Structura proteinelor

Proteinele sunt substanţe organice macromoleculare formate din lanţuri simple sau complexe de aminoacizi; ele sunt prezente în celulele tuturor organismelor vii în proporţie de peste 50% din greutatea uscată. Toate proteinele sunt polimeri ai aminoacizilor, în care secvenţa acestora este codificată de către o genă. Fiecare proteină are secvenţa ei unică de aminoacizi, determinată de secvenţa nucleotidică a genei. Proteinele sunt substanţe macromoleculare de natură polipeptidică, la construcţia cărora participă 20 de aminoacizi fundamentali. Proteinele sunt macromolecule informaţionale, cu secvenţe specifice de aminoacizi, sunt expresia epigenetică a genomului celular.

STRUCTURĂ:

Cu cât numărul de α-aminoacizi, care formează molecula unui compus de natură proteică este mai mare, cu atât problemele pe care le ridică structura acestor compuşi sunt mai complexe.Cercetările efectuate în acest domeniu, au condus la rezultate experimentale pe baza cărora se disting patru grade structurale sau niveluri de organizare, deosebindu-se prin complexitatea lor.Acestea au fost numite structuri primare, secundare, terţiare şi cuaternare.

a).Structura primară a unei proteine este determinată prin felul aminoacizilor, numărul lor şi succesiunea lor specifică, respectiv secvenţa lor. Structura primară redă totalitatea legăturilor covalente din moleculă, fiind denumită şi structură covalentă. Distanţele interatomice şi unghiurile de valenţă calculate sunt cele precizate de peptide.

Cunoaşterea structurii primare are o importanţă deosebită pentru înţelegerea rolurilor proteinelor. Prin studii de secvenţialitate s-a stabilit că o proteină dată are o structură unică, nu este un amestec de specii moleculare diferite, cum este cazul polimerilor de sinteză. S-a constatat că nu există regularitate în înlănţuirea aminoacizilor, nu există anumite secvenţe preferate faţă de altele, astfel că dacă la o proteină cu 100 de resturi de aminoacizi se cunoaşte natura şi secvenţa a 99 dintre ei, nu există nici o regulă care să permită prevederea celui de al 100-lea.

Structurile primare ale proteinelor constituie baza înţelegerii la nivel molecular a activităţii lor biologice. Prin compararea structurilor primare ale proteinelor care îndeplinesc funcţii omoloage la organisme diferite se poate stabili gradul de varietate structurală compatibilă cu o anumită funcţie. Secvenţa aminoacizilor într-o proteină este veriga între mesajul genetic înscris în ADN şi expresia acestui mesaj. S-au descoperit specii de proteine anormale (mutante) ca expresie a unor modificări la nivelul genomului. Aceste proteine anormale se pot manifesta sub forma unor boli - bolile moleculare.

Pentru determinarea structurii primare a substanţelor proteice este necesară cunoaşterea felului şi numărului α-aminoacizilor din care este format compusul proteic analizat (adică identificarea şi dozarea α-aminoacizilor) precum şi stabilirea secvenţei α-aminoacizilor, adică stabilirea ordinei în care aceştia se succed în moleculă.

b).Structura secundară se referă la forma şi la lungimea lanţurilor polipeptidice, proprietăţi induse de legăturile de hidrogen. Cele mai întâlnite tipuri de structură secundară sunt α-helixul şi lanţurile β.

contrast aminoacizii aromatici (triptofanul, tirosina şi fenilalanina, dar şi aminoacizii cu legare prin carbonul beta (izoleucina, valina şi treonina), adoptă configuraţia β.

Structura secundară cunoaşte cîteva ipoteze privind formarea ei:

T e o r i a p o l i p e p t i d i c ă formulată de către E. Hoffmeister în 1902 şi dezvoltată ulterior de către E.Fischer, are la bază conceptul conform căruia moleculele proteice sunt formate din lanţuri polipeptidice foarte lungi. Teoria are cîteva dezavantaje:

- nu explică diferenţierea biologică a anumitor proteine;

- unele proteine sunt rezistente la acţiunea enzimelor proteolitice (deşi datorită lungimii lanţului nu ar trebui);

T e o r i a p l i e r i i ş i r ă s u c i r i i l a n ţ u l u i p o l i p e p t i d i c a fost elaborată de către Corey şi Pauling în 1943 şi a fost confirmată prin spectrele de difracţie cu raze X, microscopului electronic , prin măsurarea unghiurilor de valenţă, a distanţelor interatomice, au confirmat faptul că lanţul polipeptidic se găseşte sub formă pliată.

Structura în foaie pliantă. Plierea catenei are loc prin formarea legăturilor de hidrogen între gruparea carboxilică a unui aminoacid şi gruparea aminică a aminoacidului vecin. Lanţul polipetidic pliat se prezintă ca o panglică îndoită alternativ la dreapta şi la stânga, plierea avînd loc în dreptul carbonilor metinici. Mai multe lanţuri pliate polipeptidice pliate dau naştere unei reţele, între aceste lanţuri pliate putîndu-se de asemenea forma legături de hidrogen, acestea fiind în număr mai mare cînd grupările terminale a 2 lanţuri sunt aranjate diferit (-NH2 şi COOH, sau HOOC-şi -NH2). Catenele polipeptidice pliate predomină în proteinele fibrilare şi mai puţin în cele globulare. După valoarea perioadei de identitate se cunosc mai multe tipuri de proteine cu structură pliată. Prin perioada de identitate se înţelege distanţa cea mai mică la care se repetă aminoacizii identici din moleculă.

Structura α-elicoidală, ipoteză lansată de Corey şi Pauling, ipoteză conform căreia lanţul polipeptidic se poate prezenta şi înfăşurat sub formă de spirală. În acest model, fiecare spiră conţine de obicei 27 aminoacizi, iar distanţa între spire este de 5,44 Å. Fiecare aminoacid măreşte spira cu 1,47 Å. În faţa fiecărei grupări -CO- va apare la o distanţă de 2,8Å o grupare NH de la al treilea aminoacid. Între aceste grupări se stabilesc punţile de hidrogen care asigură stabilitatea α helix-ului. În acest model lanţul polipeptidic se prezintă sub forma unui şurub cu pasul fie spre dreapta, fie spre stânga. În cazul proteinelor naturale, acestea datorită conţinutului în L-aminoacizi, pasul helixului va fi spre dreapta, catenele laterale ies în afara corpului propriu-zis putând reacţiona fie cu moleculele solventului, fie cu alte catene polipeptidice. Canalul format în interiorul helixului este foarte îngust, în el nu poate pătrunde molecula solventului. Legăturile peptidice sunt plane, iar 2 planuri consecutive -CO-NH- formează un unghi de 180°, rotirea lanţului se face la carbonul α(metinic).

c).Structura terţiară

Acest nivel de organizare înglobează structura secundară şi defineşte raporturile dintre segmentele de a-elice şi structură b, modul de împachetare a lanţului polipeptidic.

Prin intermediul cristalografiei cu raze X s-a dovedit faptul că macromoleculele proteice au o conformaţie tridimensională , realizată de obicei prin intermediul cuplării mai multor lanţuri polipeptidice scurte între ele, cuplare care duce la formarea fibrelor proteice; legăturile intercatenare pot fi principale sau secundare: