Parashikimi (modelimi) i strukturës së proteinave. Struktura e një molekule proteine

Për të përshkruar strukturën e një molekule proteine, u prezantuan konceptet e strukturave primare, sekondare, terciare dhe kuaternare të një molekule proteine. Vitet e fundit, janë shfaqur koncepte të tilla si struktura supersekondare, e cila karakterizon agregatet e preferuara energjikisht të strukturës sekondare, dhe domenet - pjesë të një globule proteine, të cilat janë rajone globulare mjaft të izoluara.

Numri dhe sekuenca e aminoacideve dhe vendndodhja e lidhjeve disulfide në zinxhirin polipeptid përcaktojnë strukturën primare të proteinës. Ekziston një lidhje shumë e ngushtë midis strukturës parësore të një proteine ​​dhe funksionit të saj në një organizëm të caktuar. Në mënyrë që një proteinë të kryejë funksionin e saj të qenësishëm, kërkohet një sekuencë shumë specifike e aminoacideve në zinxhirin polipeptid të kësaj proteine. Edhe ndryshimet e vogla në strukturën parësore mund të ndryshojnë ndjeshëm vetitë e një proteine ​​dhe, në përputhje me rrethanat, funksionet e saj. Për shembull, qelizat e kuqe të gjakut të njerëzve të shëndetshëm përmbajnë një proteinë të quajtur hemoglobinë me një sekuencë të caktuar të aminoacideve. Një pjesë e vogël e njerëzve kanë një anomali kongjenitale në strukturën e hemoglobinës: qelizat e kuqe të gjakut përmbajnë hemoglobinë, e cila në një pozicion përmban aminoacidin valinë (hidrofobik, jopolar) në vend të acidit glutamik (të ngarkuar, polar). Një hemoglobinë e tillë ndryshon dukshëm në fiziko-kimike dhe vetitë biologjike nga normalja. Shfaqja e një aminoacidi hidrofobik çon në shfaqjen e një kontakti hidrofobik "ngjitës" (qelizat e kuqe të gjakut nuk lëvizin mirë në enët e gjakut), në një ndryshim në formën e qelizave të kuqe të gjakut (nga bikonkave në formë gjysmëhëne) , si dhe në një përkeqësim të transferimit të oksigjenit, etj. Fëmijët e lindur me këtë anomali vdesin në fëmijërinë e hershme nga anemia drapërocitare.

Dëshmi gjithëpërfshirëse në favor të pohimit se aktiviteti biologjik përcaktohet nga sekuenca e aminoacideve është marrë pas sintezës artificiale të enzimës ribonukleazë (Merrifield). Një polipeptid i sintetizuar me të njëjtën sekuencë aminoacide si enzima natyrore kishte të njëjtin aktivitet enzimatik.

Hulumtimet në dekadat e fundit kanë treguar se struktura primare është e fiksuar gjenetikisht dhe nga ana tjetër përcakton strukturat dytësore, terciare dhe kuaternare të molekulës së proteinës dhe konformimin e saj të përgjithshëm. Proteina e parë, struktura primare e së cilës u krijua ishte hormoni proteinik insulinë (përmban 51 aminoacide). Kjo u bë në vitin 1953 nga Frederick Sanger. Deri më sot, struktura primare e më shumë se dhjetë mijë proteinave është deshifruar, por ky është një numër shumë i vogël, duke marrë parasysh se në natyrë ka rreth 10 12 proteina.

Duke ditur strukturën parësore të një proteine, mund ta shkruani me saktësi formula strukturore, nëse proteina përfaqësohet nga një zinxhir polipeptid. Nëse proteina përmban disa zinxhirë polipeptidikë, ato fillimisht ndahen duke përdorur reagentë të veçantë. Për të përcaktuar strukturën parësore të një zinxhiri polipeptid individual, përbërja e tij aminoacide përcaktohet me metoda hidrolize duke përdorur analizues të aminoacideve. Më pas, duke përdorur metoda të veçanta dhe reagentët përcaktojnë natyrën e aminoacideve përfundimtare. Për të vendosur rendin e alternimit të aminoacideve, zinxhiri polipeptid i nënshtrohet hidrolizës enzimatike, e cila prodhon fragmente të këtij zinxhiri polipeptid - peptide të shkurtra. Këto peptide ndahen me kromatografi dhe përcaktohet sekuenca e aminoacideve të secilit. Kështu, arrihet një fazë kur dihet sekuenca e aminoacideve në peptide individuale (fragmente proteinike), por sekuenca e vetë peptideve mbetet e paqartë. Kjo e fundit krijohet duke përdorur të ashtuquajturat peptide të mbivendosura. Për ta bërë këtë, përdoret një enzimë tjetër që këput zinxhirin origjinal të polipeptidit në seksione të tjera dhe përcaktohet sekuenca e aminoacideve të peptideve të marra rishtazi. Peptidet e formuara nën veprimin e dy enzimave përmbajnë fragmente identike të sekuencave të aminoacideve.

L. Pauling dhe R. Corey dhanë një kontribut të madh në studimin e strukturës së molekulës së proteinës. Duke vënë re se molekula e proteinës përmban më shumë lidhje peptide, ata ishin të parët që kryen studime të mundimshme me rreze X të kësaj lidhjeje. Ne studiuam gjatësitë e lidhjeve, këndet në të cilat ndodhen atomet dhe drejtimin e atomeve në lidhje me lidhjen. Bazuar në hulumtimin, u krijuan karakteristikat kryesore të mëposhtme të lidhjes peptide.

1. Katër atomet e lidhjes peptide dhe dy atomet e karbonit α të bashkangjitur shtrihen në të njëjtin rrafsh. Grupet e atomeve R dhe H-karbonit shtrihen jashtë këtij rrafshi.

2. Atomet O dhe H të lidhjes peptide dhe dy atomet e karbonit α dhe grupet R kanë një orientim trans në lidhje me lidhjen peptide.

3. Gjatësia e lidhjes C-N, e barabartë me 1,32 Å, është e ndërmjetme midis gjatësisë së një lidhjeje kovalente dyfishe (1,21 Å) dhe një lidhjeje kovalente homogjene (1,47 Å). Nga kjo rrjedh se lidhja C-N ka pjesërisht karakterin e një lidhjeje dyfishe. Ato. lidhja peptide mund të ekzistojë në formën e strukturave rezonancë dhe tautamerike, në formën keto-enol.

Rrotullimi rreth lidhjes –C=N– është i vështirë dhe të gjithë atomet e përfshira në grupin peptid kanë një konfigurim të rrafshët trans. Konfigurimi cis është energjikisht më pak i favorshëm dhe gjendet vetëm në disa peptide ciklike. Çdo fragment peptid planar përmban dy lidhje me atome α-karbon të aftë për rrotullim. Këto janë lidhjet C  –N (këndi i rrotullimit rreth kësaj lidhjeje shënohet ) dhe një lidhje C  –C (këndi i rrotullimit rreth kësaj lidhjeje shënohet ).

Lidhja peptide është kovalente në natyrën e saj kimike dhe i jep forcë të lartë strukturës primare të molekulës së proteinës. Duke qenë një element përsëritës i zinxhirit polipeptid dhe që ka veçori specifike strukturore, lidhja peptide ndikon jo vetëm në formën e strukturës parësore, por edhe në nivelet më të larta të organizimit të zinxhirit polipeptid.

Struktura sekondare e një molekule proteine ​​formohet si rezultat i një ose një lloji tjetër të rrotullimit të lirë rreth lidhjeve që lidhin atomet α-karbonit në zinxhirin polipeptid.

Tre lloje kryesore të strukturës gjenden në zinxhirët polipeptidikë natyralë: α-spiralja, fleta e palosur dhe spiralja e rastësishme. Një strukturë spirale formohet nëse zinxhiri ka të njëjtat kënde rrotullimi () për të gjitha lidhjet C  –N dhe këndet e rrotullimit () për të gjitha lidhjet C  –C dhe janë përkatësisht të barabartë me –48º dhe –57º. Gjendet α-spiralja më e zakonshme me dorën e djathtë. Kjo strukturë është shumë e qëndrueshme sepse ka pak ose aspak pengesë sterike, veçanërisht për grupet R të vargjeve anësore të aminoacideve. Dipolet e β-helikës =C=O dhe N-H të lidhjeve peptide fqinje janë të orientuara në mënyrë optimale (pothuajse koaksiale) për ndërveprimin e dipolit, duke formuar kështu një sistem të gjerë lidhjesh hidrogjeni bashkëpunuese intramolekulare që stabilizojnë α-spiralën. Hapi i spirales (një rrotullim i plotë) është 5.4Å dhe përfshin 3.6 mbetje aminoacide.

Figura 1 – Struktura dhe parametrat e proteinës α-helix

Struktura spirale mund të prishet nga dy faktorë:

1) në prani të një mbetjeje proline, struktura ciklike e së cilës paraqet një ndërprerje në zinxhirin peptid - nuk ka grup –NH 2, prandaj formimi i një lidhje hidrogjeni brenda zinxhirit është i pamundur;

2) nëse në një zinxhir polipeptid ka shumë mbetje aminoacide në një rresht që kanë një ngarkesë pozitive (lizinë, argininë) ose një ngarkesë negative (acidet glutamike, aspartike), në këtë rast zmbrapsja e fortë reciproke e grupeve të ngarkuara në mënyrë të ngjashme (- COO– ose –NH 3 +) tejkalon ndjeshëm ndikimin stabilizues të lidhjeve hidrogjenore në β-spiralën.

Struktura e tipit të fletës së palosur stabilizohet edhe me lidhje hidrogjenore ndërmjet të njëjtave dipole =NH...... O=C. Sidoqoftë, në këtë rast, lind një strukturë krejtësisht e ndryshme, në të cilën shtylla kurrizore e zinxhirit polipeptid zgjatet në atë mënyrë që të ketë një strukturë zigzag. Këndet e rrotullimit për lidhjet С  -N () dhe С  -С () janë përkatësisht afër –120+135 0. Rajonet e palosura të zinxhirit polipeptid shfaqin veti bashkëpunuese, d.m.th. priren të vendosen krah për krah në një molekulë proteine ​​dhe të formohen paralelisht

zinxhirët polipeptidikë që janë të drejtuar në mënyrë identike ose antiparalele,

të cilat forcohen për shkak të lidhjeve hidrogjenore ndërmjet këtyre zinxhirëve. Struktura të tilla quhen fletë të palosura  (Figura 2).

Figura 2 - -struktura e vargjeve polipeptide

-Fletët e palosur në spirale janë struktura të renditura ato kanë një rregullim të rregullt të mbetjeve të aminoacideve në hapësirë. Seksionet e një zinxhiri proteinik me një rregullim të parregullt të mbetjeve të aminoacideve në hapësirë, të cilat gjithashtu mbahen së bashku për shkak të lidhjeve të hidrogjenit, quhen të çrregullta, pa strukturë - një spirale statistikore. Të gjitha këto struktura lindin spontanisht dhe automatikisht për faktin se një polipeptid i caktuar ka një sekuencë të caktuar aminoacide, e cila është gjenetikisht e paracaktuar. -helika dhe -struktura përcaktojnë një aftësi të caktuar të proteinave për të kryer funksione specifike biologjike. Kështu, struktura α-spiral (α-keratin) është përshtatur mirë për të formuar struktura të jashtme mbrojtëse - pendë, flokë, brirë, thundra. proteina e kolagjenit siguron forcë të lartë ndaj këputjes së kërkuar për tendinat. Prania e vetëm α-helikave ose β-strukturave është karakteristikë e proteinave filamento-fibrilare. Në përbërjen e proteinave globulare-sferike, përmbajtja e α-helikave dhe strukturave β dhe rajoneve pa strukturë ndryshon shumë. Për shembull: insulina spiralizohet me 60%, enzima ribonukleaza është 57%, proteina e vezës së pulës lizozima është 40%.

Informacioni në lidhje me alternimin e mbetjeve të aminoacideve në një zinxhir polipeptid, si dhe për praninë e seksioneve të spiralizuara, të palosura dhe të çrregullta në një molekulë proteine ​​nuk ofron ende një pamje të plotë as të vëllimit, as të formës, aq më pak të pozicionit relativ të seksionet e zinxhirit polipeptid në raport me njëri-tjetrin.

Këto veçori strukturore të një proteine ​​sqarohen duke studiuar strukturën e saj terciare, e cila kuptohet si rregullimi i përgjithshëm hapësinor në një vëllim të caktuar të zinxhirit polipeptid.

Struktura terciare është krijuar duke përdorur analizën e difraksionit me rreze X. Modeli i parë i një molekule proteine, mioglobina, që pasqyron strukturën e saj terciare, u krijua nga J. Kendrew dhe bashkëpunëtorët në 1957. Megjithë vështirësitë e mëdha, tani është bërë e mundur të krijohet strukturë terciare më shumë se 1000 proteina, duke përfshirë hemoglobinën, pepsinën, lizozimën, insulinën etj.

Struktura terciare e proteinave formohet nga palosja shtesë e zinxhirit peptid që përmban një α-helix, β-strukturë dhe rajone pa një strukturë periodike. Struktura terciare e një proteine ​​formohet plotësisht automatikisht, spontanisht dhe është plotësisht e paracaktuar nga struktura primare. bazë forca lëvizëse në shfaqjen e një strukture tredimensionale është ndërveprimi i radikaleve të aminoacideve me molekulat e ujit. Në këtë rast, radikalet jopolare të aminoacideve hidrofobike grupohen brenda molekulës së proteinës, ndërsa radikalët polare janë të orientuar drejt ujit. Në një moment, shfaqet konformimi i qëndrueshëm termodinamikisht më i favorshëm i molekulës, një rruzull. Në këtë formë, molekula e proteinës karakterizohet nga energji minimale e lirë. Konformimi i rruzullit që rezulton ndikohet nga faktorë të tillë si pH e tretësirës, ​​forca jonike e tretësirës, ​​si dhe ndërveprimi i molekulave të proteinave me substanca të tjera.

Kohët e fundit janë shfaqur dëshmi se procesi i formimit të strukturës terciare nuk është automatik, por rregullohet dhe kontrollohet nga mekanizma të veçantë molekularë. Ky proces përfshin proteina specifike - chaperone. Funksionet e tyre kryesore janë aftësia për të parandaluar formimin e mbështjelljeve jospecifike (kaotike) të rastësishme nga zinxhiri polipeptid dhe për të siguruar shpërndarjen (transportin) e tyre në objektivat nënqelizore, duke krijuar kushte për përfundimin e palosjes së molekulës së proteinës.

Stabilizimi i strukturës terciare sigurohet për shkak të ndërveprimeve jokovalente midis grupeve atomike të radikaleve anësore të llojeve të mëposhtme:

lidhjet hidrogjenore mund të ndodhin ndërmjet grupeve funksionale të radikalëve anësor. Për shembull, midis grupit OH të tirozinës dhe –N në unazën e një mbetjeje histidine.

forcat elektrostatike të tërheqjes midis radikalëve që mbartin grupe jonike të ngarkuara në mënyrë të kundërt (ndërveprimet jon-jon), për shembull, grupi karboksil i ngarkuar negativisht (–COO–) i acidit aspartik dhe grupi -amino i lizinës me ngarkesë pozitive (NH 3 +) mbetje.

ndërveprimet hidrofobike shkaktohen nga forcat e van der Waals-it ndërmjet radikaleve jopolare të aminoacideve. (Për shembull, grupet –CH 3 – alaninë.

Struktura terciare stabilizohet gjithashtu nga lidhjet kovalente disulfide (–S–S–) midis mbetjeve të cisteinës. Kjo lidhje është shumë e fortë dhe nuk është e pranishme në të gjitha proteinat. Kjo lidhje luan një rol të rëndësishëm në substancat proteinike të grurit dhe miellit, sepse ndikon në cilësinë e glutenit, në vetitë strukturore dhe mekanike të brumit dhe, në përputhje me rrethanat, në cilësinë e produktit të përfunduar - bukë, etj.

Një rruzull proteinik nuk është një strukturë absolutisht e ngurtë: brenda kufijve të caktuar, lëvizjet e kthyeshme të pjesëve të zinxhirit peptid në lidhje me njëra-tjetrën janë të mundshme me thyerjen e një numri të vogël lidhjesh të dobëta dhe formimin e të rejave. Molekula duket se merr frymë, pulson në pjesët e saj të ndryshme. Këto pulsime nuk e prishin planin bazë të konformimit të molekulës, ashtu si dridhjet termike të atomeve në një kristal nuk e ndryshojnë strukturën e kristalit nëse temperatura nuk është aq e lartë sa të ndodhë shkrirja.

Vetëm pasi një molekulë proteine ​​fiton një strukturë terciare natyrale, ajo shfaq aktivitetin e saj specifik funksional: katalitik, hormonal, antigjenik, etj. Është gjatë formimit të strukturës terciare që ndodh formimi i qendrave aktive të enzimave, qendra përgjegjëse për integrimin e proteinave në kompleksin multienzimë, qendra përgjegjëse për vetë-montimin e strukturave supramolekulare. Prandaj, çdo ndikim (termik, fizik, mekanik, kimik) që çon në shkatërrimin e këtij konformacioni vendas të proteinës (këputja e lidhjeve) shoqërohet me humbje të pjesshme ose të plotë të vetive biologjike të proteinës.

Studimi i strukturave të plota kimike të disa proteinave ka treguar se në strukturën e tyre terciare janë identifikuar zonat ku janë të përqendruara radikalet hidrofobike të aminoacideve dhe zinxhiri polipeptid në të vërtetë është i mbështjellë rreth bërthamës hidrofobike. Për më tepër, në disa raste, dy ose edhe tre bërthama hidrofobike ndahen në një molekulë proteine, duke rezultuar në një strukturë 2- ose 3-bërthamore. Ky lloj strukture molekulare është karakteristik për shumë proteina që kanë funksion katalitik (ribonukleaza, lizozima, etj.). Një pjesë ose rajon i veçantë i një molekule proteine ​​që ka një shkallë të caktuar të autonomisë strukturore dhe funksionale quhet domen. Një numër enzimash, për shembull, kanë domene të veçanta lidhëse për substratin dhe koenzimë.

Struktura terciare e një proteine ​​lidhet drejtpërdrejt me formën e saj, e cila mund të ndryshojë nga sferike në filamentoze. Forma e një molekule proteine ​​karakterizohet nga një tregues i tillë si shkalla e asimetrisë (raporti i boshtit të gjatë me atë të shkurtër). Proteinat fibrilare ose filamentoze kanë një shkallë asimetrie më të madhe se 80. Me një shkallë asimetrie më të vogël se 80, proteinat klasifikohen si globulare. Shumica e tyre kanë një shkallë asimetrie 3-5, d.m.th. struktura terciare karakterizohet nga një paketim mjaft i dendur i zinxhirit polipeptid, që i afrohet formës së një topi.

Biologjikisht, proteinat fibrilare luajnë një rol shumë të rëndësishëm rol të rëndësishëm lidhur me anatominë dhe fiziologjinë e kafshëve. Në vertebrorët, këto proteina përbëjnë 1/3 e përmbajtjes së tyre totale. Një shembull i proteinave fibrilare është proteina e mëndafshit fibroin, e cila përbëhet nga disa zinxhirë antiparalelë me një strukturë fletë të palosur. Proteina α-keratin përmban 3-7 zinxhirë. Kolagjeni ka një strukturë komplekse në të cilën 3 zinxhirë identikë levorotatorë janë të përdredhur së bashku për të formuar një spirale të trefishtë rrotulluese. Kjo spirale e trefishtë është e stabilizuar nga lidhje të shumta hidrogjenore ndërmolekulare. Prania e aminoacideve si hidroksiprolina dhe hidroksilizina gjithashtu kontribuon në formimin e lidhjeve hidrogjenore që stabilizojnë strukturën e spirales së trefishtë. Të gjitha proteinat fibrilare janë pak të tretshme ose plotësisht të patretshme në ujë, pasi ato përmbajnë shumë aminoacide që përmbajnë izoleucinë, fenilalaninë, valinë, alaninë, metioninë hidrofobike, të pazgjidhshme në ujë të grupeve R. Pas përpunimit special, kolagjeni i patretshëm dhe i patretshëm shndërrohet në një përzierje polipeptidesh të tretshme në xhelatinë, e cila më pas përdoret në industrinë ushqimore.

Proteinat globulare kryejnë një sërë funksionesh biologjike. Ato kryejnë një funksion transporti, d.m.th. transportojnë lëndë ushqyese, jone inorganike, lipide etj. Hormonet, si dhe përbërësit e membranave dhe ribozomeve, i përkasin të njëjtës klasë të proteinave. Të gjitha enzimat janë gjithashtu proteina globulare.

Proteinat që përmbajnë dy ose më shumë zinxhirë polipeptidorë quhen proteina oligomerike, ato karakterizohen nga prania e një strukture kuaternare. Zinxhirët polipeptidë (dimensionet) në proteina të tilla mund të jenë ose të njëjta ose të ndryshme. Proteinat oligomerike quhen homogjene nëse protomerët e tyre janë të njëjtë dhe heterogjenë nëse protomerët e tyre janë të ndryshëm. Për shembull, hemoglobina e proteinave përbëhet nga 4 zinxhirë: dy protomerë - dhe dy -. Enzima α-amilaza përbëhet nga 2 zinxhirë polipeptidikë identikë. Në proteinat oligomerike, secili prej zinxhirëve polipeptidë karakterizohet nga struktura e tij dytësore dhe terciare dhe quhet një nënnjësi ose protomer. Protomerët ndërveprojnë me njëri-tjetrin jo me ndonjë pjesë të sipërfaqes së tyre, por me një zonë të caktuar (sipërfaqe kontakti). Sipërfaqet e kontaktit kanë një rregullim të tillë të grupeve atomike midis të cilave lindin lidhje hidrogjeni, jonike dhe hidrofobike. Përveç kësaj, gjeometria e protomerëve gjithashtu favorizon lidhjen e tyre. Protomerët përshtaten së bashku si një çelës për një bravë. Sipërfaqe të tilla quhen plotësuese. Secili protomer ndërvepron me tjetrin në pika të shumta, duke e bërë të pamundur lidhjen me zinxhirë ose proteina të tjera polipeptide. Ndërveprime të tilla plotësuese të molekulave janë në themel të të gjitha proceseve biokimike në trup. Struktura kuaternare i referohet renditjes së zinxhirëve polipeptidë (protomerëve) në lidhje me njëri-tjetrin, d.m.th. një metodë e palosjes dhe paketimit të tyre të përbashkët për të formuar konformacionin vendas të një proteine ​​oligomerike, si rezultat i së cilës proteina ka një ose një tjetër aktivitet biologjik.

DHE kimia teorike dhe përdoret në bioteknologji (kur krijohen të reja) dhe në mjekësi (në farmaceutikë). Efektiviteti i zhvillimit të metodave të parashikimit vlerësohet në kuadrin e një eksperimenti mbarëbotëror, rezultatet e ndërmjetme të të cilit përmblidhen një herë në dy vjet, duke filluar nga viti 1994.

Në vitet 1960, biokimisti amerikan Christian Anfinsen propozoi një hipotezë termodinamike sipas së cilës atomet e molekulave të proteinave, në kushte natyrore, janë termodinamikisht të qëndrueshme, që korrespondon me energjinë minimale të lirë të sistemit. Me fjalë të tjera, proteina merr një formë të caktuar hapësinore si rezultat i kufizimeve të diktuara nga përbërja dhe vetitë fizike dhe kimike, duke e formuar atë.

Nga ana tjetër, molekulat e proteinave me një strukturë të ngjashme hapësinore zakonisht luajnë një rol të ngjashëm biologjik në procese niveli qelizor. Kështu, struktura e proteinave mund të konsiderohet si e ndërmjetme ndërmjet përbërjes kimike (strukturës parësore) dhe funksionit të një proteine.

Shumica e sekuencave të aminoacideve të proteinave sot përftohen nga përkthimi i gjeneve nga sekuencat nukleotide, të cilat përcaktohen nga projekte kërkimore në shkallë të gjerë si Projekti i Gjenomit Njerëzor.

Në të njëjtën kohë, metodat përcaktim eksperimental Strukturat e proteinave janë teknologjikisht komplekse, të shtrenjta dhe dukshëm (me më shumë se dy rend të madhësisë) mbeten prapa produktivitetit të metodave për përcaktimin e përbërjes kimike. Që nga marsi 2010, pothuajse 10,000,000 sekuenca proteinash janë depozituar në bazat e të dhënave publike dhe ky numër vazhdon të rritet me një ritëm të shpejtë, pavarësisht nga fakti se, përmes përpjekjeve të qendrave kryesore botërore të gjenetikës strukturore, baza e të dhënave e centralizuar e strukturave proteinike ka qenë e populluar me vetëm 60,000 struktura. Supozohet se hendeku midis numrit të sekuencave dhe strukturave proteinike mund të plotësohet ekskluzivisht me metodën teorike Parashikimi i strukturës së proteinave.

Zgjidhja e këtij problemi nënkupton hapjen e mundësive të gjera për futjen dhe përmirësimin e një shumëllojshmërie të gjerë bioteknologjish (sot, parashikimi kompjuterik i strukturës së proteinave përdoret në biologji dhe mjekësi, veçanërisht në zhvillimin e ilaçeve).

Njohuritë për strukturën e proteinave mund të japin të dhëna partnerët e mundshëm për ndërveprimet e proteinave dhe, në këtë mënyrë, shtyjnë studiuesit të zhvillojnë ose përmirësojnë të reja, të shpjegojnë mutacionet e kryera dhe në mënyrë indirekte, të ndihmojnë në përcaktimin e vendndodhjes së mutacioneve në mënyrë që të ndryshojnë fenotipe të caktuara.

Metodat për parashikimin e strukturës së proteinave

Parashikimi i strukturës së proteinave është detyrë sfiduese për shumë arsye:

• Së pari, numri i konfigurimeve të mundshme hapësinore të proteinave është mjaft i madh,
• Së dyti, baza fizike e formimit të strukturës së proteinave dhe stabiliteti i tyre nuk janë kuptuar ende plotësisht.

Për të arritur sukses në ndërtimin e një modeli për parashikimin e strukturës së proteinave, fillimisht duhet të zhvillohet një strategji për të rindërtuar në mënyrë efektive hapësirën e strukturave të mundshme dhe për të zgjedhur kandidatët më të mundshëm për strukturën vendase.

Sot janë dy kryesore, konceptualisht metoda të ndryshme ngushtimi i hapësirës së kërkimit për konformacionet strukturore të proteinave:

Metodat e parashikimit të llojit të parë përdorin supozimin se struktura e dëshiruar e proteinës mund të jetë e ngjashme me një ose më shumë struktura të njohura proteinike, ose të paktën të përbëhet nga blloqet elementare të ndërtimit të proteinave të tilla.

Metodat e parashikimit të tipit të dytë mos përdorni informacion rreth strukturave të njohura, bazuar kryesisht në të thjeshtuara potencialet energjetike, duke përdorur strategji të përafërta për kërkimin e minimumit të peizazhit të energjisë për modelim.

Parashikimi i strukturës së proteinave nga një mostër (shabllon)

Nëse midis strukturave të njohura të proteinave është e mundur të gjenden ato për të cilat mund të supozohet se ato mund të jenë, në një masë të caktuar, të ngjashme me objektin e modelimit (parashikimit), atëherë ato mund të përdoren si shabllon (kampion) për duke ndërtuar një model. Kjo metodë Modelimi homologjik quhet "parashikimi i strukturës së proteinave nga një kampion (duke përdorur një shabllon") (Modelimi i bazuar në shabllon).

Modelet e parashikimit mund të gjenden duke përdorur krahasimin e drejtpërdrejtë të sekuencave të aminoacideve (metodat krahasuese të modelimit), ose metoda më komplekse për njohjen e proteinave strukturore të ngjashme me ngjashmëri të dobët ose praktikisht të pazbuluar të sekuencave (metodat e njohjes së palosjes / filetimit).

Grupi i fundit i metodave bazohet në parimin se struktura është e ruajtur në mënyrë evolucionare, ndryshe nga sekuenca, dhe ndonjëherë është e mundur të gjenden proteina të lidhura me sekuenca të ndryshme dhe më pas të përpiqemi të "gjurmojmë" sekuencën e proteinës së synuar përmes strukturës së shabllonit. . Teorikisht, proteina të tilla mund të identifikohen duke ndërtuar dhe krahasuar profilet e sekuencës së proteinës me interes dhe strukturave të njohura.

Parashikimi i strukturës së një proteine ​​nga një mostër (shabllon) ka një potencial të madh praktik, pasi nëse struktura dihet të paktën një ketër familjar, që do të thotë se mund të përpiqeni të ndërtoni modele për pothuajse çdo proteinë në një familje të caktuar. Me plotësimin e bazës së të dhënave të strukturave, këtë simulim gjithçka bëhet e mundur më shumë proteinat.

Metodat pa model për parashikimin e strukturës së proteinave

Nëse nuk është e mundur të gjendet një shabllon për parashikimin e strukturës së një proteine ​​duke përdorur një nga metodat e sipërpërmendura, në këtë situatë përdoren metoda pa shabllon / de novo. Metodat e parashikimit jo shabllon përfshijnë metodat e fragmenteve dhe metodat thjesht fizike.

Parashikimi pa shabllon i strukturës së proteinave sipas dinamikës molekulare me funksionin e energjisë (në veçanti, dinamika molekulare dhe Monte Carlo, duke përfituar nga të shpërndara dhe llogaritje paralele), duke marrë parasysh detajet e ndërveprimit në nivel atomik, është praktikisht e pamundur sot për shkak të kërkesave të larta për burimet llogaritëse. Është për këtë arsye që shumica e metodave ab initio përdorin strukturën e thjeshtuar atomike të proteinave.

Palosja e domeneve të vogla të proteinave alfa-spiral, p.sh. në silikon. Falë përdorimit të metodave hibride të parashikimit që kombinojnë standardin dinamika molekulare me mekanikën kuantike është hulumtuar gjendjet elektronike rodopsina pigment vizuale.

Metodat pa shabllon për parashikimin e strukturës së proteinave janë më pak të besueshme se metodat shabllone, por ato bëjnë të mundur ndërtimin e modeleve që kanë të përgjithshme formë (anglisht - Fold), afër strukturës amtare të proteinës së dëshiruar.

Shënime

Shënime dhe shpjegime për artikullin "Parashikimi (modelimi) i strukturës së proteinave."

• Proteina, proteina, proteina është një substancë organike me molekulare të lartë të përbërë nga aminoacide alfa të bashkuara nga lidhje peptide (formuar kur grupi amino i një aminoacidi dhe grupi karboksil i një aminoacidi tjetër reagojnë për të lëshuar një molekulë uji). Ka dy klasa proteinash: një proteinë e thjeshtë, e cila, pas hidrolizës, shpërbëhet ekskluzivisht në aminoacide, dhe një proteinë komplekse (holoprotein, proteid), që përmban një grup protetik (një nënklasë kofaktorësh pas hidrolizës së një proteine ​​komplekse). , përveç aminoacideve, lirohet pjesa jo proteinike ose produktet e zbërthimit të saj. Proteinat enzimë përshpejtojnë (katalizojnë) rrjedhën e reaksioneve biokimike, duke pasur një ndikim të rëndësishëm në proceset metabolike. Proteinat individuale kryejnë funksione mekanike ose strukturore, duke formuar një citoskelet që ruan formën e qelizave. Ndër të tjera, proteinat luajnë një rol kyç në sistemet e sinjalizimit të qelizave, në përgjigjen imune dhe në ciklin qelizor. Proteinat janë baza për krijimin e indeve muskulore, qelizave, indeve dhe organeve tek njerëzit.
• Modelimi molekular, MM, Modelimi molekular është emri kolektiv për metodat për studimin e vetive dhe strukturës së molekulave duke përdorur teknologji kompjuterike dhe vizualizimi pasues i rezultateve, i cili përfundimisht siguron paraqitjen e tyre tredimensionale sipas kushteve të specifikuara në llogaritje.
• në silikon - kuptimi i një termi simulimi kompjuterik(simulimi) i një eksperimenti, zakonisht biologjik. Rrënjët e termit në silikonçojnë në terma in vitro(in vitro) dhe in vivo(në një organizëm të gjallë). në silikon fjalë për fjalë do të thotë "në silikon", duke simbolizuar silikonin si një material gjysmëpërçues që luan një rol të rëndësishëm në krijimin e çipave të silikonit që përdoren në prodhimin e pajisjeve kompjuterike.
• Dizajni i ketrit, dizajni i proteinave është dizajni racional i molekulave të reja proteinike të palosur në një strukturë proteine ​​të synuar, me qëllimin e dizajnimit të funksioneve dhe/ose sjelljes së saj të re. Falë dizajnit, proteinat mund të zhvillohen ose të reja (proteina e re) ose duke ndryshuar ato ekzistuese, bazuar në strukturën e njohur të proteinës dhe sekuencën e saj (rindërtimi).
• Struktura terciare, struktura tre-dimensionale - struktura hapësinore (duke përfshirë konformimin) e të gjithë molekulës së proteinës, makromolekulës tjetër, e përbërë nga një zinxhir i vetëm.
• Bioinformatika- një grup qasjesh dhe metodash të përdorura, në veçanti, në biofizikë, biokimi, ekologji, duke përfshirë metodat matematikore analiza kompjuterike në gjenomikën krahasuese, zhvillimin e programeve dhe algoritmeve për parashikimin e strukturës hapësinore të biopolimerëve, eksplorimin e strategjive, metodologjitë e duhura llogaritëse dhe menaxhimin e përgjithshëm të kompleksitetit të informacionit të sistemeve biologjike. Bioinformatika përdor metoda të matematikës së aplikuar, shkencave kompjuterike dhe statistikave.
• Enzimat, enzimat, enzimat - zakonisht molekulat e proteinave ose ribozimet (molekulat e ARN) ose komplekset e tyre që katalizojnë (përshpejtojnë) reaksionet kimike në sistemet e gjalla. Enzimat, si të gjitha proteinat, sintetizohen si një zinxhir linear i aminoacideve që palosen në një mënyrë specifike. Çdo sekuencë e aminoacideve paloset në një mënyrë të veçantë, si rezultat i së cilës globula (molekula) e proteinës që rezulton ka veti unike. Enzimat janë të pranishme në të gjitha qelizat e gjalla dhe ndihmojnë në shndërrimin e një substance në një tjetër. Aktiviteti i enzimës mund të rregullohet nga frenuesit dhe aktivizuesit (inhibitorët ulen, aktivizuesit rriten). Në bazë të llojit të reaksioneve që ato katalizojnë, enzimat ndahen në gjashtë klasa: oksidoreduktaza, transferaza, hidrolaza, liaza, izomeraza dhe ligaza. Për të kryer katalizën, enzimat individuale kërkojnë përbërës jo proteinikë - kofaktorë. Kofaktorët mund të jenë molekula ose inorganike (grupe hekur-squfuri, jone metalike, ndër të tjera) ose organike (heme, flavin, ndër të tjera). Kofaktorët organikë që janë të lidhur ngushtë me një enzimë quhen grupe protetike. Kofaktorët natyra organike, të afta të ndahen nga enzima, quhen koenzima.
• Një vlerësim kritik i parashikimit të strukturës së proteinave,Vlerësimi kritik i parashikimit të strukturës së proteinave,CASP është një eksperiment i parashikimit të strukturës së proteinave në shkallë të gjerë, i konsideruar si një konkurrencë mbarëbotërore në shkencën e modelimit strukturor. Qëllimi kryesor i CASP është të koordinojë përpjekjet për të përmirësuar metodat për përcaktimin e strukturës tre-dimensionale të proteinave nga sekuencat e tyre aminoacide. CASP përfshin testimin objektiv të metodave të parashikimit të strukturës së proteinave të ndjekura nga vlerësimi i pavarur i modelimit strukturor. Në eksperiment, në në mënyrë të vazhdueshme, janë përfshirë mbi 100 grupe kërkimore.
• Christian Böhmer Anfinsen, Christian Boehmer Anfinsen (1916 - 1995) - biokimist amerikan, fitues i Çmimit Nobel në Kimi 1972 (së bashku me Stanford Moore dhe William Stein), "për punën e tij në vendosjen e marrëdhënieve midis sekuencës aminoacide të ribonukleazës A dhe konformacionit të saj biologjikisht aktiv".
• Konformacioni – rregullimi hapësinor atome në një molekulë të një konfigurimi të caktuar, të shkaktuar nga rrotullimi rreth një ose më shumë lidhjeve të vetme sigma.
• Aminoacidi është një përbërës organik që është një material ndërtimor për strukturat proteinike dhe fibrat e muskujve. Trupi përdor aminoacide për rritjen, forcimin dhe restaurimin e vet, për të prodhuar hormone, enzima dhe antitrupa të ndryshëm.
• Acidi deoksiribonukleik, ADN, acidi deoksiribonukleik, ADN-ja është një nga tre makromolekulat kryesore (dy të tjerat janë ARN dhe proteinat), e cila siguron ruajtjen, transmetimin nga brezi në brez dhe zbatimin e programit gjenetik për zhvillimin dhe funksionimin e organizmave të gjallë. ADN-ja ruan informacionin strukturor lloje të ndryshme ARN dhe proteinat. Nga pikëpamja kimike, ADN-ja është një molekulë e gjatë polimeri e përbërë nga blloqe përsëritëse - nukleotide. Çdo nukleotid përbëhet nga një bazë azotike (citozinë, timinë, guaninë dhe adeninë), një sheqer (deoksiriboz) dhe një grup fosfat. Lidhjet midis nukleotideve në zinxhir formohen nga deoksiriboza dhe një grup fosfat. Në shumicën dërrmuese të rasteve (me përjashtim të viruseve individuale që përmbajnë ADN me një zinxhir), makromolekula e ADN-së përbëhet nga dy zinxhirë të orientuar me baza azotike drejt njëri-tjetrit. Zinxhirët janë të ndërthurur në formën e një spiraleje, prandaj emri i strukturës së molekulës së ADN-së - "spiralja e dyfishtë".
• , Projekti i Gjenomit Njerëzor, HGP është një projekt kërkimor ndërkombëtar, qëllimi kryesor i të cilit ishte të përcaktojë sekuencën e nukleotideve që përbëjnë ADN-në dhe të identifikojë 20-25 mijë gjene në gjenomin e njeriut. Projekti filloi në vitin 1990 nën kujdesin e Institutit Kombëtar të Shëndetit të SHBA-së dhe një draft pune i strukturës së gjenomit u publikua në vitin 2000. gjenom i plotë- në vitin 2003. Pjesa më e madhe e renditjes u krye në universitete dhe qendrat kërkimore SHBA, MB dhe Kanada.
• Banka e të dhënave të proteinave, PDB është një bankë të dhënash e strukturave 3-D të proteinave dhe acideve nukleike të marra nga kristalografia me rreze X ose spektroskopia NMR. PDB është një nga burimet më të rëndësishme për shkencëtarët që punojnë në fushën e biologjisë strukturore.
• Antitrupat, imunoglobulinat, IG, antitrupat, Ab, imunoglobulinat, Ig, – klasa proteinat komplekse glikoproteinat paraqiten si molekula të tretshme në lëngun e indeve dhe në serumin e gjakut, në formën e receptorëve të lidhur me membranën në sipërfaqen e limfociteve B. Antitrupat janë në gjendje të lidhen në mënyrë jashtëzakonisht selektive me lloje specifike të molekulave (të cilat quhen prandaj antigjene). Tek njerëzit, ekzistojnë pesë klasa të antitrupave (imunoglobulina), të cilat ndryshojnë në strukturën dhe përbërjen e aminoacideve të zinxhirëve të rëndë dhe në funksionet efektore që ata kryejnë - IgG, IgA, IgM, IgD dhe IgE. Antitrupat janë faktori më i rëndësishëm në imunitetin specifik, ato përdoren nga sistemi imunitar për të identifikuar dhe neutralizuar objektet e huaja - viruset dhe bakteret, ndër të tjera.
• Fenotipi(nga greqishtja `6,^5,^3,_7,`9, - "Unë zbuloj, zbuloj" dhe `4,a3,`0,_9,`2, - "shembull, mostër, shabllon") - a grup karakteristikash, të qenësishme për një individ në një fazë të caktuar zhvillimi (si rezultat i ontogjenezës). Fenotipi formohet në bazë të gjenotipit, i ndërmjetësuar nga një sërë faktorësh të jashtëm mjedisor.
• Willin– një proteinë specifike për indet me peshë 92,5 kDa që lidh filamentet e aktinës në kufijtë e furçës. Villin përmban domene të përsëritura të ngjashme me gelsolin, të mbuluara nga një "kokë" e vogël (8.5 kDa) në fundin C, e përbërë nga sekuenca tre-spiralike të formuara shpejt dhe në mënyrë të pavarur të stabilizuara nga ndërveprimet hidrofobike. Funksionet e villin nuk kuptohen plotësisht, por supozohet se ai është i përfshirë në bërthamimin, formimin, grumbullimin dhe prerjen e filamenteve të aktinës.

Kur shkruani një artikull në lidhje me strukturën e proteinave, si dhe metodat për parashikimin (modelimin) e strukturës së proteinave, materialet nga portalet e informacionit dhe referencës në internet, faqet e lajmeve NCBI.NLM.NIH.gov, ProteinStructures.com, Stanford.edu, ScienceDaily u përdorën si burimet com, Genome.gov, FASTA.Bioch.Virginia.edu, FEN.NSU.ru, SGU.ru, VIGG.ru, Wikipedia, si dhe botimet e mëposhtme të shtypura:

• Ginter E. K." Gjenetika mjekësore. Literaturë edukative për studentët e universiteteve të mjekësisë”. Shtëpia botuese "Mjekësia", 2003, Moskë,
• Skalny A.V., Rudakov I.A. "Bioelementet në mjekësi" Shtëpia botuese "Onyx", 2004, Moskë,
• Mulberg A. A. "Folding a protein" Shtëpia botuese "Shtëpia botuese e Shën Petersburgut universiteti shtetëror", 2004, Shën Petersburg,
• Stefanov V. E., Mavropulo-Stolyarenko G. R. "Analiza e strukturës së proteinave duke përdorur metoda bioinformatike". Shtëpia botuese " Raporti i artë", 2007, Shën Petersburg,
• Konichev A. S., Sevastyanova G. A. "Biologjia molekulare. Më e lartë arsimi profesional" Shtëpia botuese "Akademia", 2008, Moskë,
• Novoseletsky V. (redaktor) "Struktura dhe funksionimi i proteinave. Aplikimi i metodave të bioinformatikës. Nën drejtimin e Daniel John Rigden." Shtëpia botuese "URSS", 2014, Moskë. (Akoma nuk ka vlerësime)
  

Më shumë se 4 miliardë vjet më parë, proteinat dolën në mënyrë të pashpjegueshme nga molekula të vogla inorganike në Tokë, të cilat u bënë blloqet ndërtuese të organizmave të gjallë. Të gjitha gjallesat ia detyrojnë diversitetin e tyre të pafund molekulave unike të proteinave dhe format e tjera të jetës në Univers janë ende të panjohura për shkencën.

Proteinat, ose proteinat (nga greqishtja "protos" - "e para"), janë të natyrshme komponimet organike, të cilat ofrojnë të gjitha proceset jetësore të çdo organizmi. Thjerrëzat e syrit dhe rrjeta e merimangës, guaska e breshkës dhe substancat helmuese të kërpudhave janë ndërtuar nga proteinat... Me ndihmën e proteinave, ne tretim ushqimin dhe luftojmë sëmundjet. Falë proteinave speciale, xixëllonjat shkëlqejnë natën, dhe në thellësi të oqeanit, kandil deti dridhet me një dritë misterioze.

Ka shumë herë më shumë molekula proteinash në një qelizë të gjallë se të gjitha të tjerat (përveç ujit, sigurisht!). Shkencëtarët kanë zbuluar se në shumicën e organizmave, proteinat përbëjnë më shumë se gjysmën e masës së tyre të thatë. Dhe diversiteti i llojeve të proteinave është shumë i madh - në një qelizë ka të tillë organizëm i vogël, si bakteri Escherichia soja" (shih esenë shtesë "Objekti i studimit - prokariotët"), ka rreth 3 mijë proteina të ndryshme.

Proteina u izolua për herë të parë (në formën e glutenit) në 1728 nga italiani Jacopo Bartolomeo Beccari (1682-1766) nga mielli i grurit. Kjo ngjarje konsiderohet të jetë lindja e kimisë së proteinave. Që atëherë, gati tre shekuj nga burimet natyrore Janë marrë mijëra proteina të ndryshme dhe janë studiuar vetitë e tyre.

"RRUZA" BIOLOGJIKE

Molekula e proteinës është shumë e gjatë. Kimistët i quajnë molekula të tilla polimerike (nga greqishtja "poli" - "shumë" dhe "meros" - "pjesë", "aksion"). Në të vërtetë, një molekulë e gjatë polimeri përbëhet nga shumë molekula të vogla të lidhura me njëra-tjetrën. Kjo është mënyra se si rruazat janë të lidhura në një fije në një gjerdan. Në polimere, roli i një filli luhet nga lidhjet kimike midis molekulave të rruazave.

Sekreti i proteinave fshihet në tiparet e këtyre rruazave. Shumica e polimerëve nuk marrin një formë të qëndrueshme në hapësirë, duke qenë si rruaza që nuk mund të kenë një strukturë hapësinore: nëse i varni në qafë, ata do të marrin formën e një unaze ose një ovale nëse i vendosni në një kuti; do të përkulet në një top me formë të papërcaktuar. Tani le të imagjinojmë se disa rruaza mund të "ngjiten" me njëra-tjetrën. Për shembull, njerëzit e kuq tërhiqen nga njerëzit e verdhë. Atëherë i gjithë zinxhiri do të marrë një formë të caktuar, për shkak të ekzistencës së tij nga "ngjitja së bashku" e rruazave të verdha dhe të kuqe.

Diçka e ngjashme ndodh te proteinat. Molekulat individuale të vogla që përbëjnë proteinën kanë aftësinë të "ngjiten së bashku", pasi forcat tërheqëse veprojnë midis tyre. Si rezultat, çdo zinxhir proteinik ka një strukturë hapësinore karakteristike vetëm për të. Është kjo që përcakton vetitë e mrekullueshme të proteinave. Pa një strukturë të tillë, ata nuk mund të kryenin funksionet që kryejnë në një qelizë të gjallë.

Kur proteinat zihen për një kohë të gjatë në prani të acideve ose alkaleve të forta, zinxhirët e proteinave ndahen në molekulat e tyre përbërëse,

Të quajtura aminoacide. Aminoacidet janë "rruazat" që përbëjnë proteinat dhe struktura e tyre është relativisht e thjeshtë.

SI STRUKTUROHET NJË AMINOACID?

Çdo molekulë aminoacidi ka një atom karboni të lidhur me katër zëvendësues. Njëri prej tyre është një atom hidrogjeni, i dyti është një grup karboksil - COOH. Ai lehtë "lëshon" jonin e hidrogjenit H+, prandaj fjala "acid" është e pranishme në emër të aminoacideve. Zëvendësuesi i tretë është një grup amino - NH 2 dhe, së fundi, zëvendësuesi i katërt është një grup atomesh që është në rast i përgjithshëm shënuar nga R. Të gjitha aminoacidet kanë grupe të ndryshme R, dhe secila prej tyre luan rolin e vet, shumë të rëndësishëm.

Vetitë e "rruazave" që dallojnë një aminoacid nga një tjetër janë të fshehura në grupet R (ato quhen gjithashtu zinxhirë anësor). Sa i përket grupit - COOH, kimistët organikë e trajtojnë atë me shumë respekt: ​​të gjithë atomeve të tjerë të karbonit në molekulë u jepen emërtime në varësi të shkallës së distancës së tyre nga grupi karboksil. Atomi më i afërt me të quhet atomi a, i dyti - atomi b, tjetri - atomi y, etj. Atomi i karbonit në aminoacide, i cili është më afër grupit karboksil, d.m.th. shoqërohet gjithashtu me një grup amino, prandaj aminoacidet natyrore që përbëjnë proteinën quhen a-aminoacide.

Ekzistojnë gjithashtu aminoacide në natyrë në të cilat grupi NH^ është i lidhur me atomet e karbonit që janë më të largët nga grupi karboksil. Megjithatë, natyra zgjodhi α-aminoacide për të ndërtuar proteina. Kjo është kryesisht për shkak të faktit se vetëm a-aminoacidet e lidhura në zinxhirë të gjatë janë në gjendje të sigurojnë forcë dhe stabilitet të mjaftueshëm në strukturën e molekulave të mëdha të proteinave.

Numri i a-aminoacideve që ndryshojnë në grupin R është i madh. Por më shpesh se të tjerët, vetëm 20 aminoacide të ndryshme gjenden në proteina. Ato mund të konsiderohen si alfabeti i "gjuhës" së molekulës së proteinës. Kimistët i quajnë këto aminoacide kryesore standarde, bazë ose normale. Në mënyrë konvencionale, aminoacidet bazë ndahen në katër klasa.

E para përfshin aminoacide me zinxhirë anësore jopolare. E dyta përmban aminoacide që përmbajnë një grup polar. Dy të tjerat janë aminoacide me zinxhirë anësor që mund të ngarkohen pozitivisht (ato kombinohen në klasën e tretë) ose negativisht (e katërta). Për shembull, disociimi i një grupi karboksil prodhon anionin - COO-, dhe protonimi i atomit të azotit prodhon një kation, për shembull - NH 3 +. Zinxhirët anësore të acideve aspartike dhe glutamike kanë secili një grup më shumë karboksil, COOH, i cili, në vlerat e pH-së karakteristike të një qelize të gjallë (pH = 7), ndahet nga joni i hidrogjenit (H+) dhe merr një ngarkesë negative. Zinxhirët anësor të aminoacideve lizina, arginina dhe histidina janë të ngarkuar pozitivisht sepse kanë atome azoti, të cilat, përkundrazi, mund të bashkojnë një jon hidrogjeni.

Çdo α-aminoacid (përveç glicinës), në varësi të pozicionit relativ të katër zëvendësuesve, mund të ekzistojë në dy forma. Ato ndryshojnë nga njëri-tjetri pasi një objekt ndryshon nga imazhi i tij në pasqyrë ose si dora e djathtë nga e majta. Komponime të tilla quhen korale (nga greqishtja "hir" - "dora"). Molekulat kirale u zbuluan në 1848 nga shkencëtari i madh francez Louis Pasteur. Dy lloje të izomerëve optikë të molekulave organike quhen forma D (nga latinishtja dexter - "djathtas") dhe forma Z (nga latinishtja laevus - "majtas"). Nga rruga, një nga emrat e molekulave të tjera kirale - glukoza dhe fruktoza - është dekstrozë dhe levulozë. Vlen të përmendet se proteinat përmbajnë vetëm aminoacide Z, dhe e gjithë jeta e proteinave në Tokë është "me dorën e majtë".

Për funksionimin normal, trupi ka nevojë për një grup të plotë të 20 aminoacideve bazë a-Z. Por disa prej tyre mund të sintetizohen në qelizat e vetë trupit, ndërsa të tjerat duhet të vijnë të gatshme nga produktet ushqimore. Në rastin e parë, aminoacidet quhen të këmbyeshëm, dhe në të dytën - të pazëvendësueshëm. Set i fundit për organizma të ndryshëm të ndryshme. Për shembull, për një mi të bardhë, 10 aminoacide janë thelbësore, dhe për bakteret e acidit laktik - 16. Bimët mund të sintetizojnë në mënyrë të pavarur një shumëllojshmëri të gjerë aminoacidesh, duke krijuar ato që nuk gjenden në proteina.

Për lehtësi, 20 aminoacidet kryesore përcaktohen me simbole duke përdorur një ose tre shkronjat e para të emrit rus ose anglisht të aminoacidit, për shembull alanina - Ala ose A, glicina - Gly ose G.

ÇFARË ËSHTË PEPTIDI

Një molekulë proteine ​​polimerike formohet duke kombinuar rruaza të aminoacideve në një zinxhir të gjatë. Ato janë të lidhura në një fije lidhjesh kimike për shkak të grupeve amino dhe karboksile të pranishme në të gjitha aminoacidet, të lidhura me atomin a-karbon.

Komponimet e formuara si rezultat i këtij reaksioni quhen peptide; (Grupimi -CO-NH në to është një grup peptid, dhe lidhja midis atomeve të karbonit dhe azotit është një lidhje peptide (quhet edhe lidhje amide). Duke lidhur aminoacidet përmes lidhjeve peptide, mund të merrni peptide që përbëhen nga të mbetjeve të shumë aminoacideve Komponime të tilla u quajtën polipeptide Struktura polipeptide e molekulës së proteinave u vërtetua në vitin 1902 nga kimisti gjerman Emil Hermann Fischer.

Në skajet e vargut të aminoacideve ka grupe të lira amino dhe karboksile; këto skaje të zinxhirit quhen skajet N dhe C. Mbetjet e aminoacideve në një zinxhir polipeptid zakonisht numërohen nga fundi N.

Numri i përgjithshëm i mbetjeve të aminoacideve në një molekulë proteine ​​ndryshon brenda kufijve shumë të gjerë. Kështu, insulina njerëzore përbëhet nga 51 mbetje aminoacide, dhe lizozima në qumështin e një nëne gjidhënëse - prej 130. Hemoglobina njerëzore ka 4 zinxhirë aminoacide, secila prej të cilave është e ndërtuar nga afërsisht 140 aminoacide. Ka proteina që kanë pothuajse 3 mijë mbetje aminoacide në një zinxhir të vetëm.

Peshat molekulare të proteinave variojnë nga afërsisht 11 mijë për proteinat e vogla që përbëhen nga 100 mbetje aminoacide, në 1 milion ose më shumë për proteinat me zinxhirë polipeptidikë shumë të gjatë ose për proteinat që përbëhen nga disa zinxhirë polipeptidikë.

Shtrohet pyetja: si mund të krijohet gjithë larmia e madhe e proteinave me funksione dhe veti të ndryshme nga vetëm 20 molekula? Dhe zgjidhja për këtë sekret të natyrës është e thjeshtë - secila proteinë ka përbërjen e saj unike të aminoacideve dhe një renditje unike të aminoacideve, të quajtur struktura primare e proteinës.

SPIRALET DHE SHTRESAT

Në fillim të viteve 50. shekulli XX Kimistët amerikanë Linus Carl Pauling (1901-1994), dhanë çmimin Nobel për kërkimin mbi natyrën e lidhjeve kimike dhe Robert Corey (1897-1971) sugjeroi që disa seksione të zinxhirit të aminoacideve në proteina janë të përdredhura në një spirale. Falë përmirësimit të metodave eksperimentale (struktura e proteinave studiohet duke përdorur rreze X), ky supozim i shkëlqyer u konfirmua disa vite më vonë.

Në të vërtetë, zinxhirët polipeptidë shumë shpesh formojnë një spirale të përdredhur anën e djathtë. Ky është i pari, më nivel të ulët organizimi hapësinor i zinxhirëve proteinikë Këtu fillojnë të luajnë një rol ndërveprimet e dobëta të “rruazave”-aminoacideve: grupi C = 0 dhe grupi N - H nga lidhje të ndryshme peptide mund të krijojnë një lidhje hidrogjeni me njëri-tjetrin. Doli se në spiralen e zbuluar nga Pauling dhe Corey, një lidhje e tillë formohet midis grupit C = 0 të secilit aminoacid të i-të dhe grupit të aminoacideve N-H (i + 4)-të, d.m.th., amino acidet janë të lidhura me njëra-tjetrën mbetje të vendosura katër "rruaza" larg njëra-tjetrës. Këto lidhje hidrogjeni stabilizojnë një spirale të tillë në tërësi. Mori emrin a.-helix.

Më vonë doli se a-helix nuk është mënyra e vetme rregullimi i zinxhirëve të aminoacideve. Përveç spiraleve, ato formojnë edhe shtresa. Falë të njëjtave lidhje hidrogjenore midis grupeve C=0 dhe N-H, disa fragmente të ndryshme të një zinxhiri polipeptid mund të "ngjiten së bashku" menjëherë. Rezultati është një shtresë e tërë - quhet shtresa ^.

Në shumicën e proteinave, α-spiralet dhe fletët β janë të ndërthurura me të gjitha llojet e kthesave dhe fragmenteve të zinxhirit pa ndonjë strukturë specifike. Kur kanë të bëjnë me strukturën hapësinore të seksioneve individuale të një proteine, ata flasin për strukturën dytësore të molekulës së proteinës.

PROTEINA NË HAPËSIRË

Për të marrë një "portret" të plotë të një molekule proteine, njohuri për primare dhe strukturë dytësore jo mjaftueshëm. Ky informacion nuk jep ende një ide për vëllimin ose formën e molekulës, aq më pak vendndodhjen e seksioneve të zinxhirit në lidhje me njëri-tjetrin. Por të gjitha spiralet dhe shtresat janë vendosur disi në hapësirë. Struktura e përgjithshme hapësinore e zinxhirit polipeptid quhet struktura terciare e proteinës.

Modelet e para hapësinore të molekulave të proteinave - mioglobina dhe hemoglobina - u ndërtuan në fund të viteve '50. shekulli XX Biokimistët anglezë John Coudery Kendrew (lindur më 1917) dhe Max Ferdinand Perutz (lindur më 1914). Për ta bërë këtë, ata përdorën të dhëna nga eksperimentet me rreze X. Për kërkimin e tyre në strukturën e proteinave, Kendrew dhe Perutz u nderuan me Çmimin Nobel në 1962. Dhe në fund të shekullit, u përcaktua struktura terciare e disa mijëra proteinave.

Kur formohet struktura terciare e proteinës, grupi R - zinxhirët anësor të aminoacideve - më në fund shfaq aktivitet. Falë tyre, shumica e "rruazave" të aminoacideve "ngjiten së bashku", duke i dhënë zinxhirit një formë të caktuar në hapësirë.

Në një organizëm të gjallë, proteinat gjenden gjithmonë në një mjedis ujor. Dhe më së shumti numër i madh Ekzistojnë tetë aminoacide kryesore që përmbajnë grupe R jopolare. Sigurisht, proteina përpiqet të fshehë në mënyrë të besueshme zinxhirët anësore jopolare brenda molekulës së saj, në mënyrë që të kufizojë kontaktin e tyre me ujin. Shkencëtarët e quajnë këtë shfaqjen e ndërveprimeve hidrofobike (shiko artikullin "Njësia më e vogël e jetës").

Falë ndërveprimeve hidrofobike, i gjithë zinxhiri polipeptid merr një formë të caktuar në hapësirë, d.m.th., formon një strukturë terciare.

Ka forca të tjera në punë në një molekulë proteine. Disa nga vargjet anësore të aminoacideve kryesore janë të ngarkuar negativisht, dhe disa janë të ngarkuar pozitivisht. Meqenëse ngarkesat negative tërhiqen nga ato pozitive, "rruazat" përkatëse "ngjiten së bashku". Ndërveprimet elektrostatike, ose, siç quhen ndryshe, urat e kripës, janë një tjetër forcë e rëndësishme, duke stabilizuar strukturën terciare.

Shtatë aminoacide bazë kanë vargje anësore polare. Midis tyre mund të lindin lidhje hidrogjeni, të cilat gjithashtu luajnë një rol të rëndësishëm në ruajtjen e strukturës hapësinore të proteinës.

Lidhjet kovalente (-S-S-) formohen ndonjëherë midis dy mbetjeve të cisteinës së aminoacideve, të cilat fiksojnë shumë fort vendndodhjen e pjesëve të ndryshme të zinxhirit proteinik në raport me njëri-tjetrin. Lidhje të tilla quhen ura disulfide. Këto janë ndërveprimet më të pakta në proteina (në disa raste ato mungojnë plotësisht), por ato nuk kanë të barabartë në forcë.

NIVELI MË I LARTË I ORGANIZIMIT HAPËSINOR TË PROTEINAVE

Një molekulë proteine ​​mund të përbëhet jo nga një, por nga disa zinxhirë polipeptidikë. Çdo zinxhir i tillë përfaqëson një strukturë të pavarur hapësinore - një nën-njësi. Për shembull, proteina e hemoglobinës përbëhet nga katër nënnjësi që formojnë një molekulë të vetme, të vendosur në majat e një tetraedri pothuajse të rregullt. Nënnjësitë "ngjiten" me njëra-tjetrën për shkak të të njëjtave forca që stabilizojnë strukturën terciare. Këto janë ndërveprime hidrofobike, ura kripe dhe lidhje hidrogjenore.

Nëse një proteinë përbëhet nga disa nënnjësi, thuhet se ka një strukturë kuaternare. Kjo strukturë është niveli më i lartë organizimi i molekulës së proteinës. Ndryshe nga tre nivelet e para, jo të gjitha proteinat kanë një strukturë kuaternare. Përafërsisht gjysma e proteinave të njohura sot nuk e kanë atë.

PSE KETRAT KANË FRIKË NGA NxeHtësia?

Lidhjet që mbështesin strukturën hapësinore të proteinës shkatërrohen mjaft lehtë. Ne e dimë që nga fëmijëria se gjatë zierjes së vezëve, e bardha transparente e vezës shndërrohet në një masë të bardhë elastike dhe qumështi trashet kur thahet. Kjo ndodh për shkak të shkatërrimit të strukturës hapësinore të proteinave albuminë në të bardhën e vezës dhe kazeinës (ogglat. caseus - “djathë”) në qumësht. Ky proces quhet denatyrim. Në rastin e parë, shkaktohet nga ngrohja, dhe në të dytën, nga një rritje e konsiderueshme e aciditetit (si rezultat i aktivitetit të baktereve që jetojnë në qumësht). Gjatë denatyrimit, një proteinë humbet aftësinë e saj për të kryer funksionet e saj të qenësishme në trup (prandaj emri i procesit: nga latinishtja denaturare - "të privosh nga vetitë natyrore"). Proteinat e denatyruara përthithen më lehtë nga trupi, ndaj një nga qëllimet e përpunimit termik të produkteve ushqimore është denatyrimi i proteinave.

PSE JU DUHET NJË STRUKTURË HAPËSINORE?

Në natyrë, pothuajse asgjë nuk ndodh rastësisht. Nëse një proteinë ka marrë një formë të caktuar në hapësirë, ajo duhet të shërbejë për një qëllim. Në të vërtetë, vetëm një proteinë me strukturën hapësinore "të saktë" mund të ketë veti të caktuara, domethënë të kryejë ato funksione në trup që janë të përshkruara për të. Dhe ai e bën këtë me ndihmën e të njëjtave grupe R të aminoacideve. Rezulton se zinxhirët anësore jo vetëm që ruajnë formën "e saktë" të molekulës së proteinës në hapësirë. Grupet R mund të lidhin molekula të tjera organike dhe inorganike dhe të marrin pjesë në reaksione kimike, duke vepruar, për shembull, si një katalizator.

Shpesh vetë organizimi hapësinor i zinxhirit polipeptid është pikërisht ajo që nevojitet për të përqendruar në pika të caktuara në hapësirë ​​grupi i zinxhirëve anësor të nevojshëm për të kryer një funksion të caktuar pjesëmarrja e proteinave.

CILI ËSHTË SEKRETI I ENZIMËVE

Të gjitha reaksionet kimike që ndodhin në qelizë ndodhin për shkak të klasë e veçantë proteinat - enzimë atje. Këto janë proteina katalizatore. Ata kanë sekretin e tyre, i cili u lejon atyre të punojnë shumë më me efikasitet se katalizatorët e tjerë, duke përshpejtuar reagimet miliarda herë.

Supozoni se disa miq nuk mund të takohen. Por sapo njëri prej tyre ftoi miqtë në ditëlindjen e tij, rezultati nuk vonoi: të gjithë përfunduan në të njëjtin vend në kohën e caktuar.

Që takimi të zhvillohej, ishte e nevojshme të shtyheshin miqtë për të kontaktuar. Enzima bën të njëjtën gjë. Molekula e saj përmban të ashtuquajturat qendra lidhëse. Ato përmbajnë "kolltuqe komode" që janë tërheqëse për një lloj të caktuar të përbërjes kimike (dhe vetëm për ta!) - Grupe R që lidhin disa pjesë të molekulave të substancave reaguese. Për shembull, nëse njëra prej molekulave ka një grup jopolar, zinxhirët anësor hidrofobikë janë të vendosur në qendër të lidhjes. Nëse ka një ngarkesë negative në molekulë, një grup R me një ngarkesë pozitive do ta presë atë në molekulën e enzimës.

Si rezultat, të dy molekulat e reagentit lidhen me enzimën dhe e gjejnë veten në afërsi të njëra-tjetrës. Për më tepër, ato grupe të tyre që duhet të bashkohen reaksion kimik, i orientuar në hapësirë ​​në mënyrën e nevojshme për reaksionin. Tani zinxhirët anësor të enzimës, duke luajtur rolin e katalizatorëve, hyjnë në punë. Gjithçka në enzimë është "menduar" në atë mënyrë që grupet e katalizatorit R janë gjithashtu të vendosura afër vendit të ngjarjeve, i cili quhet qendra aktive. Dhe pasi të përfundojë reagimi, enzima "lëshon" molekulat e produktit (shih artikullin "Enzimat - një prizë e të gjitha tregtive").

NGA Vjen IMUNITETI?

Proteinat kryejnë shumë funksione në trup; ata, për shembull, mbrojnë qelizat nga ndërhyrjet e padëshiruara dhe i mbrojnë ato nga dëmtimi. Proteinat speciale - antitrupat - kanë aftësinë të njohin bakteret, viruset dhe molekulat e huaja të polimerit që kanë hyrë në qeliza dhe t'i neutralizojnë ato.

Në vertebrorët më të lartë, trupi mbron nga grimcat e huaja sistemi imunitar. Është projektuar në atë mënyrë që trupi, i cili është pushtuar nga "agresorë" të tillë - antigjene, të fillojë të prodhojë antitrupa. Molekula e antitrupave lidhet fort me antigjenin: antitrupat, si enzimat, gjithashtu kanë qendra lidhëse. Zinxhirët anësore të aminoacideve janë të vendosura në qendra në mënyrë të tillë që një antigjen i kapur në këtë kurth nuk do të jetë më në gjendje të shpëtojë nga "putrat e hekurt" të antitrupave. Pas lidhjes me antitrupin, armiku dëbohet nga trupi.

Ju mund të futni në trup një sasi të vogël të disa molekulave të polimerit që janë pjesë e baktereve ose viruseve që shkaktojnë ndonjë sëmundje infektive.

Antitrupat përkatës do të shfaqen menjëherë në trup. Tani një mikrob patogjen "i vërtetë" që ka hyrë në gjak ose limfë do të sulmohet menjëherë nga këto antitrupa dhe sëmundja do të mposhtet. Kjo metodë për të luftuar infeksionin nuk është gjë tjetër veçse një vaksinim, i cili nuk është i dashur nga shumë njerëz. Falë tij, trupi fiton imunitet ndaj sëmundjeve infektive.

ÇFARË ËSHTË HEKURI NË HEMOGLOBINE?

Në natyrë ka proteina që përveç aminoacideve përmbajnë edhe përbërës të tjerë kimikë, si lipide, sheqerna dhe jone metalike. Në mënyrë tipike, këta përbërës luajnë një rol të rëndësishëm në kryerjen e funksionit të saj biologjik nga proteina. Kështu, transferimi i molekulave dhe joneve nga një organ në tjetrin kryhet nga proteinat transportuese në plazmën e gjakut. Proteina e hemoglobinës (nga greqishtja "heme" - "gjak" dhe lat. globus - "top", "top"), e përmbajtur në qelizat e gjakut - eritrocite (nga greqishtja "erythros" - "e kuqe" dhe "kitos" - " qelizë"), dërgon oksigjen nga mushkëritë në inde. Molekula e hemoglobinës përmban një kompleks të jonit të hekurit Fe 24 "me një kompleks molekulë organike, i quajtur hemam. Hemoglobina përbëhet nga katër nënnjësi proteinash, dhe secila prej tyre përmban një hem.

Joni i hekurit merr pjesë drejtpërdrejt në lidhjen e oksigjenit në mushkëri. Sapo i shtohet oksigjen në të paktën një nga nënnjësitë, vetë joni menjëherë ndryshon pak vendndodhjen e tij në molekulën e proteinës. Lëvizja e hekurit "provokon" lëvizjen e të gjithë zinxhirit të aminoacideve të një nënnjësie të caktuar, e cila transformon pak strukturën e saj terciare.

Nën-njësia tjetër, e cila nuk ka shtuar ende oksigjen, "ndjen" atë që i ndodhi fqinjit të saj. Struktura e saj gjithashtu fillon të ndryshojë. Si rezultat, nën-njësia e dytë lidh oksigjenin më lehtë se e para. Shtimi i oksigjenit në njësinë e tretë dhe të katërt ndodh me më pak vështirësi. Siç mund ta shihni, nënnjësitë ndihmojnë njëra-tjetrën në punën e tyre. Kjo është arsyeja pse hemoglobina ka nevojë për një strukturë kuaternare. Monoksidi i karbonit CO (në gjuhën e folur monoksidi i karbonit) lidhet me hekurin në hemin qindra herë më të fortë se oksigjeni. Monoksidi i karbonit është vdekjeprurës për njerëzit, sepse privon hemoglobinën nga aftësia për të lidhur oksigjenin.

DHE MË SHUMË PROTEINA...

Shërbejnë si lëndë ushqyese. Farat e shumë bimëve (gruri, misri, orizi etj.) përmbajnë proteina ushqimore. Këto përfshijnë gjithashtu albuminën, përbërësin kryesor të të bardhës së vezës dhe kazeinën, proteinën kryesore të qumështit. Kur ushqimet proteinike treten në trupin e njeriut, ndodh hidroliza e lidhjeve peptide. Proteinat "çmontohen" në aminoacide individuale, nga të cilat trupi më pas "ndërton" peptide të reja ose i përdor ato për të marrë energji. Prandaj emri:

Fjala greke peptos do të thotë "i tretur". Është interesante se hidroliza e lidhjes peptide kontrollohet gjithashtu nga proteinat - enzimat.

Merrni pjesë në rregullimin e aktivitetit qelizor dhe fiziologjik. Proteinat e tilla përfshijnë shumë hormone (nga greqishtja "gormao" - "Unë zgjoj"), të tilla si insulina, e cila rregullon metabolizmin e glukozës dhe hormonin e rritjes.

Ato i japin trupit aftësinë për të ndryshuar formën dhe lëvizjen. Proteinat aktin dhe miozina, nga të cilat ndërtohen muskujt, janë përgjegjëse për këtë.

Ata kryejnë funksione mbështetëse dhe mbrojtëse, duke mbajtur së bashku strukturat biologjike dhe duke u dhënë atyre forcë. Lëkura është një proteinë pothuajse e pastër e kolagjenit, ndërsa flokët, thonjtë dhe puplat përbëhen nga një proteinë e fortë dhe e patretshme, keratin.

ÇFARË ËSHTË REGJISTRUAR NË GJENE

Sekuenca e aminoacideve në proteina është e koduar nga gjenet, të cilat ruhen dhe trashëgohen duke përdorur molekulat e ADN-së (shih artikujt "Mbajtësi i informacionit të trashëguar. ADN" dhe "Shprehja e gjeneve"). Struktura hapësinore e një proteine ​​përcaktohet saktësisht nga rendi i aminoacideve. Rezulton se jo vetëm strukturat parësore, por edhe ato dytësore, terciare dhe kuaternare të proteinave përbëjnë përmbajtjen e informacionit trashëgues. Rrjedhimisht, funksionet e kryera nga proteinat janë të programuara gjenetikisht. Lista e madhe e këtyre funksioneve lejon që proteinat të quhen me të drejtë molekulat kryesore të jetës. Prandaj, informacioni për proteinat është ai thesar i paçmuar që përcillet në natyrë nga brezi në brez.

Interesi i njeriut për këto komponime organike po rritet çdo vit. Sot, shkencëtarët kanë deshifruar tashmë strukturën e shumë molekulave të proteinave. Ata zbulojnë funksionet e një sërë proteinash dhe përpiqen të përcaktojnë marrëdhënien midis funksioneve dhe strukturës. Vendosja e ngjashmërive dhe dallimeve në proteinat që kryejnë funksione të ngjashme në organizma të ndryshëm të gjallë na lejon të depërtojmë më thellë në sekretet e evolucionit.

AMINOACIDET - TREGUESIT E MOSHËS

Format D dhe L të aminoacideve kanë aftësinë të shndërrohen shumë ngadalë në njëra-tjetrën. Gjatë një periudhe të caktuar (shumë të gjatë) kohore, një formë e pastër D ose I mund të bëhet një përzierje e sasive të barabarta të të dyja formave. Një përzierje e tillë quhet raiemag, dhe vetë procesi quhet raie-misaii. Shkalla e racemizimit varet nga temperatura dhe lloji i aminoacidit. Kjo pronë mund të përdoret për të përcaktuar moshën e mbetjeve fosile të organizmave dhe, nëse është e nevojshme, të qenieve të gjalla. Për shembull, në proteinën e dentinës (dentina është indi kockor i dhëmbëve), acidi 1-ac-partik metabolizohet në mënyrë spontane me një normë prej 0,1% në vit. Tek fëmijët, gjatë periudhës së formimit të dhëmbëve, dentina përmban vetëm 1-acid aspartik. Dentina izolohet nga dhëmbi dhe përcaktohet përmbajtja e saj në formë 0. Rezultatet e testit janë mjaft të sakta. Kështu, për një grua 97-vjeçare, mosha e së cilës ishte e dokumentuar, testi tregoi moshën 99-vjeçare. Të dhënat nga studimet e kryera mbi mbetjet fosile të kafshëve parahistorike - elefantëve, delfinëve, arinjve - janë në përputhje të mirë me rezultatet e datimit të marra me metodën e radionuklideve.

PËR ÇFARË MARI SANGER ÇMIMI NOBEL?

Kur proteinat hidrolizohen në aminoacide (shkatërrimi i lidhjes peptide nga uji), informacioni për sekuencën e lidhjes së tyre humbet. Prandaj, për një kohë të gjatë besohej se përcaktimi i strukturës parësore të një proteine ​​ishte një detyrë krejtësisht e pashpresë. Por në vitet '50. shekulli XX Biokimisti anglez Frederick Sanger (i lindur më 1918) ishte në gjendje të deshifronte sekuencën e aminoacideve në zinxhirët polipeptidikë të hormonit insulinë. Për këtë punë, e cila zgjati disa vite për t'u përfunduar, Sanger u nderua me çmimin Nobel në Kimi në 1958 (njëzet vjet më vonë, ai dhe W. Gilbert morën çmimin e dytë për kontributin e tyre në krijimin e strukturës parësore të ADN-së).

Parimet e përcaktimit të sekuencës së aminoacideve, të formuluara për herë të parë nga Sanger, përdoren ende sot, megjithatë, me të gjitha llojet e variacioneve dhe përmirësimeve. Procedura për vendosjen e strukturës parësore të një proteine ​​është komplekse dhe me shumë hapa: ka rreth një duzinë faza të ndryshme. Së pari, proteina ndahet në aminoacide individuale dhe përcaktohet lloji dhe sasia e tyre këtë substancë. Në fazën tjetër, një kohë e gjatë molekula proteinike Ata nuk ndahen më plotësisht, por në fragmente. Rendi i aminoacideve në këto fragmente përcaktohet më pas duke i ndarë në mënyrë sekuenciale njëra pas tjetrës. Ndarja e proteinave në fragmente kryhet në disa mënyra, në mënyrë që të ketë zona të mbivendosura në fragmente të ndryshme. Pasi zbuluan rendin e aminoacideve në të gjitha fragmentet, ata marrin informacion të plotë se si ndodhen aminoacidet në proteinë. Nga fundi i shekullit të 20-të. Janë krijuar pajisje speciale që përcaktojnë sekuencën e aminoacideve në një molekulë proteine ​​në modalitetin automatik - sekuencat (nga sekuenca angleze - "sekuenca").

Qumështi dhe produktet e qumështit

Qumështi është një zgjidhje koloidale e yndyrës në ujë. Në një mikroskop, është qartë e dukshme se është heterogjene: rruzullat e yndyrës notojnë në një tretësirë ​​të pangjyrë (serum).

Qumështi i lopës zakonisht përmban nga 3 deri në 6% yndyrë (kryesisht estere të glicerinës dhe acideve karboksilike të ngopura - palmitik, stearik), rreth 3% proteina, si dhe karbohidrate, acide organike, vitamina dhe minerale.

Proteina e kazeinës në qumësht është e pranishme në një formë të lidhur - grupet fosfate të lidhura në mënyrë kovalente me aminoacidin e serinës formojnë kripëra me jonet e kalciumit. Kur qumështi acidifikohet, këto kripëra shkatërrohen dhe kazeina lirohet në formën e një mase të bardhë të gjizë. Në stomakun e njeriut, nën ndikimin e enzimave të veçanta, ndodh një proces i quajtur "gjizë e kazeinës". Kazeina e gjizë precipiton dhe eliminohet nga trupi më ngadalë, dhe për këtë arsye përthithet më plotësisht. Kazeina është shumë ushqyese:

Ai përmban pothuajse të gjitha aminoacidet që një person ka nevojë për të ndërtuar proteinat e tij. Në formën e tij të pastër, është një pluhur i bardhë pa shije, i patretshëm në ujë. Përveç tij, qumështi përmban edhe proteina të tjera, si laktalbumina. Kur zihet, kjo proteinë kthehet në një formë të patretshme, duke formuar një shtresë karakteristike të bardhë në sipërfaqen e qumështit të zier - shkumë.

Sheqeri që përmban qumështi, laktoza C^HddO, është izomerik ndaj saharozës. Në trupin e njeriut, nën veprimin e enzimës së laktazës, ky sheqer zbërthehet në monosakaride glukozë dhe galaktozë, të cilat janë lehtësisht të tretshme. Për shkak të kësaj, për shembull, foshnjat plotësojnë rezervat e karbohidrateve. Është interesante që në shumë njerëz (kryesisht përfaqësues të racës Mongoloid) trupi është brenda mosha e pjekur humbet aftësinë për të zbërthyer laktozën.

Duke kaluar nëpër traktin e tretjes, laktoza nuk përthithet, por bëhet një terren pjellor për zhvillimin e patogjenëve të ndryshëm, gjë që çon në sëmundje të përgjithshme. Prandaj popujt Lindja e Largët(Japonezët, Kinezët) praktikisht nuk konsumojnë produkte qumështi në ushqimin e tyre.

Në kushte industriale, qumështi i nënshtrohet trajtimit termik, qëllimi i të cilit është të shtypë zhvillimin e mikroorganizmave dhe të zgjasë jetëgjatësinë e tij. Për ta bërë këtë, qumështi pasterizohet - mbahet për 30 minuta në 65 °C dhe përdoret gjithashtu trajtim termik afatshkurtër - ngrohet për 10-20 s në 71 °C. Krahasuar me pasterizimin, trajtimi termik ruan më mirë lëndët ushqyese, veçanërisht vitaminat. Për të parandaluar ndarjen e qumështit në krem ​​dhe hirrë, ai homogjenizohet - kalohet nën presion përmes vrimave të vogla. Grumbullat e yndyrës grimcohen, zvogëlohen në madhësi dhe qumështi bëhet më viskoz.

Një pjesë e konsiderueshme e qumështit përpunohet për prodhimin e gjalpit, djathit dhe produkteve të qumështit të fermentuar (kefir, qumësht i pjekur i fermentuar, kos, kosi).

Për të marrë kefir, qumështi fermentohet - mbahet për 8-10 orë në 20-25 ° C, duke shtuar një farë bakteri të acidit laktik. Nën ndikimin e tyre, laktoza shpërbëhet në acid laktik:

C„n„o„ + n,o = laktozë == 4CH3CH(OH)COOH. acid laktik (2-hidroksipropanoik).

Është acidi laktik që përcakton shijen specifike të kefirit. Ndërsa grumbullohet në tretësirë, ndodh koagulimi (koagulimi) i kazeinës, e cila lirohet në formë të lirë. Prandaj, kefiri ka një konsistencë më të trashë se qumështi. Fermentimi i acidit laktik i laktozës shoqërohet me fermentimi alkoolik, kjo është arsyeja pse produktet e qumështit të fermentuar, veçanërisht kefiri, përmbajnë një sasi të vogël alkooli (deri në 0.03%). Produktet e qumështit të fermentuar përmbajnë gjithashtu mikroorganizma që shtypin zhvillimin e baktereve patogjene dhe në këtë mënyrë përmirësojnë tretjen.

Gjiza prodhohet edhe nga fermentimi i qumështit me baktere të acidit laktik. Kryesorja e saj pjesë përbërëseështë proteina e kazeinës.

Për të përgatitur gjalpin, pikat e yndyrës që përbëjnë qumështin duhet të ndahen nga hirra. Për ta bërë këtë, kremi përzihet - shtresa e sipërme, më e yndyrshme formohet kur qumështi vendoset.

Kazeina është gjithashtu e përfshirë në djathë. Ato bëhen duke shtuar një fillestar bakterial dhe enzima të veçanta në qumësht, dhe më pas duke e ngrohur përzierjen në një temperaturë të caktuar. Enzimat rifuten në mpiksjen e lëshuar dhe nxehen. Në këtë rast, ndodh një ndryshim i pjesshëm në strukturën dhe përbërjen e kazeinës. Pastaj përzierja vendoset në kallëpe dhe mbahet për një kohë të gjatë - deri në gjashtë muaj - në një temperaturë të ulët (jo më të lartë se 15 ° C). Gjatë pjekjes, kazeina zbërthehet nga enzimat në polipeptide dhe aminoacide të lira. Disa aminoacide oksidohen nga oksigjeni i atmosferës, duke rezultuar në formimin e amoniakut, aldehideve dhe acideve keto, të cilat i japin djathit një aromë karakteristike.

Thithja e qumështit është një shembull i zakonshëm i denatyrimit të proteinave.

GJAK BAKRI

Në ujërat e ftohta të Rrymës Peruane në Oqeani Paqësor Aty jeton kallamari Dosidicus gigas. Trupi i tij në formë puro së bashku me tentakulat arrin një gjatësi prej 3.5 m, dhe masa e gjigantit mund të kalojë 150 kg. Minj të fuqishëm hedhin një rrjedhë uji me forcën me të cilën godet një zorrë zjarri, falë të cilit kallamari është në gjendje të lëvizë me shpejtësi deri në 40 km/h. Me sqepin e tij, i cili është shumë i fortë dhe i mprehtë, ai mund të presë një kabllo çeliku. Sipas dëshmitarëve okularë, kallamari fjalë për fjalë shqyen një peshk 20 kilogramësh në copa. Ky grabitqar i egër është shumë i rrezikshëm për njerëzit. Libri i Frank Lane "Mbretëria e Octapodit" thotë se "një person që bie në det në një vend ku ka shumë kallamar nuk do të mbijetojë për gjysmë minutë".

Për të "rimbushur" me energji, ky banor i oqeanit kërkon shumë oksigjen - të paktën 50 litra në orë. Oksigjeni që vjen nga uji i detit bartet në të gjithë trupin e kallamarit me ndihmën e një proteine ​​të veçantë që përmban bakër, hemoianin (nga greqishtja "hema" - "gjak" dhe "kianos" - "azure", "blu").

Vlen të përmendet se në gjakun e vertebrorëve, oksigjeni "transportohet" nga atomet e hekurit në përbërjen e hemit, një molekulë komplekse e veçantë që është pjesë e proteinës së hemoglobinës. Ato janë fjalë për fjalë të ngarkuara me qeliza të kuqe të gjakut - eritrocite. Molekula e hemoglobinës përmban katër fragmente heme, secila prej të cilave është e aftë të lidh një molekulë oksigjeni. Ndryshe nga hemoglobina, në hemoianinë atomet e bakrit lidhen drejtpërdrejt me molekulat e proteinave, të cilat nuk përfshihen në asnjë qelizë, por "notojnë" lirshëm në gjak. Por një molekulë e hemoiani

Ai është i aftë të lidhë deri në 200 atome bakri. Dhe një veçori tjetër e hemojaninës është se molekulat e saj janë të mëdha në madhësi, madje edhe për proteinat. Në proteinat "të zakonshme" që gjenden në vezë, qumësht, minj, peshë molekulare varion nga 6 mijë në 1 milion, dhe pesha molekulare e hemoianinës mund të arrijë në 10 milion! Është një nga proteinat më të mëdha; Vetëm komplekset proteinike të viruseve janë më të mëdha në madhësi dhe masë.

Hemoianina është një proteinë shumë e lashtë. Është më e thjeshtë se hemoglobina dhe jo aq efektive. Sidoqoftë, me një përmbajtje të ulët oksigjeni në ujin e detit, hemoianina furnizon me mjaft sukses indet e kafshëve me gjak të ftohtë. Kështu, presioni i oksigjenit në gushat e një karavidhe është vetëm 7 mm Hg. Art. (930 Pa), dhe në inde - 3 mm Hg. Art.; Për më tepër, përqendrimi i këtij gazi në gjakun e karavidheve është 20 herë më i lartë se në ujin e detit.

Përveç kallamarëve, oksigjeni transportohet nga "gjaku blu" edhe te krustacet dekapod (karavidhe, gaforre, karkaleca). Hemoianin u gjet në të gjithë cefalopodët(oktapod, kallamar, sepje), kërmijtë e ndryshëm, merimangat etj. Por nuk e kanë fistonët, gocat e detit dhe bivalvët e tjerë.

Sasia e hemoianinës në gjak mund të jetë shumë e ndryshme. Pra, në oktapodin e shkathët dhe gaforren patkua (një kafshë detare e llojit të artropodit), përqendrimi i kësaj proteine ​​të pazakontë arrin 10 g për 100 ml gjak - pothuajse e njëjta sasi hemoglobine në gjakun e njeriut. Në të njëjtën kohë, molusku ushqimor i ulur, abalone Hatiotis tuberculata përmban vetëm 0,03 g hemoanine në 100 ml gjak. Kjo është e kuptueshme: sa më aktive të jetë kafsha,

Sa më shumë oksigjen i nevojitet për të rimbushur kostot e energjisë, aq më i lartë është përqendrimi i proteinave që mbartin oksigjen në gjak.

Hemoianina u zbulua në vitet '60. Shekulli XIX, kur biologët vunë re se gjaku i cefalopodëve bëhet blu kur kalon nëpër gushë. Dhe në 1878, fiziologu belg Leon Frederic vërtetoi se ngjyra blu shkaktohet nga reagimi i oksigjenit me një proteinë që përmban bakër, të cilën ai e quajti hemoianin. Kur kjo e fundit humbet oksigjenin, ndryshe nga hemoglobina, bëhet e pangjyrë. Vlen të përmendet se Frederick përfundoi të gjithë punën për studimin e proteinës së re brenda një dite.

Nuk është e vështirë të nxirret plotësisht bakri nga hemoyanin. Për ta bërë këtë, mjafton që proteina të trajtohet në mungesë të oksigjenit me një reagent që lidhet fort me jonet e bakrit monovalent. Në të njëjtën mënyrë, ju mund të përcaktoni përmbajtjen e bakrit në hemoianin. I privuar nga ky metal, ai humbet aftësinë e tij për të transportuar oksigjen. Por nëse jonet Cu1 futen më pas në tretësirën e proteinës, hemoyanina rikthen aktivitetin e saj fiziologjik.

Kështu, u vërtetua se në mungesë të oksigjenit, bakri i hemoinës është në gjendje oksidimi +1. Kur ka një tepricë të këtij gazi, ndodh oksidimi i pjesshëm i metalit. Në këtë rast, ka gjithmonë dy atome bakri për molekulë oksigjeni të lidhur me hemoianinë. Kështu, oksigjeni oksidon saktësisht gjysmën e atomeve të bakrit. Ky është një tjetër ndryshim midis hemoianinës dhe hemoglobinës, e cila është shumë më e zakonshme në botën e kafshëve, në të cilën të gjithë atomet e hekurit janë të barabartë dhe kanë një ngarkesë +2 si në gjendje të lirë ashtu edhe në kompleks me oksigjenin.