei saa keeta. Ja indikaatori määramine vastavalt külmumistemperatuuri langusele annab ebatäpseid tulemusi. Lisaks valgud sisse puhtal kujul kunagi ei kohtu. Kuid väljatöötatud meetodeid kasutades leiti, et see jääb vahemikku 14-45 tuhat ja rohkem.

Üks neist olulised omadusedühendite fraktsionaalne väljasoolamine. See protsess on valkude eraldamine lahustest pärast erineva kontsentratsiooniga soolalahuste lisamist.

Teine oluline omadus on denaturatsioon. See protsess toimub valkude sadestamisel raskmetallide poolt. Denatureerimine on kaotus looduslikud omadused. See protsess hõlmab lisaks polüpeptiidahela katkestamisele molekuli erinevaid transformatsioone. Teisisõnu, valgu esmane struktuur jääb denatureerimise ajal muutumatuks.

Valgud (valgud) on peptiidse olemusega kõrgmolekulaarsed polümeersed ühendid (polüheteroaminohapped).

Esmane struktuur valgud on polüpeptiidahela (PPC) vahelduvate aminohappejääkide järjestus.

Valkude esmane struktuur on kovalentne struktuur, kuna see põhineb peptiid side aminohapete a-amino- ja a-karboksüülrühmade vahel. Selle tulemusena on polüpeptiidahelad hargnemata.

Polüpeptiidahela skelett (selgroog, skelett) koosneb korrapäraselt korduvatest konstruktsioonielemendid

Polüpeptiidahelal on vektor, ahela suund on N-otsast (ahela algusest) C-otsa (ahela lõppu), N-ots on ots, millel vaba a -aminorühm asub. C-ots on ots, kus asub vaba a-karboksüülrühm. Valkude aminohappejärjestus on tähistatud alates N-otsast, kasutades kolmetähelisi aminohapete lühendeid, näiteks: gli-ala-cis-pro. Kasutada võib ka valgu aminohappejääkide ühetähelist tähistust.

Valkude N- ja C-otsa saab modifitseerida. N-otsas olev aminorühm võib olla atsetüülitud, formüülitud või metüülitud. Paljudes valkudes on N-ots pürrolidoonkarbonaadi (püroglutamaadi) jääk, mis ei sisalda vaba aminorühma. C-ots võib olla amideeritud. C-terminali modifikatsioonid on haruldasemad kui N-terminaalsed modifikatsioonid.

Valgu polükondensatsioonikoefitsient varieerub vahemikus 50 kuni 2500. Tavaliselt sisaldab valk 100-300 aminohappejääki. Kuna ühe aminohappejäägi keskmine molekulmass on umbes 110 Da, varieerub valkude molekulmass 6000 kuni miljonite Da.

Igal üksikul valgul on ainulaadne esmane struktuur. Esimene valk, mille esmane struktuur loodi, oli insuliin. Sanger tegi seda. Tema strateegia oli järgmine. Esiteks eraldas ta kaks polüpeptiidahelat ja seejärel teostas nende spetsiifilise ensümaatilise lõhustamise väikesteks peptiidideks, mis sisaldasid kattuvaid järjestusi. Seejärel tuvastati 1-fluoro-2,4-dinitrobenseeni abil N-terminaalsed jäägid. Lisaks määras ta peptiidide aminohappelise koostise ja suutis lõpuks kattuvate peptiidide järjestuste võrdlemise teel kindlaks teha nende struktuuri. Üldiselt on Sangeri strateegia oma tähtsust säilitanud tänaseni. Siiski on pakutud ka teisi lähenemisviise. Edman töötas välja meetodi automaatseks protseduuriks N-terminaalsete aminohappejääkide järjestikuseks lõhustamiseks ja identifitseerimiseks. Primaarstruktuuri dešifreerimiseks võib kasutada röntgendifraktsioonianalüüsi. Aminohappejääkide järjestuse saab määrata messenger-RNA nukleotiidjärjestuse järgi.

Praegu on kindlaks tehtud enam kui 2000 valgu esmane struktuur. Teoreetiliselt number erinevaid valikuid Valkude esmane struktuur on piiramatu. Isegi 20 erinevast aminohappest koosneva polüpeptiidi puhul on võimalike järjestuste arv 20×1018. Eluslooduses realiseerub vaid väike osa võimalikest järjestustest, mille koguarvuks igat tüüpi elusorganismides hinnatakse 10 10 -10 12. .

Valkude esmane struktuur on geneetiliselt määratud, s.o. valgu aminohapete järjestuse määrab nukleotiidide järjestus DNA. DNA nukleotiidjärjestuse moonutused põhjustavad ebanormaalsete valkude ilmumist muutunud bioloogilised omadused, mis on molekulaarse patoloogia põhjus. Eelkõige on sirprakulise aneemia põhjuseks hemoglobiini b-ahelat kontrolliva geeni punktmutatsioon. Selle tagajärjeks on b-ahela 6. positsiooni glutamaadijäägi asendamine valiiniga. Selline asendus toob kaasa ühe negatiivse laengu kadumise mõlemas kahes b-ahelas, mis viib hemoglobiini konformatsiooni muutumiseni ja selle bioloogilise funktsiooni kadumiseni.

Homoloogsed valgud on valgud, mis toimivad erinevad tüübid samad funktsioonid. Näiteks hemoglobiin: kõigil selgroogsetel täidab see sama funktsiooni, mis on seotud hapniku transpordiga. Homoloogseid valke iseloomustab samade aminohapete olemasolu paljudes positsioonides. Nagu selgus, on aminohappejääkide arv, mille võrra homoloogsed valgud erinevad, võrdeline nende liikide fülogeneetilise erinevusega. Näiteks hobuse ja pärmi tsütokroom C molekulid erinevad 48 aminohappejäägi poolest, samas kui sama kana ja pardi molekulid erinevad vaid 2 jäägi poolest. Mis puutub kana ja kalkuni tsütokroom Cs-sse, siis neil on identsed aminohappejärjestused. Teavet erinevate liikide homoloogsete valkude aminohappejärjestuste erinevuste arvu kohta kasutatakse evolutsioonikaartide koostamiseks, mis kajastavad üksteisele järgnevaid tärkamise ja arengu etappe. mitmesugused loomad ja taimed evolutsiooniprotsessis.

Esimene samm valkude primaarstruktuuri määramisel on kvalitatiivne ja kvantitatiivne hindamine aminohapete koostis see individuaalne valk.

Valkude happeline hüdrolüüs

Aminohappe koostise määramiseks on vaja hävitada kõik valgu peptiidsidemed. Analüüsitud valku hüdrolüüsitakse 6 mol/l HCl-s temperatuuril umbes 110 °C 24 tundi. peptiidsidemed valkudes ja hüdrolüsaadis on ainult vabu aminohappeid

Aminohapete eraldamine ioonvahetuskromatograafia abil Valkude happelisel hüdrolüüsil saadud aminohapete segu eraldatakse kolonnis katioonvahetusvaiguga.

Saadud fraktsioonide kvantitatiivne analüüs. aminohapete eraldi fraktsioonid kuumutatakse ninhüdriiniga, millest moodustub punakasvioletne ühend. Värvi intensiivsus proovis on võrdeline selles sisalduva aminohappe kogusega.

2. Aminohappejärjestuse määramine valgus

Valgus oleva N-terminaalse aminohappe ja oligopeptiidide aminohappejärjestuse määramine

Valkude esmase struktuuri uurimine on suure üldbioloogilise ja meditsiinilise tähtsusega. Uurides aminohappejääkide vaheldumise järjekorda üksikutes, on võimalik tuvastada ühiseid fundamentaalseid mustreid valkude ruumilise struktuuri kujunemisel Paljud geneetilised haigused on tingitud valkude aminohappejärjestuse rikkumisest. Teave normaalsete ja mutantsete valkude esmase struktuuri kohta võib olla kasulik haiguse diagnoosimisel ja prognoosimisel.

Valkude esmase struktuuri loomine hõlmab kahte peamist sammu:

uuritava valgu aminohappelise koostise määramine;

aminohappejärjestus valguses.

Näiteks sirprakulise aneemia korral asendatakse hemoglobiini β-ahela kuues asend glutamiinhape peal valiin. See viib hemoglobiini S sünteesini ( HbS) - selline hemoglobiin, mis desoksüvormis polümeriseerub ja moodustab kristalle. Selle tulemusena erütrotsüüdid deformeeruvad, omandavad sirbi kuju, kaotavad oma elastsuse ja hävivad kapillaaride läbimisel. See viib lõpuks kudede hapnikusisalduse vähenemiseni ja nende nekroosini.

Aminohapete järjestus ja suhe primaarstruktuuris määrab moodustumise teisejärguline, kolmanda taseme ja Kvaternaar struktuurid.

8 . Valgu sekundaarne struktuur- ruumiline struktuur, mis moodustub peptiidi karkassi moodustavate funktsionaalrühmade vastastikmõju tulemusena Kahte tüüpi korrapärased struktuurid: a-heeliks ja b-struktuur.

Moodustub sekundaarne struktuur ainult vesiniksidemetega peptiidrühmade vahel: ühe rühma hapnikuaatom reageerib teise vesinikuaatomiga, samal ajal seostub teise peptiidirühma hapnik kolmanda vesinikuga jne.

α-heeliks

karbonüülrühmade hapnikuaatomite ja aminorühmade lämmastikuaatomite vahel vesiniksidemete moodustumise tõttu väändub peptiidkarkass spiraali kujul. Vesiniksidemed on orienteeritud piki spiraali telge. Ühes a-heeliksi pöördes on 3,6 aminohappejääki.

Peaaegu kõik peptiidrühmade hapniku- ja vesinikuaatomid osalevad vesiniksidemete moodustamises. Selle tulemusena on a-heeliks "kokkutõmbunud" paljude vesiniksidemetega. sidemeid peetakse nõrkadeks, nende arv tagab a-heeliksi maksimaalse võimaliku stabiilsuse. α-heeliksite hüdrofiilsus väheneb, samas kui nende hüdrofoobsus suureneb.

Spiraalne struktuur on peptiidi karkassi kõige stabiilsem konformatsioon, mis vastab minimaalsele vabaenergiale. P-heeliksite moodustumise tulemusena polüpeptiidahel lüheneb.

Aminohapperadikaalid asuvad a-heeliksi välisküljel ja on suunatud peptiidi karkassist eemale; mõned neist võivad häirida a-heeliksi moodustumist. Need sisaldavad:

proliin. Selle lämmastikuaatom on osa jäigast tsüklist, mis välistab pöörlemise võimaluse ümber -N-CH- sideme. Lisaks ei ole proliidi lämmastikuaatomil, mis moodustab peptiidsideme teise aminohappega, vesinikuaatomit. Selle tulemusena ei suuda proliin moodustada peptiidi karkassi antud kohas vesiniksidet ja α-spiraalne struktuur on häiritud. Tavaliselt toimub peptiidahela selles punktis silmus või painutus;

alad, kus järjestikku paiknevad mitmed identselt laetud radikaalid, mille vahele tekivad elektrostaatilised tõukejõud;

piirkonnad, kus on tihedalt asetsevad mahukad radikaalid, mis mehaaniliselt häirivad a-heeliksi moodustumist, näiteks metioniin, trüptofaan

β-volditud kiht Struktuur tekib paljude vesiniksidemete moodustumisel ühe polüpeptiidahela lineaarsete piirkondade peptiidrühmade aatomite vahel, mis teeb painutusi, või erinevate polüpeptiidahelate, ahelate vahel, neid nimetatakse ahelatevahelisteks sidemeteks. Vesiniksidemeid, mis tekivad sama polüpeptiidahela lineaarsete piirkondade vahel, nimetatakse ahelasiseseks. P-struktuurides paiknevad vesiniksidemed polüpeptiidahelaga risti.

Kui seotud polüpeptiidahelad on suunatud vastassuunas, tekib antiparalleelne a-struktuur, kui polüpeptiidahelate N- ja C-otsad langevad kokku, moodustub paralleelne a-volditud struktuur.

9. Tertsiaarne struktuur- see on polüpeptiidahela paigutamine gloobulisse ("spiraali"). Selget piiri sekundaarse ja tertsiaarse struktuuri vahele ei saa tõmmata, tertsiaarne struktuur põhineb steerilistel suhetel ahelas üksteisest kaugel olevate aminohapete vahel. Tertsiaarse struktuuri tõttu tekib veelgi kompaktsem ahela moodustumine. Valgu tertsiaarse struktuuri stabiliseerimisel osalevad:

kovalentsed sidemed (kahe tsüsteiinijäägi vahel - disulfiidsillad);

ioonsidemed aminohappejääkide vastaslaenguga külgrühmade vahel;

vesiniksidemed;

hüdrofiilsed-hüdrofoobsed interaktsioonid. Suheldes ümbritsevate veemolekulidega, "kipub" valgumolekul kokku kõverduma, nii et aminohapete mittepolaarsed külgrühmad eraldatakse vesilahusest; molekuli pinnale ilmuvad polaarsed hüdrofiilsed kõrvalrühmad.

Suhtlemine esmase struktuuriga. Tertsiaarne struktuur on suures osas määratud primaarstruktuuriga. Püüdlusi ennustada primaarstruktuuril põhinevat valgu tertsiaarset struktuuri nimetatakse valgu struktuuri ennustamise probleemiks. Kuid keskkond, milles valk voltib, määrab oluliselt lõpliku kuju, kuid praeguste ennustusmeetoditega seda tavaliselt otseselt arvesse ei võeta. Enamik neist meetoditest tugineb võrdlustele juba teadaolevate struktuuridega ja hõlmab seega kaudselt keskkonda Valkude supersekundaarne struktuur. Erinevate struktuuride ja funktsioonidega valkude konformatsioonide võrdlus näitas, et neil on sarnased elementide kombinatsioonid sekundaarne struktuur. Sellist spetsiifilist sekundaarstruktuuride moodustumise järjekorda nimetatakse valkude supersekundaarseks struktuuriks, mis tekib interradikaalsete interaktsioonide tõttu. Teatud iseloomulikke a-heeliksite ja b-struktuuride kombinatsioone nimetatakse sageli "struktuurimotiivideks".