MODUL 1 STRUKTUR, SIFAT DAN FUNGSI PROTEIN

MODUL 1 STRUKTUR, SIFAT DAN FUNGSI PROTEIN

Struktur modul	Tema
Unit modular 1	1.1. Organisasi struktural protein. Tahapan pembentukan konformasi protein asli 1.2. Dasar-dasar fungsi protein. Obat sebagai ligan mempengaruhi fungsi protein 1.3. Denaturasi protein dan kemungkinan renativasi spontannya
Unit modular 2	1.4. Ciri-ciri struktur dan fungsi protein oligomer pada contoh hemoglobin 1.5. Pemeliharaan konformasi protein asli dalam kondisi seluler 1.6. Berbagai protein. Keluarga protein menggunakan contoh imunoglobulin 1.7. Sifat fisikokimia protein dan metode pemisahannya

Unit modular 1 ORGANISASI STRUKTUR PROTEIN MONOMER DAN DASAR FUNGSINYA

Tujuan pembelajaran Mampu:

1. Menggunakan pengetahuan tentang ciri-ciri struktural protein dan ketergantungan fungsi protein pada strukturnya untuk memahami mekanisme perkembangan proteinopati herediter dan didapat.

2. Menjelaskan mekanisme kerja terapeutik beberapa obat sebagai ligan yang berinteraksi dengan protein dan mengubah aktivitasnya.

3. Menggunakan pengetahuan tentang struktur dan labilitas konformasi protein untuk memahami ketidakstabilan struktural dan fungsionalnya serta kecenderungan denaturasinya dalam kondisi yang berubah.

4. Menjelaskan kegunaan bahan denaturasi sebagai alat untuk mensterilkan bahan dan instrumen kesehatan, serta sebagai antiseptik.

Tahu:

1. Tingkat organisasi struktural protein.

2. Pentingnya struktur primer protein, yang menentukan keanekaragaman struktural dan fungsionalnya.

3. Mekanisme pembentukan pusat aktif pada protein dan interaksi spesifiknya dengan ligan yang mendasari berfungsinya protein.

4. Contoh pengaruh ligan eksogen (obat, toksin, racun) terhadap konformasi dan aktivitas fungsional protein.

5. Penyebab dan akibat denaturasi protein, faktor penyebab denaturasi.

6. Contoh penggunaan faktor denaturasi dalam pengobatan sebagai antiseptik dan alat sterilisasi alat kesehatan.

TOPIK 1.1. ORGANISASI STRUKTUR PROTEIN. TAHAP PEMBENTUKAN ASLI

KONFORMASI PROTEIN

Protein adalah molekul polimer yang monomernya hanya 20 asam α-amino. Himpunan dan urutan kombinasi asam amino dalam suatu protein ditentukan oleh struktur gen dalam DNA individu. Setiap protein, sesuai dengan struktur spesifiknya, menjalankan fungsinya masing-masing. Kumpulan protein suatu organisme menentukan karakteristik fenotipiknya, serta adanya penyakit keturunan atau kecenderungan perkembangannya.

1. Asam amino penyusun protein. Ikatan peptida. Protein adalah polimer yang dibangun dari monomer - 20 asam α-amino, rumus umumnya adalah

Asam amino berbeda dalam struktur, ukuran, dan sifat fisikokimia radikal yang terikat pada atom karbon α. Gugus fungsi asam amino menentukan karakteristik sifat-sifat asam α-amino yang berbeda. Radikal yang terdapat pada asam α-amino dapat dibagi menjadi beberapa kelompok:

prolin, Berbeda dengan 19 monomer protein lainnya, prolin bukanlah asam amino, melainkan asam imino; radikal dalam prolin berasosiasi dengan atom karbon α dan gugus imino.

Asam amino bervariasi dalam kelarutan dalam air. Hal ini disebabkan kemampuan radikal berinteraksi dengan air (hidrat).

KE hidrofilik termasuk radikal yang mengandung anionik, kationik dan polar tidak bermuatan kelompok fungsional.

KE hidrofobik termasuk radikal yang mengandung gugus metil, rantai atau cincin alifatik.

2. Ikatan peptida menghubungkan asam amino membentuk peptida. Selama sintesis peptida, gugus α-karboksil dari satu asam amino berinteraksi dengan gugus α-amino dari asam amino lain untuk membentuk ikatan peptida:

Protein adalah polipeptida, mis. polimer linier dari asam α-amino yang dihubungkan ikatan peptida(Gbr. 1.1.)

Beras. 1.1. Istilah yang digunakan untuk menggambarkan struktur peptida

Monomer asam amino yang menyusun polipeptida disebut residu asam amino. Rantai kelompok yang berulang - NH-CH-CO- formulir tulang punggung peptida. Residu asam amino yang mempunyai gugus α-amino bebas disebut terminal-N, dan yang mempunyai gugus α-karboksil bebas disebut terminal-C. Peptida ditulis dan dibaca dari N-terminus ke C-terminus.

Ikatan peptida yang dibentuk oleh gugus imino prolin berbeda dari ikatan peptida lainnya: atom nitrogen pada gugus peptida kekurangan hidrogen,

sebaliknya, terdapat ikatan dengan radikal, akibatnya salah satu sisi cincin termasuk dalam tulang punggung peptida:

Peptida berbeda dalam komposisi asam amino, jumlah asam amino dan urutan ikatan asam amino, misalnya Ser-Ala-Glu-Gis dan His-Glu-Ala-Ser adalah dua peptida yang berbeda.

Ikatan peptida sangat kuat, dan hidrolisis kimia non-enzimatiknya memerlukan kondisi yang keras: protein yang dianalisis dihidrolisis dalam asam klorida pekat pada suhu sekitar 110° selama 24 jam. Dalam sel hidup, ikatan peptida dapat diputus oleh enzim proteolitik, ditelepon protease atau hidrolase peptida.

3. Struktur primer protein. Residu asam amino dalam rantai peptida protein yang berbeda tidak bergantian secara acak, tetapi tersusun dalam urutan tertentu. Urutan linier atau urutan pergantian residu asam amino dalam rantai polipeptida disebut struktur utama protein.

Struktur utama setiap protein individu dikodekan dalam molekul DNA (di wilayah yang disebut gen) dan diwujudkan selama transkripsi (menyalin informasi ke mRNA) dan translasi (sintesis struktur primer protein). Akibatnya, struktur utama protein seseorang adalah informasi yang diturunkan secara turun-temurun dari orang tua ke anak-anak, yang menentukan ciri-ciri struktural protein suatu organisme tertentu, yang menjadi sandaran fungsi protein yang ada (Gbr. 1.2.).

Beras. 1.2. Hubungan antara genotipe dan konformasi protein yang disintesis dalam tubuh individu

Masing-masing dari sekitar 100.000 protein individu dalam tubuh manusia miliki unik struktur primer. Molekul dari jenis protein yang sama (misalnya albumin) memiliki pergantian residu asam amino yang sama, yang membedakan albumin dari protein individu lainnya.

Urutan residu asam amino dalam rantai peptida dapat dianggap sebagai bentuk pencatatan informasi. Informasi ini menentukan susunan spasial rantai peptida linier menjadi struktur tiga dimensi yang lebih kompak yang disebut konformasi tupai. Proses pembentukan konformasi protein yang aktif secara fungsional disebut Melipat

4. Konformasi protein. Rotasi bebas pada tulang punggung peptida dimungkinkan antara atom nitrogen dari gugus peptida dan atom karbon α yang berdekatan, serta antara atom karbon α dan karbon dari gugus karbonil. Karena interaksi gugus fungsi residu asam amino, struktur primer protein dapat memperoleh struktur spasial yang lebih kompleks. Dalam protein globular, ada dua tingkat utama pelipatan konformasi rantai peptida: sekunder Dan struktur tersier.

Struktur sekunder protein adalah struktur spasial yang terbentuk sebagai hasil pembentukan ikatan hidrogen antara gugus fungsi -C=O dan -NH- dari tulang punggung peptida. Dalam hal ini, rantai peptida dapat memperoleh dua jenis struktur teratur: α-heliks Dan struktur β.

DI DALAM α-heliks ikatan hidrogen terbentuk antara atom oksigen dari gugus karbonil dan hidrogen dari nitrogen amino dari asam amino ke-4 darinya; rantai samping residu asam amino

terletak di sepanjang pinggiran spiral, tanpa berpartisipasi dalam pembentukan struktur sekunder (Gbr. 1.3.).

Radikal curah, atau radikal yang membawa muatan yang sama, mencegah pembentukan α-helix. Residu prolin, yang memiliki struktur cincin, memutus α-heliks, karena kurangnya hidrogen pada atom nitrogen dalam rantai peptida, tidak mungkin terbentuk ikatan hidrogen. Ikatan antara nitrogen dan atom karbon α merupakan bagian dari cincin prolin, sehingga tulang punggung peptida menjadi bengkok pada titik ini.

β-Struktur terbentuk antara daerah linier tulang punggung peptida dari satu rantai polipeptida, sehingga membentuk struktur terlipat. Rantai polipeptida atau bagiannya dapat terbentuk paralel atau struktur β antiparalel. Dalam kasus pertama, ujung N dan C dari rantai peptida yang berinteraksi bertepatan, dan pada kasus kedua, keduanya memiliki arah yang berlawanan (Gbr. 1.4).

Beras. 1.3. Struktur sekunder protein adalah α-heliks

Beras. 1.4. Struktur lembaran β paralel dan antiparalel

Struktur β ditunjukkan dengan panah lebar: A - Struktur β Antiparalel. B - Struktur lembaran β paralel

Pada beberapa protein, struktur β dapat terbentuk karena pembentukan ikatan hidrogen antara atom-atom tulang punggung peptida dari rantai polipeptida yang berbeda.

Juga ditemukan dalam protein daerah dengan sekunder tidak beraturan struktur, yang meliputi tikungan, putaran, dan putaran tulang punggung polipeptida. Mereka sering terletak di tempat di mana arah rantai peptida berubah, misalnya, ketika struktur lembaran β paralel terbentuk.

Berdasarkan keberadaan heliks α dan struktur β, protein globular dapat dibagi menjadi empat kategori.

Beras. 1.5. Struktur sekunder mioglobin (A) dan rantai β hemoglobin (B), mengandung delapan heliks α

Beras. 1.6. Struktur sekunder domain triosefosfat isomerase dan piruvat kinase

Beras. 1.7. Struktur sekunder dari domain konstan imunoglobulin (A) dan enzim superoksida dismutase (B)

DI DALAM kategori keempat termasuk protein yang mengandung sejumlah kecil struktur sekunder biasa. Protein ini termasuk protein kecil yang kaya sistein atau metalloprotein.

Struktur tersier protein- jenis konformasi yang terbentuk karena interaksi antara radikal asam amino, yang dapat ditempatkan pada jarak yang cukup jauh satu sama lain dalam rantai peptida. Kebanyakan protein membentuk struktur spasial menyerupai globule (protein globular).

Karena radikal asam amino hidrofobik cenderung bergabung melalui apa yang disebut interaksi hidrofobik dan gaya van der Waals antarmolekul, inti hidrofobik padat terbentuk di dalam globul protein. Radikal terionisasi hidrofilik dan non-terionisasi terutama terletak di permukaan protein dan menentukan kelarutannya dalam air.

Beras. 1.8. Jenis ikatan yang timbul antara radikal asam amino selama pembentukan struktur tersier suatu protein

1 - ikatan ionik- terjadi antara gugus fungsi yang bermuatan positif dan negatif;

2 - ikatan hidrogen- terjadi antara gugus hidrofilik tak bermuatan dan gugus hidrofilik lainnya;

3 - interaksi hidrofobik- timbul di antara radikal hidrofobik;

4 - ikatan disulfida- terbentuk karena oksidasi gugus SH residu sistein dan interaksinya satu sama lain

Residu asam amino hidrofilik yang terletak di dalam inti hidrofobik dapat berinteraksi satu sama lain menggunakan ionik Dan ikatan hidrogen(Gbr. 1.8).

Ikatan ionik dan hidrogen, serta interaksi hidrofobik, lemah: energinya tidak jauh lebih tinggi daripada energi gerak termal molekul pada suhu kamar. Konformasi protein dipertahankan dengan pembentukan banyak ikatan lemah. Karena atom-atom yang membentuk protein terus bergerak, beberapa ikatan lemah dapat diputus dan membentuk ikatan lain, yang menyebabkan sedikit pergerakan pada masing-masing bagian rantai polipeptida. Sifat protein untuk mengubah konformasi sebagai akibat putusnya sebagian dan pembentukan ikatan lemah lainnya disebut labilitas konformasi.

Tubuh manusia mempunyai sistem yang mendukung homeostatis- konsistensi lingkungan internal dalam batas tertentu yang dapat diterima untuk kesehatan tubuh. Dalam kondisi homeostatis, perubahan kecil pada konformasi tidak mengganggu keseluruhan struktur dan fungsi protein. Konformasi protein yang aktif secara fungsional disebut konformasi asli. Perubahan lingkungan internal (misalnya konsentrasi glukosa, ion Ca, proton, dll) menyebabkan perubahan konformasi dan terganggunya fungsi protein.

Struktur tersier beberapa protein menjadi stabil ikatan disulfida, terbentuk karena interaksi gugus -SH dari dua residu

Beras. 1.9. Pembentukan ikatan disulfida dalam molekul protein

sistein (Gbr. 1.9). Kebanyakan protein intraseluler tidak memiliki ikatan kovalen disulfida pada struktur tersiernya. Kehadiran mereka merupakan karakteristik protein yang disekresikan oleh sel, yang menjamin stabilitasnya yang lebih besar dalam kondisi ekstraseluler. Dengan demikian, ikatan disulfida terdapat dalam molekul insulin dan imunoglobulin.

Insulin- hormon protein yang disintesis di sel pankreas dan disekresikan ke dalam darah sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi glukosa dalam darah. Dalam struktur insulin, terdapat dua ikatan disulfida yang menghubungkan rantai polipeptida A dan B, dan satu ikatan disulfida dalam rantai A (Gbr. 1.10).

Beras. 1.10. Ikatan disulfida dalam struktur insulin

5. Struktur protein supersekunder. Pada protein dengan struktur dan fungsi primer yang berbeda, terkadang terdeteksi kombinasi serupa dan posisi relatif struktur sekunder, yang disebut struktur supersekunder. Ia menempati posisi perantara antara struktur sekunder dan tersier, karena merupakan kombinasi spesifik elemen struktur sekunder dalam pembentukan struktur tersier protein. Struktur supersekunder memiliki nama spesifik, seperti “α-helix-turn-a-helix”, “leucine ritsleting”, “jari seng”, dll. Struktur supersekunder tersebut merupakan karakteristik protein pengikat DNA.

"Ritsleting leusin." Jenis struktur supersekunder ini digunakan untuk menggabungkan dua protein menjadi satu. Pada permukaan protein yang berinteraksi terdapat daerah heliks α yang mengandung setidaknya empat residu leusin. Residu leusin dalam α-heliks terletak terpisah enam asam amino. Karena setiap putaran α-heliks mengandung 3,6 residu asam amino, radikal leusin terletak di permukaan setiap putaran kedua. Residu leusin dari α-heliks suatu protein dapat berinteraksi dengan residu leusin dari protein lain (interaksi hidrofobik), menghubungkan keduanya (Gbr. 1.11.). Banyak protein pengikat DNA berfungsi dalam kompleks oligomer di mana masing-masing subunit dihubungkan satu sama lain melalui “ritsleting leusin”.

Beras. 1.11. "Ritsleting leusin" antara daerah heliks α dari dua protein

Contoh protein tersebut adalah histon. sejarah- protein nuklir, yang meliputi sejumlah besar asam amino bermuatan positif - arginin dan lisin (hingga 80%). Molekul histon digabungkan menjadi kompleks oligomer yang mengandung delapan monomer menggunakan “ritsleting leusin”, meskipun molekul-molekul ini memiliki muatan homonim yang signifikan.

"jari seng"- varian struktur supersekunder, karakteristik protein pengikat DNA, berbentuk fragmen memanjang pada permukaan protein dan mengandung sekitar 20 residu asam amino (Gbr. 1.12). Bentuk “jari terentang” didukung oleh atom seng yang terikat pada empat radikal asam amino - dua residu sistein dan dua residu histidin. Dalam beberapa kasus, selain residu histidin, terdapat residu sistein. Dua residu sistein yang letaknya berdekatan dipisahkan dari dua residu Gisili lainnya melalui rangkaian Cys yang terdiri dari sekitar 12 residu asam amino. Wilayah protein ini membentuk α-heliks, yang radikalnya dapat secara spesifik berikatan dengan wilayah pengatur alur utama DNA. Kekhususan pengikatan individu

Beras. 1.12. Struktur utama wilayah protein pengikat DNA yang membentuk struktur “jari seng” (huruf menunjukkan asam amino yang menyusun struktur ini)

Protein pengikat DNA pengatur bergantung pada urutan residu asam amino yang terletak di daerah jari seng. Struktur tersebut mengandung, khususnya, reseptor hormon steroid yang terlibat dalam regulasi transkripsi (membaca informasi dari DNA ke RNA).

TOPIK 1.2. DASAR FUNGSI PROTEIN. OBAT SEBAGAI LIGAND YANG MEMPENGARUHI FUNGSI PROTEIN

1. Pusat aktif protein dan interaksinya dengan ligan. Selama pembentukan struktur tersier, suatu daerah terbentuk pada permukaan protein yang aktif secara fungsional, biasanya dalam suatu ceruk, dibentuk oleh radikal asam amino yang berjauhan satu sama lain dalam struktur primer. Wilayah ini, yang memiliki struktur unik untuk protein tertentu dan mampu berinteraksi secara spesifik dengan molekul tertentu atau kelompok molekul serupa, disebut situs pengikatan protein-ligan atau situs aktif. Ligan adalah molekul yang berinteraksi dengan protein.

Spesifisitas tinggi Interaksi protein dengan ligan dijamin oleh struktur pusat aktif yang saling melengkapi dengan struktur ligan.

Komplementaritas- ini adalah korespondensi spasial dan kimia dari permukaan yang berinteraksi. Pusat aktif tidak hanya harus sesuai secara spasial dengan ligan yang termasuk di dalamnya, tetapi juga ikatan (interaksi ionik, hidrogen, dan hidrofobik) harus terbentuk antara gugus fungsi radikal yang termasuk dalam pusat aktif dan ligan yang menahan ligan. di pusat aktif (Gbr. 1.13 ).

Beras. 1.13. Interaksi komplementer protein dengan ligan

Beberapa ligan, ketika melekat pada pusat aktif suatu protein, memainkan peran tambahan dalam fungsi protein. Ligan seperti itu disebut kofaktor, dan protein yang mengandung bagian non-protein disebut protein kompleks(berlawanan dengan protein sederhana, hanya terdiri dari bagian protein). Bagian bukan protein yang terikat kuat pada protein disebut kelompok prostetik. Misalnya, mioglobin, hemoglobin, dan sitokrom mengandung gugus prostetik, heme, yang mengandung ion besi, terikat kuat pada pusat aktif. Protein kompleks yang mengandung heme disebut hemoprotein.

Ketika ligan tertentu melekat pada protein, fungsi protein ini terwujud. Jadi, albumin, protein terpenting dalam plasma darah, menunjukkan fungsi transpornya dengan menempelkan ligan hidrofobik, seperti asam lemak, bilirubin, obat-obatan tertentu, dll. ke pusat aktif (Gbr. 1.14)

Ligan yang berinteraksi dengan struktur tiga dimensi rantai peptida tidak hanya berupa molekul organik dan anorganik dengan berat molekul rendah, tetapi juga makromolekul:

DNA (contoh protein pengikat DNA dibahas di atas);

Polisakarida;

Beras. 1.14. Hubungan antara genotipe dan fenotipe

Struktur primer unik protein manusia, yang dikodekan dalam molekul DNA, diwujudkan dalam sel dalam bentuk konformasi unik, struktur pusat aktif, dan fungsi protein.

Dalam kasus ini, protein mengenali wilayah tertentu dari ligan yang sepadan dan saling melengkapi dengan tempat pengikatan. Jadi, pada permukaan hepatosit terdapat protein reseptor untuk hormon insulin, yang juga dimilikinya struktur protein. Interaksi insulin dengan reseptor menyebabkan perubahan konformasi dan aktivasi sistem sinyal, yang menyebabkan penyimpanan nutrisi di hepatosit setelah makan.

Dengan demikian, Fungsi protein didasarkan pada interaksi spesifik pusat aktif protein dengan ligan.

2. Struktur domain dan perannya dalam fungsi protein. Rantai polipeptida panjang dari protein globular sering kali terlipat menjadi beberapa daerah yang kompak dan relatif independen. Mereka memiliki struktur tersier independen, mengingatkan pada struktur protein globular, dan disebut domain. Karena struktur domain protein, struktur tersiernya lebih mudah dibentuk.

Dalam protein domain, situs pengikatan ligan sering kali terletak di antara domain. Jadi, trypsin adalah enzim proteolitik yang diproduksi oleh bagian eksokrin pankreas dan diperlukan untuk pencernaan protein makanan. Ia memiliki struktur dua domain, dan pusat pengikatan trypsin dengan ligannya - protein makanan - terletak di alur antara dua domain. Di pusat aktif, kondisi yang diperlukan untuk pengikatan efektif bagian tertentu dari protein makanan dan hidrolisis ikatan peptidanya tercipta.

Domain yang berbeda dalam suatu protein dapat berpindah relatif satu sama lain ketika pusat aktif berinteraksi dengan ligan (Gbr. 1.15).

Heksokinase- enzim yang mengkatalisis fosforilasi glukosa menggunakan ATP. Situs aktif enzim terletak pada celah antara dua domain. Ketika heksokinase berikatan dengan glukosa, domain di sekitarnya menutup dan substrat menjadi terperangkap, tempat terjadinya fosforilasi (lihat Gambar 1.15).

Beras. 1.15. Pengikatan domain heksokinase ke glukosa

Pada beberapa protein, domain menjalankan fungsi independen dengan mengikat berbagai ligan. Protein semacam itu disebut multifungsi.

3. Obat adalah ligan yang mempengaruhi fungsi protein. Interaksi protein dengan ligan bersifat spesifik. Namun, karena labilitas konformasi protein dan pusat aktifnya, zat lain dapat dipilih yang juga dapat berinteraksi dengan protein di pusat aktif atau bagian lain dari molekul.

Suatu zat yang strukturnya mirip dengan ligan alami disebut analog struktural ligan atau ligan non-alami. Ia juga berinteraksi dengan protein di situs aktif. Analog struktural ligan dapat meningkatkan fungsi protein (agonis), dan menguranginya (antagonis). Ligan dan analog strukturalnya bersaing satu sama lain untuk berikatan dengan protein di tempat yang sama. Zat yang demikian disebut modulator kompetitif(pengatur) fungsi protein. Banyak obat bertindak sebagai penghambat protein. Beberapa di antaranya diperoleh dengan modifikasi kimia ligan alami. Penghambat fungsi protein dapat berupa obat dan racun.

Atropin adalah penghambat kompetitif reseptor M-kolinergik. Asetilkolin adalah neurotransmitter untuk transmisi impuls saraf melalui sinapsis kolinergik. Untuk melakukan eksitasi, asetilkolin yang dilepaskan ke celah sinaptik harus berinteraksi dengan protein reseptor membran postsinaptik. Ditemukan dua jenis reseptor kolinergik:

reseptor M selain asetilkolin, ia secara selektif berinteraksi dengan muscarine (toksin lalat agaric). M - reseptor kolinergik terdapat pada otot polos dan, ketika berinteraksi dengan asetilkolin, menyebabkan kontraksinya;

reseptor H khusus mengikat nikotin. Reseptor N-kolinergik ditemukan di sinapsis otot rangka lurik.

Penghambat spesifik Reseptor M-kolinergik adalah atropin. Hal ini ditemukan di tanaman belladonna dan henbane.

Atropin memiliki gugus fungsi yang mirip strukturnya dengan asetilkolin dan susunan spasialnya, oleh karena itu atropin merupakan penghambat kompetitif reseptor M-kolinergik. Mengingat pengikatan asetilkolin dengan reseptor M-kolinergik menyebabkan kontraksi otot polos, maka atropin digunakan sebagai obat yang meredakan kejangnya. (antispasmodik). Oleh karena itu, diketahui penggunaan atropin untuk mengendurkan otot mata saat melihat fundus, serta untuk meredakan kejang pada kolik gastrointestinal. Reseptor M-kolinergik juga terdapat di pusat sistem saraf(SSP), oleh karena itu atropin dosis besar dapat menyebabkan reaksi yang tidak diinginkan dari sistem saraf pusat: agitasi motorik dan mental, halusinasi, kejang.

Ditilin adalah agonis kompetitif reseptor H-kolinergik, menghambat fungsi sinapsis neuromuskular.

Sinapsis neuromuskular otot rangka mengandung reseptor H-kolinergik. Interaksi mereka dengan asetilkolin menyebabkan kontraksi otot. Selama beberapa operasi bedah, serta dalam pemeriksaan endoskopi, obat-obatan digunakan yang menyebabkan relaksasi otot rangka (relaksan otot). Ini termasuk dithiline, yang merupakan analog struktural asetilkolin. Ia menempel pada reseptor H-kolinergik, tetapi tidak seperti asetilkolin, ia dihancurkan dengan sangat lambat oleh enzim asetilkolinesterase. Akibat pembukaan saluran ion yang berkepanjangan dan depolarisasi membran yang terus-menerus, konduksi impuls saraf terganggu dan terjadi relaksasi otot. Awalnya, sifat-sifat ini ditemukan dalam racun curare, itulah sebabnya obat tersebut disebut seperti curare.

TOPIK 1.3. DENATURASI PROTEIN DAN KEMUNGKINAN RENATIVASI SPONTANNYA

1. Karena konformasi asli protein dipertahankan karena interaksi yang lemah, perubahan komposisi dan sifat lingkungan sekitar protein, paparan reagen kimia dan faktor fisik menyebabkan perubahan konformasi (sifat labilitas konformasi). Pemutusan ikatan dalam jumlah besar menyebabkan rusaknya konformasi asli dan denaturasi protein.

Denaturasi protein- ini adalah penghancuran konformasi aslinya di bawah pengaruh zat denaturasi, yang disebabkan oleh putusnya ikatan lemah yang menstabilkan struktur spasial protein. Denaturasi disertai dengan rusaknya struktur tiga dimensi unik dan pusat aktif protein serta hilangnya aktivitas biologisnya (Gbr. 1.16).

Semua molekul terdenaturasi dari satu protein memperoleh konformasi acak yang berbeda dari molekul lain dari protein yang sama. Radikal asam amino yang membentuk pusat aktif ternyata berjauhan secara spasial satu sama lain, yaitu. situs pengikatan spesifik protein dengan ligan dihancurkan. Selama denaturasi, struktur utama protein tetap tidak berubah.

Penerapan agen denaturasi dalam penelitian biologi dan kedokteran. DI DALAM penelitian biokimia Sebelum menentukan senyawa dengan berat molekul rendah dalam bahan biologis, protein biasanya dihilangkan terlebih dahulu dari larutan. Asam trikloroasetat (TCA) paling sering digunakan untuk tujuan ini. Setelah menambahkan TCA ke dalam larutan, protein yang terdenaturasi mengendap dan mudah dihilangkan dengan penyaringan (Tabel 1.1.)

Dalam pengobatan, bahan pendenaturasi sering digunakan untuk mensterilkan peralatan dan bahan medis dalam autoklaf (bahan pendenaturasi adalah suhu tinggi) dan sebagai antiseptik (alkohol, fenol, kloramin) untuk merawat permukaan terkontaminasi yang mengandung mikroflora patogen.

2. Reaktivasi protein secara spontan- bukti determinisme struktur primer, konformasi dan fungsi protein. Protein individu adalah produk dari satu gen yang memiliki urutan asam amino yang identik dan memperoleh konformasi yang sama di dalam sel. Kesimpulan mendasar bahwa struktur primer suatu protein sudah berisi informasi tentang konformasi dan fungsinya dibuat berdasarkan kemampuan beberapa protein (khususnya, ribonuklease dan mioglobin) untuk melakukan reaktifasi secara spontan - mengembalikan konformasi aslinya setelah denaturasi.

Pembentukan struktur protein spasial dilakukan dengan metode self-assembly - suatu proses spontan di mana rantai polipeptida, yang memiliki struktur primer unik, cenderung mengadopsi konformasi dengan energi bebas terendah dalam larutan. Kemampuan untuk mengaktifkan kembali protein yang mempertahankan struktur primernya setelah denaturasi dijelaskan dalam percobaan dengan enzim ribonuklease.

Ribonuklease adalah enzim yang memecah ikatan antara nukleotida individu dalam molekul RNA. Protein globular ini mempunyai satu rantai polipeptida, struktur tersiernya distabilkan oleh banyak ikatan lemah dan empat ikatan disulfida.

Perlakuan ribonuklease dengan urea, yang memutus ikatan hidrogen dalam molekul, dan zat pereduksi, yang memutus ikatan disulfida, menyebabkan denaturasi enzim dan hilangnya aktivitasnya.

Penghapusan agen denaturasi melalui dialisis mengarah pada pemulihan konformasi dan fungsi protein, yaitu untuk kelahiran kembali. (Gbr. 1.17).

Beras. 1.17. Denaturasi dan renativasi ribonuklease

A - konformasi asli ribonuklease, dalam struktur tersiernya terdapat empat ikatan disulfida; B - molekul ribonuklease terdenaturasi;

B - molekul ribonuklease yang diaktifkan kembali dengan struktur dan fungsi yang dipulihkan

1. Isi tabel 1.2.

Tabel 1.2. Klasifikasi asam amino menurut polaritas radikalnya

2. Tuliskan rumus tetrapeptida:

Asp - Pro - Fen - Liz

a) menyoroti gugus berulang dalam peptida yang membentuk tulang punggung peptida dan gugus variabel yang diwakili oleh radikal asam amino;

b) memberi label pada ujung N dan C;

c) menyorot ikatan peptida;

d) tulis peptida lain yang terdiri dari asam amino yang sama;

d) hitung jumlahnya pilihan yang memungkinkan tetrapeptida dengan komposisi asam amino serupa.

3. Jelaskan peran struktur primer protein dengan menggunakan contoh analisis komparatif dua hormon peptida neurohipofisis mamalia yang serupa secara struktural dan dekat secara evolusioner - oksitosin dan vasopresin (Tabel 1.3).

Tabel 1.3. Struktur dan fungsi oksitosin dan vasopresin

Untuk ini:

a) membandingkan komposisi dan urutan asam amino dari dua peptida;

b) menemukan kesamaan struktur utama kedua peptida dan kesamaan tindakan biologisnya;

c) menemukan perbedaan struktur dua peptida dan perbedaan fungsinya;

d) menarik kesimpulan tentang pengaruh struktur primer peptida terhadap fungsinya.

4. Jelaskan tahapan utama pembentukan konformasi protein globular (sekunder, struktur tersier, konsep struktur supersekunder). Tunjukkan jenis ikatan yang terlibat dalam pembentukan struktur protein. Radikal asam amino manakah yang dapat berpartisipasi dalam pembentukan interaksi hidrofobik, ionik, ikatan hidrogen.

Berikan contoh.

5. Definisikan konsep "labilitas konformasi protein", tunjukkan alasan keberadaan dan signifikansinya.

6. Perluas arti dari frasa berikut: “Fungsi protein didasarkan pada interaksi spesifiknya dengan ligan”, dengan menggunakan istilah dan penjelasan maknanya: konformasi protein, pusat aktif, ligan, saling melengkapi, fungsi protein.

7. Dengan menggunakan satu contoh, jelaskan apa itu domain dan apa perannya dalam fungsi protein.

TUGAS PENGENDALIAN DIRI

1. Cocok.

Gugus fungsi dalam radikal asam amino:

A. Gugus karboksil B. Gugus hidroksil C Gugus guanidin D. Gugus tiol E. Gugus amino

2. Pilihlah jawaban yang benar.

Asam amino dengan radikal tak bermuatan polar adalah:

A. Cis B. Asn

B. Glu G. Tiga

3. Pilihlah jawaban yang benar.

Radikal asam amino:

A. Memberikan kekhususan struktur primer B. Berpartisipasi dalam pembentukan struktur tersier

B. Terletak di permukaan protein, mempengaruhi kelarutannya D. Membentuk pusat aktif

D. Berpartisipasi dalam pembentukan ikatan peptida

4. Pilihlah jawaban yang benar.

Interaksi hidrofobik dapat terbentuk antara radikal asam amino:

A. Tre Lay B. Pro Tiga

B. Bertemu Ile G. Tir Ala D. Val Fen

5. Pilihlah jawaban yang benar.

Ikatan ionik dapat terbentuk antara radikal asam amino:

A. Gln Asp B. Apr Liz

B.Liz Glu G.Gis Asp D.Asn Apr

6. Pilihlah jawaban yang benar.

Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara radikal asam amino:

A. Ser Gln B. Cis Tre

B. Asp Liz G. Glu Asp D. Asn Tre

7. Cocok.

Jenis ikatan yang terlibat dalam pembentukan struktur protein:

A. Struktur primer B. Struktur sekunder

B. Struktur tersier

D. Struktur Supersekunder E. Konformasi.

1. Ikatan hidrogen antar atom tulang punggung peptida

2. Lemahnya ikatan antar gugus fungsi radikal asam amino

3. Ikatan antara gugus α-amino dan α-karboksil asam amino

8. Pilihlah jawaban yang benar. Tripsin:

A. Enzim proteolitik B. Berisi dua domain

B. Menghidrolisis pati

D. Situs aktif terletak di antara domain. D. Terdiri dari dua rantai polipeptida.

9. Pilihlah jawaban yang benar. Atropin:

A.Neurotransmitter

B. Analog struktural asetilkolin

B. Berinteraksi dengan reseptor H-kolinergik

D. Memperkuat konduksi impuls saraf melalui sinapsis kolinergik

D. Penghambat kompetitif reseptor M-kolinergik

10. Pilihlah pernyataan yang benar. Dalam protein:

A. Struktur primer berisi informasi tentang struktur situs aktifnya

B. Pusat aktif terbentuk pada tingkat struktur primer

B. Konformasinya ditetapkan secara kaku oleh ikatan kovalen

D. Situs aktif dapat berinteraksi dengan sekelompok ligan serupa

karena labilitas konformasi protein D. Perubahan lingkungan, dapat mempengaruhi afinitas aktif

pusat ke ligan

1.1-B, 2-G, 3-B.

3.A,B,C,D.

7. 1-B, 2-D, 3-A.

8.A,B,C,D.

SYARAT DAN KONSEP DASAR

1. Protein, polipeptida, asam amino

2. Struktur protein primer, sekunder, tersier

3. Konformasi, konformasi protein asli

4. Ikatan kovalen dan lemah pada protein

5. Labilitas konformasi

6. Situs aktif protein

7. Ligan

8. Pelipatan protein

9. Analog struktur ligan

10. Protein domain

11. Protein sederhana dan kompleks

12. Denaturasi protein, zat pendenaturasi

13. Reaktivasi protein

Menyelesaikan masalah

“Organisasi struktural protein dan dasar fungsinya”

1. Fungsi utama protein - hemoglobin A (HbA) adalah pengangkutan oksigen ke jaringan. Dalam populasi manusia, berbagai bentuk protein ini diketahui mengalami perubahan sifat dan fungsi - yang disebut hemoglobin abnormal. Misalnya, hemoglobin S, yang ditemukan dalam sel darah merah pasien dengan penyakit sel sabit (HbS), diketahui memiliki kelarutan yang rendah dalam kondisi tekanan parsial oksigen yang rendah (seperti halnya pada darah vena). Hal ini mengarah pada pembentukan agregat protein ini. Protein kehilangan fungsinya, mengendap, dan sel darah merah bertambah bentuknya tidak beraturan(beberapa di antaranya berbentuk sabit) dan dihancurkan lebih cepat dari biasanya di limpa. Akibatnya, anemia sel sabit berkembang.

Satu-satunya perbedaan dalam struktur primer HbA ditemukan di wilayah N-terminal rantai β hemoglobin. Bandingkan daerah N-terminal dari untai β dan tunjukkan bagaimana perubahan struktur primer protein mempengaruhi sifat dan fungsinya.

Untuk ini:

a) tuliskan rumus asam amino yang membedakan HbA dan bandingkan sifat asam amino tersebut (polaritas, muatan).

b) menarik kesimpulan tentang penyebab penurunan kelarutan dan terganggunya pengangkutan oksigen ke jaringan.

2. Gambar tersebut menunjukkan diagram struktur protein yang mempunyai pusat pengikatan dengan ligan (pusat aktif). Jelaskan mengapa protein bersifat selektif dalam pemilihan ligannya. Untuk ini:

a) ingat apa itu pusat aktif suatu protein dan perhatikan struktur pusat aktif protein yang ditunjukkan pada gambar;

b) tuliskan rumus radikal asam amino yang menyusun pusat aktif;

c) menggambar ligan yang secara spesifik dapat berinteraksi dengan situs aktif protein. Tunjukkan gugus fungsi yang dapat membentuk ikatan dengan radikal asam amino yang membentuk pusat aktif;

d) menunjukkan jenis ikatan yang timbul antara ligan dan radikal asam amino pusat aktif;

e) menjelaskan kekhususan interaksi protein-ligan berdasarkan apa.

3. Gambar tersebut menunjukkan situs aktif protein dan beberapa ligan.

Tentukan ligan mana yang paling mungkin berinteraksi dengan situs aktif protein dan alasannya.

Jenis ikatan apa yang timbul selama pembentukan kompleks protein-ligan?

4. Analog struktural ligan protein alami dapat digunakan sebagai obat untuk memodifikasi aktivitas protein.

Asetilkolin adalah mediator transmisi eksitasi pada sinapsis neuromuskular. Ketika asetilkolin berinteraksi dengan protein - reseptor membran postsinaptik otot rangka, saluran ion terbuka dan terjadi kontraksi otot. Ditilin adalah obat yang digunakan dalam beberapa operasi untuk mengendurkan otot, karena mengganggu transmisi impuls saraf melalui sinapsis neuromuskular. Jelaskan mekanisme kerja ditilin sebagai pelemas otot. Untuk ini:

a) tuliskan rumus asetilkolin dan ditilin serta bandingkan strukturnya;

b) menjelaskan mekanisme efek relaksasi ditilin.

5. Pada beberapa penyakit, suhu tubuh penderita meningkat, yang dianggap sebagai reaksi perlindungan tubuh. Namun suhu tinggi merusak protein tubuh. Jelaskan mengapa pada suhu di atas 40 °C fungsi protein terganggu dan timbul ancaman bagi kehidupan manusia. Untuk melakukan ini, ingatlah:

1) Struktur protein dan ikatan yang menjaga strukturnya dalam konformasi asli;

2) Bagaimana struktur dan fungsi protein berubah seiring dengan meningkatnya suhu?;

3) Apa itu homeostatis dan mengapa penting untuk menjaga kesehatan manusia.

Unit modular 2 PROTEIN OLIGOMERICK SEBAGAI TARGET PENGARUH REGULASI. KEANEKARAGAMAN STRUKTURAL DAN FUNGSIONAL PROTEIN. METODE PEMISAHAN DAN PEMURNIKAN PROTEIN

Tujuan pembelajaran Mampu:

1. Menggunakan pengetahuan tentang ciri-ciri struktur dan fungsi protein oligomer untuk memahami mekanisme adaptif pengaturan fungsinya.

2. Jelaskan peran pendamping dalam sintesis dan pemeliharaan konformasi protein dalam kondisi seluler.

3. Menjelaskan keragaman manifestasi kehidupan melalui keragaman struktur dan fungsi protein yang disintesis dalam tubuh.

4. Menganalisis hubungan antara struktur protein dan fungsinya menggunakan contoh perbandingan hemoprotein terkait - mioglobin dan hemoglobin, serta perwakilan dari lima kelas protein dari keluarga imunoglobulin.

5. Menerapkan pengetahuan tentang kekhasan sifat fisik dan kimia protein untuk memilih metode pemurniannya dari protein dan pengotor lain.

6. Menafsirkan hasil kuantitatif dan komposisi berkualitas protein plasma darah untuk memastikan atau memperjelas diagnosis klinis.

Tahu:

1. Ciri-ciri struktur protein oligomer dan mekanisme adaptif untuk mengatur fungsinya menggunakan contoh hemoglobin.

2. Struktur dan fungsi pendamping dan pentingnya menjaga konformasi asli protein dalam kondisi seluler.

3. Prinsip penggabungan protein ke dalam famili berdasarkan kesamaan konformasi dan fungsinya dengan menggunakan contoh imunoglobulin.

4. Cara pemisahan protein berdasarkan ciri-ciri sifat fisikokimianya.

5. Elektroforesis plasma darah sebagai metode untuk menilai komposisi protein secara kualitatif dan kuantitatif.

TOPIK 1.4. FITUR STRUKTUR DAN FUNGSI PROTEIN OLIGOMER MENGGUNAKAN CONTOH HEMOGLOBIN

1. Banyak protein mengandung beberapa rantai polipeptida. Protein seperti ini disebut oligomer, dan rantai individu - protomer. Protomer dalam protein oligomer dihubungkan oleh banyak ikatan non-kovalen lemah (hidrofobik, ionik, hidrogen). Interaksi

protomer dilakukan berkat komplementaritas permukaan kontak mereka.

Jumlah protomer dalam protein oligomer dapat sangat bervariasi: hemoglobin mengandung 4 protomer, enzim aspartat aminotransferase memiliki 12 protomer, dan protein virus mosaik tembakau mengandung 2.120 protomer yang dihubungkan melalui ikatan non-kovalen. Akibatnya, protein oligomer dapat memiliki berat molekul yang sangat tinggi.

Interaksi satu protomer dengan protomer lainnya dapat dianggap sebagai kasus khusus interaksi protein-ligan, karena setiap protomer berfungsi sebagai ligan bagi protomer lainnya. Jumlah dan cara bergabungnya protomer dalam suatu protein disebut struktur protein kuaterner.

Protein dapat mengandung protomer dengan struktur yang sama atau berbeda, misalnya homodimer adalah protein yang mengandung dua protomer identik, dan heterodimer adalah protein yang mengandung dua protomer berbeda.

Jika protein mengandung protomer yang berbeda, maka pusat pengikatan dengan ligan berbeda yang strukturnya berbeda dapat terbentuk pada protein tersebut. Ketika ligan berikatan dengan situs aktif, fungsi protein ini terwujud. Pusat yang terletak pada protomer berbeda disebut alosterik (berbeda dengan protomer aktif). Menghubungi ligan atau efektor alosterik, ia melakukan fungsi pengaturan (Gbr. 1.18). Interaksi pusat alosterik dengan efektor menyebabkan perubahan konformasi pada struktur seluruh protein oligomer karena labilitas konformasinya. Hal ini mempengaruhi afinitas situs aktif untuk ligan tertentu dan mengatur fungsi protein tersebut. Perubahan konformasi dan fungsi semua protomer selama interaksi protein oligomer dengan setidaknya satu ligan disebut perubahan konformasi kooperatif. Efektor yang meningkatkan fungsi protein disebut aktivator, dan efektor yang menghambat fungsinya - penghambat.

Jadi, protein oligomer, serta protein dengan struktur domain, memiliki sifat baru dibandingkan dengan protein monomer - kemampuan untuk mengatur fungsi secara alosterik (regulasi dengan menempelkan ligan berbeda ke protein). Hal ini dapat dilihat dengan membandingkan struktur dan fungsi dua protein kompleks yang berkaitan erat, mioglobin dan hemoglobin.

Beras. 1.18. Skema struktur protein dimer

2. Pembentukan struktur spasial dan fungsi mioglobin.

Mioglobin (Mb) adalah protein yang terdapat pada otot merah, yang fungsi utamanya adalah menciptakan cadangan O2 yang diperlukan untuk kerja otot yang intens. Mb adalah protein kompleks yang mengandung bagian protein - apoMb dan bagian non-protein - heme. Struktur utama apoMB menentukan konformasi globular kompaknya dan struktur pusat aktif, tempat melekatnya bagian non-protein mioglobin, heme. Oksigen yang berasal dari darah ke otot berikatan dengan heme Fe+2 di mioglobin. Mb merupakan protein monomer yang memiliki afinitas sangat tinggi terhadap O 2, sehingga pelepasan oksigen oleh mioglobin hanya terjadi selama kerja otot yang intens, ketika tekanan parsial O 2 menurun tajam.

Pembentukan konformasi Mv. Di otot merah, pada ribosom, selama translasi, struktur utama MB disintesis, diwakili oleh urutan spesifik 153 residu asam amino. Struktur sekunder Mb mengandung delapan heliks α, yang disebut dengan huruf Latin dari A sampai H, di antaranya terdapat daerah non-heliks. Struktur tersier Mb berbentuk globul kompak, di dalam ceruknya terdapat pusat aktif antara heliks F dan E (Gbr. 1.19).

Beras. 1.19. Struktur mioglobin

3. Ciri-ciri struktur dan fungsi pusat aktif MV. Pusat aktif Mb dibentuk terutama oleh radikal asam amino hidrofobik, yang berjarak jauh satu sama lain dalam struktur primer (misalnya, Tri 3 9 dan Fen 138) Ligan yang sukar larut dalam air - heme dan O 2 - menempel pada pusat aktif. Heme adalah ligan spesifik apoMB (Gbr. 1.20), yang dasarnya terdiri dari empat cincin pirol yang dihubungkan oleh jembatan metenil; di tengahnya terdapat atom Fe+ 2 yang terhubung ke atom nitrogen pada cincin pirol melalui empat ikatan koordinasi. Di pusat aktif Mb, selain radikal asam amino hidrofobik, juga terdapat residu dua asam amino dengan radikal hidrofilik - Gis E 7(Gis 64) dan GIS F 8(93 miliknya) (Gbr. 1.21).

Beras. 1.20. Struktur heme - bagian non-protein dari mioglobin dan hemoglobin

Beras. 1.21. Lokasi heme dan O2 di situs aktif apomioglobin dan protomer hemoglobin

Heme terikat secara kovalen ke F8-Nya melalui atom besi. O 2 menempel pada besi di sisi lain bidang heme. E 7-nya diperlukan untuk orientasi O 2 yang benar dan memfasilitasi penambahan oksigen ke Fe + 2 heme

GIS F 8 membentuk ikatan koordinasi dengan Fe+ 2 dan mengikat heme dengan kuat di pusat aktif. Gis E 7 diperlukan untuk orientasi yang benar di pusat aktif ligan lain - O 2 selama interaksinya dengan Fe + 2 heme. Lingkungan mikro heme menciptakan kondisi pengikatan O2 ke Fe+2 yang kuat namun reversibel dan mencegah air memasuki situs aktif hidrofobik, yang dapat menyebabkan oksidasi menjadi Fe+3.

Struktur monomer Mb dan pusat aktifnya menentukan tingginya afinitas protein terhadap O2.

4. Struktur oligomer Hb dan pengaturan afinitas Hb terhadap ligan O2. Hemoglobin manusia- keluarga protein, seperti mioglobin, yang berhubungan dengan protein kompleks (hemoprotein). Mereka memiliki struktur tetramerik dan mengandung dua rantai α, tetapi berbeda dalam struktur dua rantai polipeptida lainnya (rantai 2α-, 2x). Struktur rantai polipeptida kedua menentukan ciri-ciri fungsi bentuk Hb ini. Sekitar 98% hemoglobin dalam sel darah merah orang dewasa adalah hemoglobin A(rantai 2α-, 2p).

Selama perkembangan janin, ada dua jenis utama hemoglobin yang berfungsi: Hb embrionik(2α, 2ε), yang ditemukan pada tahap awal perkembangan janin, dan hemoglobin F (janin)- (2α, 2γ), yang menggantikan hemoglobin janin awal pada bulan keenam perkembangan intrauterin dan hanya setelah lahir digantikan oleh Hb A.

HB A adalah protein terkait mioglobin (MB) yang ditemukan pada sel darah merah manusia dewasa. Struktur masing-masing protomernya mirip dengan mioglobin. Struktur sekunder dan tersier dari protomer mioglobin dan hemoglobin sangat mirip, meskipun faktanya dalam struktur primer rantai polipeptidanya hanya 24 residu asam amino yang identik (struktur sekunder protomer hemoglobin, seperti mioglobin, mengandung delapan heliks α, ditunjuk dengan huruf latin dari A sampai H , dan struktur tersiernya berbentuk bola kompak). Namun berbeda dengan mioglobin, hemoglobin memiliki struktur oligomer, terdiri dari empat rantai polipeptida yang dihubungkan melalui ikatan non-kovalen (Gambar 1.22).

Setiap protomer Hb dikaitkan dengan bagian non-protein - heme dan protomer tetangganya. Hubungan bagian protein Hb dengan heme mirip dengan mioglobin: pada pusat aktif protein, bagian hidrofobik heme dikelilingi oleh radikal asam amino hidrofobik kecuali His F 8 dan His E 7, yang terletak di kedua sisi bidang heme dan memainkan peran serupa dalam fungsi protein dan pengikatannya dengan oksigen (lihat struktur mioglobin).

Beras. 1.22. Struktur oligomer hemoglobin

Di samping itu, Gis E 7 melakukan hal yang penting peran tambahan dalam berfungsinya Nv. Heme bebas memiliki afinitas 25.000 kali lebih tinggi terhadap CO dibandingkan O2. CO terbentuk dalam jumlah kecil di dalam tubuh dan, mengingat afinitasnya yang tinggi terhadap heme, CO dapat mengganggu pengangkutan O2 yang diperlukan untuk kehidupan sel. Namun, dalam komposisi hemoglobin, afinitas heme terhadap karbon monoksida melebihi afinitas terhadap O 2 hanya 200 kali lipat karena adanya His E 7 di pusat aktif. Sisa asam amino ini menciptakan kondisi optimal untuk pengikatan heme ke O2 dan melemahkan interaksi heme dengan CO.

5. Fungsi utama HB adalah mengangkut O2 dari paru-paru ke jaringan. Berbeda dengan mioglobin monomer, yang memiliki afinitas sangat tinggi terhadap O2 dan berfungsi menyimpan oksigen di otot merah, struktur oligomer hemoglobin menyediakan:

1) cepat saturasi HB dengan oksigen di paru-paru;

2) kemampuan HB melepaskan oksigen dalam jaringan pada tekanan parsial O 2 yang relatif tinggi (20-40 mm Hg);

3) kemungkinan mengatur afinitas Hb terhadap O2.

6. Perubahan kooperatif dalam konformasi protomer hemoglobin mempercepat pengikatan O2 di paru-paru dan pelepasannya ke jaringan. Di paru-paru, tekanan parsial O2 yang tinggi mendorong pengikatannya dengan Hb di situs aktif empat protomer (2α dan 2β). Pusat aktif setiap protomer, seperti pada mioglobin, terletak di antara dua heliks α (F dan E) dalam kantong hidrofobik. Ini mengandung bagian non-protein - heme, melekat pada bagian protein melalui banyak interaksi hidrofobik lemah dan satu ikatan kuat antara Fe 2 + heme dan His F 8 (lihat Gambar 1.21).

Dalam deoksihemoglobin, karena ikatan dengan F 8 His, atom Fe 2 + menonjol dari bidang heme menuju histidin. Pengikatan O 2 ke Fe 2 + terjadi di sisi lain heme di wilayah His E 7 menggunakan ikatan koordinasi bebas tunggal. E 7 miliknya memberikan kondisi optimal untuk pengikatan O 2 ke besi heme.

Penambahan O2 pada atom Fe+2 dari salah satu protomer menyebabkan pergerakannya ke bidang heme, diikuti oleh residu histidin yang terkait dengannya.

Beras. 1.23. Perubahan konformasi protomer hemoglobin bila dikombinasikan dengan O2

Hal ini menyebabkan perubahan konformasi semua rantai polipeptida karena labilitas konformasinya. Mengubah konformasi rantai lain memfasilitasi interaksinya dengan molekul O2 berikutnya.

Molekul O2 keempat menempel pada hemoglobin 300 kali lebih mudah dibandingkan molekul pertama (Gbr. 1.24).

Beras. 1.24. Perubahan kooperatif dalam konformasi protomer hemoglobin selama interaksinya dengan O2

Dalam jaringan, setiap molekul O2 berikutnya lebih mudah dibelah daripada molekul sebelumnya, juga karena perubahan kooperatif dalam konformasi protomer.

7. CO 2 dan H+ terbentuk selama katabolisme bahan organik, mengurangi afinitas hemoglobin terhadap O2 sebanding dengan konsentrasinya. Energi yang dibutuhkan untuk fungsi sel diproduksi terutama di mitokondria selama oksidasi zat organik menggunakan O2 yang dikirim dari paru-paru melalui hemoglobin. Sebagai hasil oksidasi zat organik, produk akhir penguraiannya terbentuk: CO 2 dan K 2 O, yang jumlahnya sebanding dengan intensitas proses oksidasi yang sedang berlangsung.

CO 2 berdifusi dari sel ke dalam darah dan menembus ke dalam sel darah merah, di mana, di bawah aksi enzim karbanhidrase, ia diubah menjadi asam karbonat. Asam lemah ini terdisosiasi menjadi proton dan ion bikarbonat.

H+ mampu bergabung dengan radikal-radikalnya 14 6 dalam rantai α- dan β hemoglobin, mis. di daerah yang jauh dari heme. Protonasi hemoglobin mengurangi afinitasnya terhadap O2, mendorong pembuangan O2 dari oksiHb, pembentukan deoksiHb, dan meningkatkan suplai oksigen ke jaringan sebanding dengan jumlah proton yang terbentuk (Gbr. 1.25).

Peningkatan jumlah oksigen yang dilepaskan tergantung pada peningkatan konsentrasi H+ dalam sel darah merah disebut efek Bohr (dinamai menurut ahli fisiologi Denmark Christian Bohr, yang pertama kali menemukan efek ini).

Di paru-paru, tekanan parsial oksigen yang tinggi mendorong pengikatannya dengan deoksiHb, yang mengurangi afinitas protein terhadap H+. Proton yang dilepaskan di bawah pengaruh asam karbonat bereaksi dengan bikarbonat membentuk CO 2 dan H 2 O

Beras. 1.25. Ketergantungan afinitas Hb terhadap O 2 pada konsentrasi CO 2 dan proton (efek Bohr):

A- pengaruh konsentrasi CO 2 dan H+ terhadap pelepasan O 2 dari kompleks dengan HB (efek Bohr); B- oksigenasi deoksihemoglobin di paru-paru, pembentukan dan pelepasan CO2.

CO 2 yang dihasilkan memasuki ruang alveolar dan dikeluarkan bersama udara yang dihembuskan. Dengan demikian, jumlah oksigen yang dilepaskan oleh hemoglobin dalam jaringan diatur oleh produk katabolisme zat organik: semakin intens pemecahan zat, misalnya selama latihan fisik, semakin tinggi konsentrasi CO 2 dan H + serta semakin banyak oksigen. jaringan menerima sebagai akibat dari penurunan afinitas Hb terhadap O2.

8. Regulasi alosterik afinitas Hb terhadap O2 oleh ligan - 2,3-bifosfogliserat. Dalam eritrosit, ligan alosterik hemoglobin, 2,3-bifosfogliserat (2,3-BPG), disintesis dari produk oksidasi glukosa - 1,3-bifosfogliserat. DI DALAM kondisi normal konsentrasi 2,3-BPG tinggi dan sebanding dengan konsentrasi Hb. 2,3-BPG memiliki muatan negatif kuat -5.

Bifosfogliserat di kapiler jaringan, berikatan dengan deoksihemoglobin, meningkatkan pelepasan oksigen ke jaringan, mengurangi afinitas Hb terhadap O2.

Di tengah molekul hemoglobin tetramerik terdapat rongga. Ini dibentuk oleh residu asam amino dari keempat protomer (lihat Gambar 1.22). Di kapiler jaringan, protonasi Hb (efek Bohr) menyebabkan putusnya ikatan antara besi heme dan O2. Dalam sebuah molekul

deoksihemoglobin dibandingkan dengan oksihemoglobin ada tambahan ikatan ionik, menghubungkan protomer, akibatnya dimensi rongga pusat meningkat dibandingkan dengan oksihemoglobin. Rongga sentral merupakan tempat melekatnya 2,3-BPG pada hemoglobin. Karena perbedaan ukuran rongga tengah, 2,3-BPG hanya dapat menempel pada deoksihemoglobin.

2,3-BPG berinteraksi dengan hemoglobin di tempat yang jauh dari pusat aktif protein dan termasuk dalam alosterik ligan (pengaturan), dan rongga tengah Hb adalah pusat alosterik. 2,3-BPG memiliki muatan negatif yang kuat dan berinteraksi dengan lima gugus bermuatan positif dari dua rantai β Hb: gugus N-terminal α-amino dari Val dan radikal Lys 82 His 143 (Gbr. 1.26).

Beras. 1.26. BPG di rongga tengah deoksihemoglobin

BPG berikatan dengan tiga gugus bermuatan positif pada setiap untai β.

Dalam kapiler jaringan, deoksihemoglobin yang dihasilkan berinteraksi dengan 2,3-BPG dan ikatan ionik terbentuk antara radikal rantai β bermuatan positif dan ligan bermuatan negatif, yang mengubah konformasi protein dan mengurangi afinitas Hb terhadap O2. . Penurunan afinitas Hb terhadap O 2 mendorong pelepasan O 2 yang lebih efisien ke dalam jaringan.

Di paru-paru, pada tekanan parsial tinggi, oksigen berinteraksi dengan Hb, bergabung dengan besi heme; dalam hal ini, konformasi protein berubah, rongga pusat berkurang dan 2,3-BPG dipindahkan dari pusat alosterik

Dengan demikian, protein oligomer memiliki sifat baru dibandingkan dengan protein monomer. Perlekatan ligan di situs

berjauhan secara spasial satu sama lain (alosterik), dapat menyebabkan perubahan konformasi pada seluruh molekul protein. Akibat interaksi dengan ligan pengatur, terjadi perubahan konformasi dan adaptasi fungsi molekul protein terhadap perubahan lingkungan.

TOPIK 1.5. PEMELIHARAAN KONFORMASI ASLI PROTEIN DALAM KONDISI SEL

Dalam sel, selama sintesis rantai polipeptida, pengangkutannya melalui membran ke bagian sel yang sesuai, selama proses pelipatan (pembentukan konformasi asli) dan selama perakitan protein oligomer, serta selama fungsinya, zat antara , konformasi yang rawan agregasi dan tidak stabil muncul dalam struktur protein. Radikal hidrofobik, biasanya tersembunyi di dalam molekul protein dalam konformasi asli, muncul di permukaan dalam konformasi tidak stabil dan cenderung bergabung dengan kelompok protein lain yang sulit larut dalam air. Protein khusus telah ditemukan dalam sel semua organisme yang diketahui yang memastikan pelipatan protein sel yang optimal, menstabilkan konformasi aslinya selama berfungsi dan, yang paling penting, mempertahankan struktur dan fungsi protein intraseluler ketika homeostasis terganggu. Protein-protein ini disebut "pendamping" yang berarti "pengasuh" dalam bahasa Perancis.

1. Pendamping molekuler dan perannya dalam mencegah denaturasi protein.

Pendamping (CH) diklasifikasikan menurut massa subunitnya. Pendamping dengan berat molekul tinggi memiliki massa 60 hingga 110 kDa. Diantaranya, tiga kelas yang paling banyak dipelajari: Sh-60, Sh-70 dan Sh-90. Setiap kelas mencakup keluarga protein terkait. Jadi, Sh-70 mencakup protein dengan berat molekul 66 hingga 78 kDa. Pendamping dengan berat molekul rendah memiliki berat molekul 40 hingga 15 kDa.

Di antara para pendamping ada pokok protein, sintesis basalnya yang tinggi tidak bergantung pada efek stres pada sel-sel tubuh, dan dapat diinduksi, sintesisnya lemah dalam kondisi normal, tetapi meningkat tajam di bawah tekanan. Pendamping yang dapat diinduksi juga disebut “protein kejutan panas” karena pertama kali ditemukan dalam sel yang terkena suhu tinggi. Dalam sel, karena konsentrasi protein yang tinggi, reaktivasi spontan protein yang terdenaturasi sebagian menjadi sulit. Sh-70 dapat mencegah timbulnya denaturasi dan membantu mengembalikan konformasi asli protein. Pendamping molekuler-70- kelas protein yang sangat terkonservasi yang ditemukan di semua bagian sel: sitoplasma, nukleus, retikulum endoplasma, mitokondria. Pada ujung karboksil rantai polipeptida tunggal Ш-70 terdapat daerah berupa alur yang mampu berinteraksi dengan peptida yang panjangnya

dari 7 hingga 9 residu asam amino yang diperkaya dengan radikal hidrofobik. Daerah seperti itu pada protein globular terdapat kira-kira setiap 16 asam amino. Sh-70 mampu melindungi protein dari inaktivasi suhu dan memulihkan konformasi serta aktivitas protein yang terdenaturasi sebagian.

2. Peran pendamping dalam pelipatan protein. Selama sintesis protein di ribosom, daerah terminal-N dari polipeptida disintesis sebelum terminal-C. Untuk membentuk konformasi asli, diperlukan rangkaian asam amino lengkap dari protein. Dalam proses sintesis protein, pendamping-70 karena struktur pusat aktifnya mampu menutup area polipeptida yang rentan agregasi, diperkaya dengan radikal asam amino hidrofobik hingga sintesis selesai (Gambar 1.27, A ).

Beras. 1.27. Partisipasi pendamping dalam pelipatan protein

A - partisipasi pendamping-70 dalam pencegahan interaksi hidrofobik antara bagian polipeptida yang disintesis; B - pembentukan konformasi asli protein di kompleks pendamping

Banyak protein bermolekul tinggi yang memiliki konformasi kompleks, seperti struktur domain, terlipat dalam ruang khusus yang dibentuk oleh Sh-60. Sh-60 berfungsi sebagai kompleks oligomer yang terdiri dari 14 subunit. Mereka membentuk dua cincin berongga, yang masing-masing terdiri dari tujuh subunit, cincin ini terhubung satu sama lain. Setiap subunit Sh-60 terdiri dari tiga domain: apikal (apikal), diperkaya dengan radikal hidrofobik yang menghadap rongga cincin, perantara dan khatulistiwa (Gbr. 1.28).

Beras. 1.28. Struktur kompleks pendamping terdiri dari 14 Ш-60

A - tampak samping; B - tampilan atas

Protein yang disintesis, yang memiliki unsur-unsur pada permukaan yang merupakan karakteristik molekul yang tidak terlipat, khususnya radikal hidrofobik, memasuki rongga cincin pendamping. Dalam lingkungan spesifik rongga-rongga ini, kemungkinan konformasi dicari sampai satu-satunya konformasi yang paling disukai secara energetik ditemukan (Gbr. 1.27, B). Pembentukan konformasi dan pelepasan protein disertai dengan Hidrolisis ATP di wilayah khatulistiwa. Biasanya, pelipatan yang bergantung pada pendamping membutuhkan banyak energi.

Selain berpartisipasi dalam pembentukan struktur tiga dimensi protein dan renativasi protein yang terdenaturasi sebagian, pendamping juga diperlukan untuk terjadinya proses mendasar seperti perakitan protein oligomer, pengenalan dan pengangkutan protein terdenaturasi ke dalam lisosom, pengangkutan protein melintasi membran, dan partisipasi dalam pengaturan aktivitas kompleks protein.

TOPIK 1.6. VARIETAS PROTEIN. KELUARGA PROTEIN: CONTOH IMUNOGLOBULIN

1. Protein memainkan peran penting dalam kehidupan sel individu dan seluruh organisme multiseluler, dan fungsinya sangat beragam. Hal ini ditentukan oleh karakteristik struktur primer dan konformasi protein, struktur unik pusat aktif dan kemampuan mengikat ligan tertentu.

Hanya sebagian kecil dari semua kemungkinan varian rantai peptida yang dapat mengadopsi struktur spasial yang stabil; mayoritas

diantaranya dapat mengambil banyak konformasi dengan energi Gibbs yang kira-kira sama, tetapi dengan sifat yang berbeda. Struktur primer dari sebagian besar protein yang diketahui dipilih evolusi biologis, memberikan stabilitas luar biasa dari salah satu konformasi, yang menentukan kekhasan fungsi protein ini.

2. Keluarga protein. Dalam spesies biologis yang sama, substitusi residu asam amino dapat menyebabkan munculnya protein berbeda yang menjalankan fungsi terkait dan memiliki urutan homolog asam amino. Protein terkait tersebut mempunyai konformasi yang sangat mirip: jumlah dan posisi relatif heliks α dan/atau struktur β, dan sebagian besar putaran dan lengkungan rantai polipeptida serupa atau identik. Protein dengan daerah rantai polipeptida homolog, konformasi serupa dan fungsi terkait diklasifikasikan ke dalam keluarga protein. Contoh keluarga protein: proteinase serin, keluarga imunoglobulin, keluarga mioglobin.

Proteinase serin- keluarga protein yang menjalankan fungsi enzim proteolitik. Ini termasuk enzim pencernaan - chymotrypsin, trypsin, elastase dan banyak faktor pembekuan darah. Protein ini memiliki asam amino yang identik pada 40% posisinya dan konformasi yang sangat mirip (Gbr. 1.29).

Beras. 1.29. Struktur spasial elastase (A) dan kimotripsin (B)

Beberapa substitusi asam amino telah menyebabkan perubahan spesifisitas substrat protein ini dan munculnya keragaman fungsional dalam famili tersebut.

3. Keluarga imunoglobulin. Sedang berlangsung sistem imun Peran besar dimainkan oleh protein dari superfamili imunoglobulin, yang mencakup tiga keluarga protein:

Antibodi (imunoglobulin);

Reseptor limfosit T;

Protein dari kompleks histokompatibilitas utama - MHC kelas 1 dan 2 (Kompleks Histokompatibilitas Utama).

Semua protein ini memiliki struktur domain, terdiri dari domain mirip imun yang homolog dan melakukan fungsi serupa: mereka berinteraksi dengan struktur asing, baik yang terlarut dalam darah, getah bening atau cairan antar sel (antibodi), atau terletak di permukaan sel (milik atau luar negeri).

4. Antibodi- protein spesifik yang diproduksi oleh limfosit B sebagai respons terhadap masuknya struktur asing ke dalam tubuh, disebut antigen.

Fitur struktur antibodi

Molekul antibodi paling sederhana terdiri dari empat rantai polipeptida: dua rantai ringan identik - L, mengandung sekitar 220 asam amino, dan dua rantai berat identik - H, terdiri dari 440-700 asam amino. Keempat rantai dalam molekul antibodi dihubungkan oleh banyak ikatan non-kovalen dan empat ikatan disulfida (Gbr. 1.30).

Rantai ringan antibodi terdiri dari dua domain: domain variabel (VL), yang terletak di wilayah terminal-N rantai polipeptida, dan domain konstan (CL), yang terletak di terminal-C. Rantai berat biasanya memiliki empat domain: satu variabel (VH), terletak di ujung N, dan tiga domain konstan (CH1, CH2, CH3) (lihat Gambar 1.30). Setiap domain imunoglobulin memiliki superstruktur lembaran β di mana dua residu sistein dihubungkan oleh ikatan disulfida.

Di antara dua domain konstan CH1 dan CH2 terdapat wilayah yang mengandung sejumlah besar residu prolin, yang mencegah pembentukan struktur sekunder dan interaksi rantai H yang berdekatan di segmen ini. Daerah engsel ini memberikan fleksibilitas molekul antibodi. Di antara domain variabel rantai berat dan ringan terdapat dua situs pengikatan antigen yang identik (situs aktif untuk mengikat antigen), oleh karena itu antibodi semacam itu sering disebut bivalen. Tidak seluruh rangkaian asam amino dari daerah variabel kedua rantai terlibat dalam pengikatan antigen ke antibodi, tetapi hanya 20-30 asam amino yang terletak di daerah hipervariabel dari setiap rantai. Wilayah inilah yang menentukan kemampuan unik setiap jenis antibodi untuk berinteraksi dengan antigen komplementer terkait.

Antibodi adalah salah satu garis pertahanan tubuh terhadap serangan organisme asing. Fungsinya dapat dibagi menjadi dua tahap: tahap pertama adalah pengenalan dan pengikatan antigen pada permukaan organisme asing, yang dimungkinkan karena adanya situs pengikatan antigen dalam struktur antibodi; tahap kedua adalah permulaan proses inaktivasi dan penghancuran antigen. Spesifisitas tahap kedua bergantung pada kelas antibodi. Ada lima kelas rantai berat, berbeda satu sama lain dalam struktur domain konstan: α, δ, ε, γ dan μ, yang menurutnya lima kelas imunoglobulin dibedakan: A, D, E, G dan M.

Ciri-ciri struktural rantai berat memberikan daerah engsel dan daerah terminal-C rantai berat suatu karakteristik konformasi dari setiap kelas. Setelah antigen berikatan dengan antibodi, perubahan konformasi dalam domain konstan menentukan jalur penghilangan antigen.

Beras. 1. 30. Struktur domain IgG

Imunoglobulin M

Imunoglobulin M memiliki dua bentuk.

Bentuk monomer- Antibodi kelas 1 yang diproduksi oleh pengembangan limfosit B. Selanjutnya, banyak sel B beralih untuk memproduksi antibodi kelas lain, tetapi dengan tempat pengikatan antigen yang sama. IgM tertanam dalam membran dan bertindak sebagai reseptor pengenalan antigen. Integrasi IgM ke dalam membran sel dimungkinkan karena adanya 25 residu asam amino hidrofobik di bagian ekor.

Bentuk sekretori IgM mengandung lima subunit monomer yang dihubungkan satu sama lain melalui ikatan disulfida dan rantai J polipeptida tambahan (Gbr. 1.31). Rantai berat monomer bentuk ini tidak mengandung ekor hidrofobik. Pentamer memiliki 10 situs pengikatan antigen sehingga efektif dalam mengenali dan menghilangkan antigen yang pertama kali masuk ke dalam tubuh. Bentuk sekretori IgM adalah kelas antibodi utama yang disekresikan ke dalam darah selama respon imun primer. Pengikatan IgM ke antigen mengubah konformasi IgM dan menginduksi pengikatannya pada komponen protein pertama dari sistem komplemen (sistem komplemen adalah sekumpulan protein yang terlibat dalam penghancuran antigen) dan aktivasi sistem ini. Jika antigen terletak pada permukaan suatu mikroorganisme, sistem komplemen menyebabkan pelanggaran integritas membran sel dan kematian sel bakteri.

Imunoglobulin G

Secara kuantitatif, kelas imunoglobulin ini mendominasi dalam darah (75% dari seluruh Ig). IgG - monomer, kelas utama antibodi yang disekresikan ke dalam darah selama respon imun sekunder. Setelah interaksi IgG dengan antigen permukaan mikroorganisme, kompleks antigen-antibodi mampu mengikat dan mengaktifkan protein sistem komplemen atau dapat berinteraksi dengan reseptor spesifik makrofag dan neutrofil. Interaksi dengan fagosit mengarah

Beras. 1.31. Struktur bentuk sekretori IgM

untuk penyerapan kompleks antigen-antibodi dan penghancurannya dalam fagosom sel. IgG adalah satu-satunya kelas antibodi yang mampu menembus penghalang plasenta dan memberikan perlindungan intrauterin pada janin dari infeksi.

Imunoglobulin A

Kelas utama antibodi terdapat dalam sekret (susu, air liur, sekret saluran pernafasan dan saluran usus). IgA disekresi terutama dalam bentuk dimer, di mana monomer dihubungkan satu sama lain melalui rantai J tambahan (Gbr. 1.32).

IgA tidak berinteraksi dengan sistem komplemen dan sel fagosit, tetapi dengan mengikat mikroorganisme, antibodi mencegah perlekatan mereka pada sel epitel dan penetrasi ke dalam tubuh.

Imunoglobulin E

Imunoglobulin E diwakili oleh monomer yang mengandung rantai ε berat, seperti rantai μ imunoglobulin M, satu variabel dan empat domain konstan. Setelah disekresi, IgE berikatan dengannya

Beras. 1.32. Struktur IgA

Daerah terminal-C dengan reseptor yang sesuai pada permukaan sel mast dan basofil. Akibatnya, mereka menjadi reseptor antigen pada permukaan sel tersebut (Gbr. 1.33).

Beras. 1.33. Interaksi IgE dengan antigen pada permukaan sel mast

Setelah antigen berikatan dengan situs pengikatan antigen IgE yang sesuai, sel menerima sinyal untuk mensekresi secara biologis zat aktif(histamin, serotonin), yang sebagian besar bertanggung jawab atas perkembangan reaksi inflamasi dan manifestasi reaksi alergi seperti asma, urtikaria, demam.

Imunoglobulin D

Imunoglobulin D ditemukan dalam jumlah yang sangat kecil dalam serum; mereka adalah monomer. Rantai δ berat memiliki satu domain variabel dan tiga domain konstan. IgD bertindak sebagai reseptor untuk limfosit B; fungsi lainnya masih belum diketahui. Interaksi antigen spesifik dengan reseptor pada permukaan limfosit B (IgD) menyebabkan transmisi sinyal-sinyal ini ke dalam sel dan aktivasi mekanisme yang memastikan proliferasi klon limfosit tertentu.

TOPIK 1.7. SIFAT FISIK DAN KIMIA PROTEIN SERTA METODE PEMISAHANNYA

1. Protein individu berbeda dalam sifat fisik dan kimia:

Bentuk molekul;

Berat molekul;

Muatan total, yang besarnya bergantung pada perbandingan gugus asam amino anionik dan kationik;

Rasio radikal asam amino polar dan nonpolar pada permukaan molekul;

Tingkat resistensi terhadap berbagai agen denaturasi.

2. Kelarutan protein tergantung tentang sifat-sifat protein yang disebutkan di atas, serta tentang komposisi media di mana protein dilarutkan (nilai pH, komposisi garam, suhu, keberadaan zat organik lain yang dapat berinteraksi dengan protein). Besarnya muatan molekul protein merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kelarutannya. Ketika muatan pada titik isoelektrik hilang, protein lebih mudah berkumpul dan mengendap. Hal ini terutama terjadi pada protein terdenaturasi, di mana radikal asam amino hidrofobik muncul di permukaan.

Pada permukaan molekul protein terdapat radikal asam amino bermuatan positif dan negatif. Jumlah gugus ini, dan muatan total protein, bergantung pada pH medium, yaitu. perbandingan konsentrasi gugus H+ - dan OH -. Dalam lingkungan asam Peningkatan konsentrasi H+ menyebabkan penekanan disosiasi gugus karboksil -COO - + H+ > - COOH dan penurunan muatan negatif protein. Dalam lingkungan basa, pengikatan kelebihan OH - oleh proton yang terbentuk selama disosiasi gugus amino -NH 3 + + OH - - NH 2 + H 2 O dengan pembentukan air, menyebabkan penurunan muatan positif protein . Nilai pH dimana suatu protein mempunyai muatan bersih nol disebut titik isoelektrik (IEP). Dalam IET, jumlah gugus bermuatan positif dan negatif adalah sama, yaitu. protein berada dalam keadaan isoelektrik.

3. Pemisahan protein individu. Ciri-ciri struktur dan fungsi tubuh bergantung pada kumpulan protein yang disintesis di dalamnya. Mempelajari struktur dan sifat protein tidak mungkin dilakukan tanpa mengisolasinya dari sel dan memurnikannya dari protein lain dan molekul organik. Tahapan isolasi dan pemurnian protein individu:

Penghancuran sel jaringan yang sedang dipelajari dan memperoleh homogenat.

Pemisahan homogenat menjadi pecahan dengan sentrifugasi, memperoleh fraksi nuklir, mitokondria, sitosol atau lainnya yang mengandung protein yang diinginkan.

Denaturasi termal selektif- pemanasan jangka pendek larutan protein, di mana beberapa pengotor protein yang terdenaturasi dapat dihilangkan (jika protein relatif stabil terhadap panas).

Mengasinkan. Protein yang berbeda mengendap pada konsentrasi garam yang berbeda dalam larutan. Dengan meningkatkan konsentrasi garam secara bertahap, dimungkinkan untuk memperoleh sejumlah fraksi terpisah dengan kandungan dominan protein terisolasi di salah satunya. Amonium sulfat paling sering digunakan untuk fraksinasi protein. Protein dengan kelarutan paling kecil akan mengendap pada konsentrasi garam rendah.

Filtrasi gel- metode menyaring molekul melalui butiran Sephadex yang membengkak (rantai polisakarida tiga dimensi dari dekstran yang memiliki pori-pori). Kecepatan protein melewati kolom yang diisi dengan Sephadex akan bergantung pada berat molekulnya: semakin kecil massa molekul protein, semakin mudah mereka menembus ke dalam butiran dan bertahan di sana lebih lama; semakin besar massanya, semakin cepat mereka terelusi dari granula. kolom.

Ultrasentrifugasi- metode yang melibatkan penempatan protein dalam tabung sentrifus ke dalam rotor ultrasentrifugasi. Ketika rotor berputar, laju sedimentasi protein sebanding dengan berat molekulnya: fraksi protein yang lebih berat terletak lebih dekat ke dasar tabung reaksi, fraksi protein yang lebih ringan terletak lebih dekat ke permukaan.

Elektroforesis- metode yang didasarkan pada perbedaan kecepatan pergerakan protein dalam medan listrik. Nilai ini sebanding dengan muatan protein. Elektroforesis protein dilakukan di atas kertas (dalam hal ini kecepatan pergerakan protein hanya sebanding dengan muatannya) atau dalam gel poliakrilamida dengan ukuran pori tertentu (kecepatan pergerakan protein sebanding dengan muatan dan berat molekulnya) .

Kromatografi pertukaran ion- metode fraksinasi berdasarkan pengikatan gugus protein terionisasi dengan gugus resin penukar ion yang bermuatan berlawanan (bahan polimer tidak larut). Kekuatan pengikatan protein pada resin sebanding dengan muatan protein. Protein yang teradsorpsi pada polimer penukar ion dapat tersapu dengan meningkatnya konsentrasi larutan NaCl; semakin rendah muatan protein, semakin rendah konsentrasi NaCl yang diperlukan untuk menghilangkan protein yang terikat pada gugus ionik resin.

Kromatografi afinitas- metode paling spesifik untuk mengisolasi protein individu.Ligan suatu protein terikat secara kovalen pada polimer inert. Ketika larutan protein dilewatkan melalui kolom dengan polimer, hanya protein spesifik untuk ligan tertentu yang teradsorpsi pada kolom karena pengikatan komplementer protein ke ligan.

Dialisis- metode yang digunakan untuk menghilangkan senyawa dengan berat molekul rendah dari larutan protein yang diisolasi. Metode ini didasarkan pada ketidakmampuan protein untuk melewati membran semipermeabel, tidak seperti zat dengan berat molekul rendah. Ini digunakan untuk memurnikan protein dari pengotor dengan berat molekul rendah, misalnya garam setelah penggaraman.

TUGAS KERJA EKSTRAKURIKULER

1. Isi tabelnya. 1.4.

Tabel 1.4. Analisis perbandingan struktur dan fungsi protein terkait - mioglobin dan hemoglobin

a) mengingat struktur pusat aktif Mb dan Hb. Apa peran radikal asam amino hidrofobik dalam pembentukan pusat aktif protein ini? Jelaskan struktur pusat aktif Mb dan Hb serta mekanisme perlekatan ligan padanya. Apa peran residu His F 8 dan His E 7 dalam berfungsinya pusat aktif Mv iHv?

b) sifat baru apa yang dimiliki protein oligomer, hemoglobin, yang berkerabat dekat dengan mioglobin monomer? Jelaskan peran perubahan kooperatif dalam konformasi protomer dalam molekul hemoglobin, pengaruh CO2 dan konsentrasi proton terhadap afinitas hemoglobin terhadap oksigen, serta peran 2,3-BPG dalam regulasi alosterik fungsi Hb .

2. Ciri-ciri pendamping molekuler, dengan memperhatikan hubungan antara struktur dan fungsinya.

3. Protein apa yang dikelompokkan ke dalam keluarga? Dengan menggunakan contoh keluarga imunoglobulin, identifikasi ciri-ciri struktural serupa dan fungsi terkait dari protein keluarga ini.

4. Protein individu yang dimurnikan seringkali diperlukan untuk tujuan biokimia dan pengobatan. Jelaskan yang mana sifat fisik dan kimia protein didasarkan pada metode yang digunakan untuk pemisahan dan pemurniannya.

TUGAS PENGENDALIAN DIRI

1. Pilihlah jawaban yang benar.

Fungsi hemoglobin:

A. Pengangkutan O2 dari paru ke jaringan B. Pengangkutan H+ dari jaringan ke paru

B. Mempertahankan pH darah yang konstan D. Transportasi CO 2 dari paru-paru ke jaringan

D. Transportasi CO 2 dari jaringan ke paru-paru

2. Pilihlah jawaban yang benar. Liganα -protomer Hb adalah: A.Heme

B.Oksigen

B.CO G.2,3-BPG

D. β-Protomer

3. Pilihlah jawaban yang benar.

Hemoglobin berbeda dengan mioglobin:

A. Memiliki struktur kuaterner

B. Struktur sekunder hanya diwakili oleh heliks α

B. Milik protein kompleks

D. Berinteraksi dengan ligan alosterik D. Terikat secara kovalen dengan heme

4. Pilihlah jawaban yang benar.

Afinitas Hb terhadap O2 menurun:

A. Ketika satu molekul O 2 ditambahkan B. Ketika satu molekul O 2 dihilangkan

B. Saat berinteraksi dengan 2,3-BPG

D. Bila dilekatkan pada protomer H + D. Bila konsentrasi 2,3-BPG menurun

5. Cocok.

Tipe HB mempunyai ciri-ciri :

A. Dalam bentuk deoksi membentuk agregat fibrilar B. Berisi dua rantai α- dan dua rantai δ

B. Bentuk Hb yang dominan pada eritrosit dewasa D. Mengandung heme dengan Fe+3 pada pusat aktifnya

D. Berisi dua rantai α- dan dua γ 1. HbA 2.

6. Cocok.

Ligan Hb:

A. Berikatan dengan Hb di pusat alosterik

B. Memiliki afinitas yang sangat tinggi terhadap situs aktif Hb

B. Dengan bergabung, meningkatkan afinitas Hb terhadap O 2 G. Mengoksidasi Fe+ 2 menjadi Fe+ 3

D.Bentuk Ikatan kovalen dengan gisF8

7. Pilihlah jawaban yang benar.

Pendamping:

A. Protein terdapat di seluruh bagian sel

B. Sintesis meningkat di bawah tekanan

B. Berpartisipasi dalam hidrolisis protein terdenaturasi

D. Berpartisipasi dalam mempertahankan konformasi asli protein

D. Mereka menciptakan organel di mana konformasi protein terbentuk.

8. Cocokkan. Imunoglobulin:

A. Bentuk sekretorinya adalah pentamerik.

B. Kelas Ig yang menembus sawar plasenta

B.Ig - reseptor sel mast

D. Kelas utama Ig hadir dalam sekresi sel epitel. D. Reseptor limfosit B, aktivasi yang memastikan proliferasi sel

9. Pilihlah jawaban yang benar.

Imunoglobulin E:

A. Diproduksi oleh makrofag B. Memiliki rantai ε yang berat.

B. Tertanam dalam membran limfosit T

D. Bertindak sebagai reseptor antigen membran pada sel mast dan basofil

D. Bertanggung jawab atas reaksi alergi

10. Pilihlah jawaban yang benar.

Metode pemisahan protein didasarkan pada perbedaan berat molekulnya:

A. Filtrasi gel

B. Ultrasentrifugasi

B. Elektroforesis gel poliakrilamida D. Kromatografi penukar ion

D. Kromatografi afinitas

11. Pilih jawaban yang benar.

Metode pemisahan protein didasarkan pada perbedaan kelarutannya dalam air:

A. Filtrasi gel B. Pengasinan

B. Kromatografi penukar ion D. Kromatografi afinitas

D. Elektroforesis dalam gel poliakrilamida

STANDAR JAWABAN TERHADAP “TUGAS PENGENDALIAN DIRI”

1.A,B,C,D

2.A,B,C,D

5. 1-B, 2-A, 3-G

6. 1-B, 2-B, 3-A

7.A,B,D,D

8. 1-G; 2-B, 3-B

SYARAT DAN KONSEP DASAR

1. Protein oligomer, protomer, struktur kuaterner protein

2. Perubahan kooperatif dalam konformasi protomer

3. Efek Bohr

4. Regulasi alosterik fungsi protein, pusat alosterik dan efektor alosterik

5. Pendamping molekuler, protein kejutan panas

6. Keluarga protein (serin protease, imunoglobulin)

7. Hubungan IgM-, G-, E-, A-struktur-fungsi

8. Muatan total protein, titik isoelektrik protein

9. Elektroforesis

10. Pengasinan

11. Filtrasi gel

12. Kromatografi pertukaran ion

13. Ultrasentrifugasi

14. Kromatografi afinitas

15. Elektroforesis protein plasma darah

TUGAS UNTUK PEKERJAAN KELAS

1. Bandingkan ketergantungan derajat kejenuhan hemoglobin (Hb) dan mioglobin (Mb) dengan oksigen terhadap tekanan parsialnya dalam jaringan

Beras. 1.34. Ketergantungan saturasi Mv danNHoksigen dari tekanan parsialnya

Harap dicatat bahwa bentuk kurva saturasi oksigen protein berbeda: untuk mioglobin - hiperbola, untuk hemoglobin - bentuk sigmoid.

1. bandingkan nilai tekanan parsial oksigen dimana Mb dan Hb jenuh dengan O 2 sebesar 50%. Manakah dari protein berikut yang memiliki afinitas lebih tinggi terhadap O2?

2. Ciri-ciri struktural Mb apa yang menentukan afinitasnya yang tinggi terhadap O 2?

3. Ciri struktural HB apa yang memungkinkannya melepaskan O2 di kapiler jaringan istirahat (dengan tekanan parsial O2 yang relatif tinggi) dan secara tajam meningkatkan pelepasan ini pada otot yang bekerja? Sifat protein oligomer apa yang memberikan efek ini?

4. Hitung berapa jumlah O2 (dalam%) hemoglobin teroksigenasi yang diberikan kepada otot istirahat dan bekerja?

5. menarik kesimpulan tentang hubungan antara struktur suatu protein dan fungsinya.

2. Jumlah oksigen yang dilepaskan oleh hemoglobin di kapiler tergantung pada intensitas proses katabolik di jaringan (efek Bohr). Bagaimana perubahan metabolisme jaringan mengatur afinitas Hb terhadap O2? Pengaruh CO 2 dan H+ terhadap afinitas Hb terhadap O 2

1. jelaskan efek Bohr.

2. ke arah mana proses yang ditunjukkan pada diagram berlangsung:

a) di kapiler paru-paru;

b) di kapiler jaringan?

3. Apa arti fisiologis dari efek Bohr?

4. Mengapa interaksi Hb dengan H+ pada lokasi yang jauh dari heme mengubah afinitas protein terhadap O 2?

3. Afinitas Hb terhadap O2 bergantung pada konsentrasi ligannya - 2,3-bifosfogliserat, yang merupakan pengatur alosterik afinitas Hb terhadap O2. Mengapa interaksi ligan pada lokasi yang jauh dari situs aktif mempengaruhi fungsi protein? Bagaimana 2,3-BPG mengatur afinitas Hb terhadap O2? Untuk mengatasi masalah tersebut, jawablah pertanyaan berikut:

1. di mana dan dari apa 2,3-bifosfogliserat (2,3-BPG) disintesis? Tulis rumusnya, tunjukkan muatan molekul ini.

2. Bentuk hemoglobin (oksi atau deoksi) manakah yang berinteraksi dengan BPG dan mengapa? Di bagian molekul Hb manakah interaksi terjadi?

3. ke arah manakah proses yang ditunjukkan pada diagram terjadi?

a) di kapiler jaringan;

b) di kapiler paru-paru?

4. dimana konsentrasi kompleks harus lebih tinggi

Nv-2,3-BFG:

a) di kapiler otot saat istirahat,

b) di kapiler otot yang bekerja (asalkan konsentrasi BPG yang sama dalam eritrosit)?

5. Bagaimana afinitas HB terhadap oksigen berubah ketika seseorang beradaptasi dengan kondisi dataran tinggi, jika konsentrasi BPG dalam eritrosit meningkat? Apa signifikansi fisiologis dari fenomena ini?

4. Penghancuran 2,3-BPG selama penyimpanan darah yang diawetkan mengganggu fungsi HB. Bagaimana afinitas HB terhadap O 2 berubah dalam darah yang diawetkan jika konsentrasi 2,3-BPG dalam eritrosit dapat menurun dari 8 menjadi 0,5 mmol/l. Apakah mungkin untuk mentransfusikan darah tersebut ke pasien yang sakit parah jika konsentrasi 2,3-BPG pulih tidak lebih awal dari setelah tiga hari? Apakah mungkin mengembalikan fungsi sel darah merah dengan menambahkan 2,3-BPG ke dalam darah?

5. Ingat struktur molekul imunoglobulin paling sederhana. Apa peran imunoglobulin dalam sistem kekebalan? Mengapa Ig sering disebut bivalen? Bagaimana hubungan struktur Ig dengan fungsinya? (Jelaskan dengan menggunakan contoh kelas imunoglobulin.)

Sifat fisikokimia protein dan metode pemisahannya.

6. Bagaimana muatan bersih suatu protein mempengaruhi kelarutannya?

a) tentukan muatan total peptida pada pH 7

Ala-Glu-Tre-Pro-Asp-Liz-Cis

b) bagaimana muatan peptida ini berubah pada pH >7, pH<7, рН <<7?

c) berapa titik isoelektrik suatu protein (IEP) dan di lingkungan manakah letaknya?

IET dari peptida ini?

d) pada nilai pH berapa kelarutan peptida ini paling kecil akan diamati.

7. Mengapa susu asam, tidak seperti susu segar, “mengental” ketika direbus (yaitu, kasein protein susu mengendap)? Dalam susu segar, molekul kasein mempunyai muatan negatif.

8. Filtrasi gel digunakan untuk memisahkan protein individu. Campuran yang mengandung protein A, B, C dengan berat molekul masing-masing sebesar 160.000, 80.000 dan 60.000, dianalisis dengan filtrasi gel (Gbr. 1.35). Butiran gel yang membengkak dapat ditembus oleh protein dengan berat molekul kurang dari 70.000 Prinsip apa yang mendasari metode pemisahan ini? Grafik manakah yang mencerminkan hasil fraksinasi dengan benar? Tunjukkan urutan pelepasan protein A, B, dan C dari kolom.

Beras. 1.35. Menggunakan Filtrasi Gel untuk Pemisahan Protein

9. Pada Gambar. 1.36, A menunjukkan diagram elektroforesis di atas kertas protein serum darah orang sehat. Jumlah relatif fraksi protein yang diperoleh dengan metode ini adalah: albumin 54-58%, α 1 -globulin 6-7%, α 2 -globulin 8-9%, β-globulin 13%, γ-globulin 11-12% .

Beras. 1.36 Elektroforesis pada kertas protein plasma darah orang sehat (A) dan pasien (B)

I - γ-globulin; II - β-globulin; AKU AKU AKU -α 2 -globulin; IV -α 2 -globulin; V - albumin

Banyak penyakit disertai dengan perubahan kuantitatif komposisi protein serum (disproteinemia). Sifat perubahan ini diperhitungkan saat membuat diagnosis dan menilai tingkat keparahan dan stadium penyakit.

Menggunakan data yang diberikan dalam tabel. 1.5, tebak penyakitnya, yang ditandai dengan profil elektroforesis yang ditunjukkan pada Gambar. 1.36.

Tabel 1.5. Perubahan konsentrasi protein serum pada patologi

AA bersifat monomer unit struktural molekul protein yang membentuk rantai polipeptida. AA dapat ditemukan dalam dua bentuk sterik: aku- Dan D-. Bentuk-bentuk ini adalah cermin simetris. Di dalamnya, radikal samping masif R dan atom H pada karbon α berpindah tempat. Hanya glisin, yang rantai sampingnya terdiri dari atom H, yang tidak memiliki bentuk ini. Rantai samping terdiri dari residu aku- asam amino, hanya saja mereka dikodekan oleh gen. Residu D tidak dikodekan selama sintesis protein matriks, tetapi disintesis oleh enzim khusus. Recemisasi(transisi L- ke D-) praktis tidak terjadi selama biosintesis, serta secara spontan pada protein, tetapi sering terjadi selama sintesis kimia peptida.

Molekul protein ditandai dengan adanya kuat kovalen dan relatif lemah ikatan non-kovalen. Kombinasi ikatan kovalen dan non-kovalen ini memberikan kekuatan dan dinamisme tertentu pada molekul protein selama fungsinya (Gbr. 1).

a – interaksi elektrostatis; b – ikatan hidrogen; c – interaksi rantai samping non-polar yang disebabkan oleh dorongan radikal hidrofobik ke zona “kering” oleh molekul pelarut; d – ikatan disulfida (garis lengkung ganda menunjukkan tulang punggung ikatan polipeptida).

Gambar 1 – Jenis ikatan dalam molekul protein (menurut Filippovich).

Kovalen ikatan dalam molekul protein dapat terdiri dari dua jenis - peptida dan disulfida. AA dalam rantai protein saling berhubungan peptida koneksi DENGAN Dan N atom. Ikatan peptida atau asam amino ( -CO-NH-), adalah ikatan kovalen yang khas. Ikatan peptida terjadi ketika gugus karboksil dari satu asam amino berinteraksi dengan gugus amino lainnya. Gugus amino dan karboksil bebas dari dipeptida yang terbentuk dapat kembali masuk ke dalam reaksi polikondensasi dengan molekul AA baru, membentuk senyawa dengan berat molekul tinggi. Jadi, dengan bantuan ikatan peptida, residu asam amino dihubungkan satu sama lain, membentuk tulang punggung molekul protein yang teratur, dari mana berbagai kelompok samping (R 1 ... RM) memanjang. Jumlah unit rantai samping (M) dikodekan oleh gen dan berkisar dari beberapa puluh hingga ribuan. Dalam proses biosintesis protein, residu asam amino individu dihubungkan satu sama lain dalam urutan linier:

NH-CH-CO-NH-CH-CO- …-NH-CH-CO-

Senyawa yang terbentuk akibat kondensasi beberapa AA disebut peptida(di-, tri-, tetrapeptida, dll.). Peptida tidak hanya mengandung AA proteinogenik, tetapi juga non-proteinogenik. Peptida memainkan peran penting sebagai perantara dalam metabolisme, dan banyak di antaranya merupakan senyawa yang sangat aktif secara fisiologis. Peptida mencakup beberapa antibiotik (gramicidin, licheniformin), hormon (insulin, oksitosin, vasopresin), dan racun (amanitin). Peptida dapat berupa rantai polipeptida tertutup, yaitu dapat berupa siklopeptida, dan beberapa bahkan memiliki struktur bisiklik. Di antara siklopeptida terdapat zat yang sangat beracun (jamur payung beracun ( Amanita phalloides).

Nama peptida ditentukan oleh nama AA yang termasuk dalam komposisinya, dicantumkan secara berurutan, dimulai dari ujung-N, dan akhiran -in- pada nama semua AA, kecuali terminal-C. , yang memiliki gugus COOH bebas (karboksil), diganti dengan akhiran -il. Misalnya, jika dua molekul alanin dan satu molekul glisin berperan dalam pembentukan tiga peptida, tripeptida tersebut disebut alanylalanylglycine atau alaalagli. Asam amino disingkat dengan simbol tiga huruf (Tabel 1).

Tabel 1 - Singkatan dari asam amino

Mereka memainkan peran penting dalam menstabilkan struktur spasial molekul protein. ikatan kovalen disulfida (-S-S-), yang terbentuk sebagai hasil oksidasi gugus sulfhidril dari residu sistein. Ikatan disulfida dapat terbentuk antara residu sistein dari dua rantai polipeptida atau dua residu sistein dari satu rantai polipeptida, menstabilkan konformasi tertentu dari molekul protein. Dalam menstabilkan konformasi molekul protein, mereka memainkan peran penting ikatan non-kovalen Dan interaksi. Ini termasuk interaksi hidrofobik, elektrostatik, ionik, serta ikatan hidrogen. Mereka mendukung struktur spasial protein jauh lebih lemah daripada ikatan kimia yang memperbaiki urutan monomer (AA) dalam rantai protein.

Interaksi hidrofobik terjadi ketika hidrokarbon hidrofobik dan radikal aromatik dari beberapa asam amino (alanin, valin, leusin, isoleusin, fenilalanin, dan triptofan) bersatu. Proses interaksi hidrofobik dapat direpresentasikan sebagai pergerakan gugus non polar dari rantai polipeptida (metil -CH 3, etil -C 2 H 5, fenil -C 6 H 6) dari air ke daerah hidrofobik yang terbentuk karena adanya asosiasi kelompok-kelompok ini. Akibat pergerakan ini, gugus nonpolar muncul berdekatan satu sama lain di bagian dalam molekul, dan gugus hidrofilik terletak di permukaan dan bersentuhan dengan air.

Ikatan hidrogen terbentuk antara atom hidrogen yang terikat secara kovalen dengan atom yang mengandung pasangan elektron bebas atau atom elektronegatif lainnya. Dalam struktur biologis, ikatan hidrogen paling sering dibentuk oleh atom hidrogen yang terikat pada oksigen atau nitrogen. Ikatan hidrogen dapat bersifat intra dan antar rantai. Ikatan hidrogen intrarantai menstabilkan struktur heliks α, dan ikatan hidrogen antar rantai menstabilkan struktur lembaran β.

Ikatan ionik (garam). Mereka mungkin terbentuk antara gugus karboksil bebas yang terdisosiasi (COO -) dari asam amino monoaminodikarboksilat (glutamat dan aspartat) dan gugus amino bebas terprotonasi (NH 3 +) dari asam amino diamino-monokarboksilat. Ikatan ion dapat bersifat intra dan antar rantai.

Tingkat organisasi struktural suatu molekul tupai. Sifat fungsional protein ditentukan oleh urutan AA dan struktur spasialnya. Dari sudut pandang ini ada empat tingkatan: struktur primer, sekunder, tersier dan kuaterner.

Di bawah struktur primer memahami komposisi kualitatif dan kuantitatif AA, serta urutan susunannya dalam rantai polipeptida molekul protein. Molekul protein dapat memiliki satu atau lebih rantai polipeptida. Misalnya molekul enzim ribonuklease mewakili satu rantai polipeptida yang memiliki delapan residu sistein yang membentuk empat ikatan disulfida intramolekul. Hormon insulin terdiri dari dua rantai polipeptida yang dihubungkan oleh jembatan disulfida antara residu sistein.

Struktur sekunder menunjukkan konfigurasi spasial suatu molekul protein. Ada tiga jenis struktur sekunder: heliks α, lipatan β, dan heliks kolagen.

Mereka memainkan peran penting dalam menstabilkan struktur sekunder. ikatan hidrogen, yang muncul antara atom hidrogen yang terikat pada atom nitrogen elektronegatif dari satu ikatan peptida dan atom oksigen karbonil dari asam amino keempat darinya, dan diarahkan sepanjang sumbu heliks. Perhitungan energi menunjukkan bahwa α-helix tangan kanan lebih efisien (Gbr. 2). Fibrilar α-keratin (wol, kulit, bulu) terdiri dari beberapa rantai polipeptida yang memiliki konfigurasi heliks α tangan kanan dan membentuk superspiral kuat yang menjalankan fungsi mekanis.

Gambar 2 – konfigurasi α-heliks dari struktur protein

Jenis lain dari struktur sekunder protein disebut struktur lembaran β atau lapisan lipit β. Pada Gambar. Gambar 3 menunjukkan model struktur seperti itu (a – tampak samping, b – tampak atas). Titik-titik pada gambar menunjukkan hidrogen-

Gambar 3 – Konfigurasi β-sheet dari struktur protein

koneksi baru. Dengan penataan ruang ini, terbentuk sistem fragmen paralel dan antiparalel dari satu atau lebih rantai polipeptida. Rantai polipeptida pada tata letaknya memanjang sepenuhnya. Lipatan muncul karena bidang dua ikatan peptida yang berdekatan membentuk sudut tertentu. Sistem ini distabilkan oleh ikatan hidrogen transversal antar rantai yang terletak tegak lurus terhadap orientasi ikatan polipeptida. Jarak antar rantai adalah 0,95 nm, dan periode identitas sepanjang rantai adalah 0,70 nm untuk rantai paralel dan 0,65 nm untuk rantai antiparalel. Struktur ini merupakan karakteristik protein fibrilar (β-keratin, fibroin, dll.). Secara khusus, β-keratin dicirikan oleh susunan rantai polipeptida paralel, yang selanjutnya distabilkan oleh ikatan S-S antar rantai. Pada fibroin sutra, rantai polipeptida yang berdekatan bersifat antiparalel.

Jenis struktur sekunder yang ketiga adalah spiral kolagen. Terdiri dari tiga rantai heliks berbentuk batang dengan diameter 1,5 nm dan panjang sekitar 300 nm. Rantai heliks berputar satu sama lain untuk membentuk superhelix. Jarak antara dua residu AK sepanjang sumbu heliks adalah 0,29 nm, dan terdapat 3,3 residu per putaran heliks. Heliks kolagen distabilkan oleh ikatan hidrogen yang timbul antara hidrogen dari gugus peptida NH dari residu AA dari satu rantai dan oksigen dari gugus CO dari residu AA dari rantai lainnya. Struktur ini memberikan protein elastisitas dan kekuatan yang tinggi.

Struktur tersier. Sebagian besar protein dalam keadaan aslinya memiliki struktur yang sangat kompak, yang ditentukan oleh ukuran, bentuk, polaritas radikal AK, serta urutan AK (Gbr. 4). Pembentukan struktur globular asli merupakan proses multikomponen yang didasarkan pada berbagai jenis interaksi non-kovalen. Transformasi rantai polipeptida yang tidak terlipat menjadi molekul kompak disertai dengan interaksi hidrofobik radikal hidrokarbon asam amino seperti leusin, isoleusin, fenilalanin, triptofan, yang jaraknya cukup jauh satu sama lain dalam rantai polipeptida. Hampir semuanya non-polar atau radikal hidrofobik AK ini terletak di dalam globule dan menjamin stabilitas strukturnya. Radikal polar atau ionik (terutama asam aspartat dan glutamat, arginin dan lisin) terletak di permukaan luar molekul dan berada dalam keadaan terhidrasi. Di tempat rantai polipeptida terlipat, residu asam amino seperti prolin, isoleusin, dan serin terlokalisasi, yang tidak mampu membentuk struktur heliks. Jadi, ada hubungan erat antara urutan AK dalam suatu protein dan konformasinya. Perbedaan komposisi asam amino dan urutan residu AK individu menyebabkan munculnya titik-titik tidak stabil lokal dalam rantai polipeptida, di mana stabilitas α-heliks terganggu dan tikungan dapat tercipta di bawah pengaruh berbagai molekul. kekuatan.

Gambar 4 – Struktur protein tersier

Interaksi hidrofobik dan ionik, ikatan hidrogen, dll. mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap proses pembentukan konformasi asli suatu protein atau struktur tersiernya.Di bawah pengaruh gaya-gaya ini, konformasi molekul protein yang sesuai secara termodinamika dan stabilisasinya terjadi. dicapai. Setelah proses pelipatan rantai polipeptida selesai, ikatan kovalen disulfida berperan penting dalam menstabilkan konformasinya.

Saat ini, struktur tersier mioglobin, hemoglobin, RNase, lisozim, kimotripsin, karboksipeptidase dan protein lainnya telah diuraikan.

Di bawah struktur kuaterner menyiratkan cara khas untuk menggabungkan dan mengatur secara spasial rantai polipeptida individu yang membentuk satu molekul individu yang fungsional. Komposisi dan kompleksitas struktur subunit primer, sekunder dan tersier dapat sangat bervariasi. Misalnya, molekul hemoglobin terdiri dari empat subunit, yang digabungkan menjadi multimer dengan berat molekul 60.000-70.000, RNA polimerase dari E.coli memiliki lima subunit, dan protein virus mosaik tembakau mengandung beberapa ribu subunit identik dengan berat molekul masing-masing sekitar 17.500. Ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, van der Waals dan hidrofobik berperan dalam pembentukan struktur kuaterner.

Struktur kuaterner beberapa protein dicirikan oleh susunan subunit globular (hemoglobin), sedangkan protein lain digabungkan menjadi struktur kuaterner spiral sesuai dengan jenis simetri sekrup (virus mosaik tembakau). Struktur kuaterner telah ditetapkan untuk hemoglobin, virus mosaik tembakau, RNA polimerase, laktat dehidrogenase, katalase, aspartat karbamoilase, dll.

Semua proses di dalam sel dilakukan dengan partisipasi protein. Fungsinya sangat beragam. Setiap protein tertentu, sebagai zat dengan struktur kimia tertentu, menjalankan satu fungsi yang sangat terspesialisasi dan, hanya dalam beberapa kasus individual, beberapa fungsi yang saling terkait.

Turun dari tingkat seluler ke tingkat molekuler kita Kami menemukan fungsi utama protein berikut:

1.Fungsi katalitik (enzimatik): Banyak reaksi biokimia pada organisme hidup terjadi dalam kondisi ringan pada suhu mendekati 40°C dan nilai pH mendekati netral. Dalam kondisi ini, laju sebagian besar reaksi dapat diabaikan, sehingga diperlukan katalis biologis khusus untuk pelaksanaannya yang dapat diterima - enzim. Bahkan reaksi sederhana seperti dehidrasi asam karbonat:

CO 2 + H 2 O HCO 3 - + H +

dikatalisis oleh enzim karbonat anhidrase. Secara umum, semua reaksi, kecuali reaksi fotolisis air 2H 2 O®4H + + 4e - + O 2, dikatalisis oleh enzim dalam organisme hidup. Biasanya, enzim adalah protein atau kompleks protein dengan beberapa protein kofaktor– ion logam atau molekul organik khusus. Enzim mempunyai selektivitas kerja yang tinggi, terkadang unik. Misalnya, enzim yang mengkatalisis penambahan asam a-amino ke t-RNA yang sesuai selama biosintesis protein hanya mengkatalisis penambahan asam L-amino dan tidak mengkatalisis penambahan asam D-amino.

2. Fungsi transpor protein. Protein berfungsi untuk menyimpan dan mengangkut oksigen (hemoglobin, hemocyanin). Fungsi ini mirip dengan fungsi enzimatik, tetapi berbeda karena O 2 tidak mengalami perubahan.

Banyak zat harus masuk ke dalam sel, menyediakan bahan bangunan dan energi. Pada saat yang sama, semua membran biologis dibangun berdasarkan satu prinsip - lapisan ganda lipid di mana berbagai protein direndam, dengan daerah hidrofilik makromolekul terkonsentrasi pada permukaan membran, dan “ekor” hidrofobik di dalam membran. ketebalan membran. Struktur ini tidak dapat ditembus oleh komponen penting seperti gula, asam amino, dan ion logam alkali. Penetrasi mereka ke dalam sel dilakukan dengan menggunakan protein transpor khusus yang tertanam dalam membran sel.

3. Fungsi regulasi- polipeptida dengan berat molekul rendah (insulin, oksitosin), hormon merangsang aktivitas fungsional dalam sel jaringan dan organ lain.

4. Fungsi imunologi pelindung. Sistem imun mempunyai kemampuan untuk merespon munculnya partikel asing dengan memproduksi limfosit dalam jumlah besar yang secara spesifik dapat merusak partikel tersebut, dapat berupa sel asing seperti bakteri patogen, sel kanker, partikel supramolekul seperti virus, makromolekul, termasuk protein asing. Salah satu kelompok limfosit - limfosit B, menghasilkan protein khusus yang dilepaskan ke sistem peredaran darah yang mengenali partikel asing, membentuk kompleks yang sangat spesifik pada tahap penghancuran ini. Protein-protein ini adalah imunoglobulin organisme tingkat tinggi, melindunginya dari biopolimer asing karena struktur spesifiknya (gugus fungsi).

5.Fungsi penyimpanan, transmisi sinyal kimia dan listrik.

6. Fungsi struktural. Selain protein yang menjalankan fungsi halus dan sangat terspesialisasi, terdapat juga protein yang memiliki signifikansi struktural. Mereka memberikan kekuatan mekanik dan sifat mekanik lainnya pada jaringan individu organisme hidup. Pertama-tama ini kolagen- komponen protein utama dari matriks ekstraseluler jaringan ikat. Pada mamalia, kolagen membentuk hingga 25% dari total massa protein. Dalam jaringan elastis - kulit, dinding pembuluh darah, paru-paru - selain kolagen, matriks ekstraseluler mengandung protein elastin, mampu meregang cukup luas dan kembali ke keadaan semula.

Contoh lain dari protein struktural adalah fibroin sutra, yang dikeluarkan ulat sutera selama pembentukan pupa dan menjadi komponen utama benang sutera.

7. Protein motorik. Kontraksi otot adalah proses di mana energi kimia yang disimpan dalam bentuk ikatan pirofosfat berenergi tinggi dalam molekul ATP diubah menjadi kerja mekanis. Peserta langsung dalam proses kontraksi adalah dua protein - aktin dan miosin.

8. Fungsi reseptor. Yang sangat penting, terutama untuk berfungsinya organisme multiseluler, adalah protein reseptor, tertanam dalam membran plasma sel dan berfungsi untuk memahami dan mengubah berbagai sinyal yang masuk ke dalam sel, baik dari lingkungan maupun dari sel lain. Yang paling banyak dipelajari adalah reseptor asetilkolin, terletak di membran sel di sejumlah kontak interneuron, termasuk di korteks serebral, dan di persimpangan neuromuskular. Protein ini secara khusus berinteraksi dengan asetilkolin dan merespons dengan mengirimkan sinyal ke dalam sel. Setelah menerima dan menerjemahkan sinyal, neurotransmitter harus dilepas untuk mempersiapkan sel menerima sinyal berikutnya.

9. Racun: Sejumlah organisme hidup menghasilkan zat yang sangat beracun - racun - sebagai perlindungan terhadap musuh potensial. Banyak di antaranya adalah protein, namun ada juga molekul organik kompleks dengan berat molekul rendah. Contoh zat semacam itu adalah jamur payung yang beracun - a-amanitin: Senyawa ini secara khusus menghambat sintesis mRNA eukariotik. Bagi manusia, dosis yang mematikan adalah beberapa mg racun ini.

Struktur protein primer dan sekunder. Protein bukanlah entitas statis. Ini adalah struktur yang dapat mengalami perubahan konformasi tertentu dalam proses fungsi biologis. Analisis konformasi dilakukan berdasarkan berbagai tingkat organisasi molekul protein. Pada tahun 1959, K. Linderström-Lang mengidentifikasi empat tingkat organisasi struktural protein - struktur primer, sekunder, tersier, dan kuaterner. Kemudian, berdasarkan perbandingan data analisis difraksi sinar-X, kalorimetri, dan metode lainnya, dua tingkat organisasi lagi diidentifikasi - struktur supersekunder dan domain protein.

Urutan asam amino disebut struktur primer suatu protein. Studi tentang susunan asam amino dalam protein merupakan tahapan penting dalam studi struktur protein. Saat ini analisis tersebut dilakukan secara otomatis menggunakan perangkat sequinator. Dalam beberapa tahun terakhir, metode baru untuk menentukan urutan asam amino telah digunakan. Sebuah fragmen DNA yang mengandung gen struktural dari protein tertentu diisolasi, urutan nukleotida diuraikan dan diterjemahkan sesuai dengan kode genetik menjadi urutan asam amino. Struktur primer adalah representasi satu dimensi dari molekul protein. Pengetahuan tentang struktur primer digunakan untuk memprediksi struktur sekunder dan tersier suatu protein. Penggunaan serentak urutan asam amino dan peta kristalografi kerapatan elektron memungkinkan untuk merekonstruksi susunan spasial semua kelompok atom dalam protein.

Dalam rantai polipeptida, gugus peptida berbentuk datar dan kaku. Rantai polipeptida dapat direpresentasikan sebagai rangkaian bidang serupa (gugus peptida) yang dihubungkan satu sama lain melalui ikatan tunggal. Rotasi pada obligasi ini tidak sepenuhnya bebas karena adanya pembatasan sterik. Sudut putaran pada ikatan C – C a dilambangkan dengan ψ, dan sudut putaran pada ikatan N – C a menunjukkan φ. G. Ramachandran menghitung keadaan konformasi rantai polipeptida menggunakan komputer dan menentukan kisaran kemungkinan nilai ψ dan (grafik Ramachandran atau peta konformasi). Pada peta konformasi, nilai sudut ψ dan φ pada protein tidak sembarangan, nilai tersebut jelas terbatas pada wilayah tertentu, yang menunjukkan adanya sejumlah konformasi rantai polipeptida.

Struktur sekunder suatu protein dipahami sebagai susunan rantai polipeptida yang teratur, yang distabilkan oleh ikatan hidrogen di antaranya kelompok peptida. Mempertimbangkan tingkat struktural ini, kita berbicara tentang konformasi lokal bagian rantai polipeptida. Struktur sekunder yang paling umum dan paling disukai secara energik dan sterik adalah kanan α– spiral, yang pertama kali didalilkan oleh L. Pauling dan R. Corey (1951). Karakteristik yang paling penting α– heliks: 1) jumlah residu asam amino per langkah heliks adalah 3,6; 2) nada heliks d = 0,54 nm; 3) translasi per residu sepanjang heliks Δd = 0,15 nm; 4) radius α– spiral R= 0,23nm; 5) ikatan hidrogen (sejajar dengan sumbu heliks) terbentuk antara setiap gugus peptida pertama dan keempat; 6) untuk α– spiral φ = -57° dan ψ = -47°. Dilihat dari penampangnya α– Spiral bergeser ke kanan sebesar 60° pada setiap putaran. Akibat pergeseran tersebut, hanya setelah 10 putaran, gugus peptida pertama akan sama persis dengan gugus peptida ke-36.

Struktur sekunder molekul protein adalah lembaran lipatan β paralel dan antiparalel (atau struktur β). Pada peta konformasi Ramachandran untuk lembaran β dengan rantai antiparalel φ = -139° dan ψ = +135°, untuk lapisan β dengan rantai paralel rantai φ = - 119° dan ψ = +113°. Kebanyakan mereka memiliki tidak lebih dari enam rantai polipeptida yang distabilkan oleh ikatan hidrogen dan enam residu asam amino di sepanjang setiap rantai. Dimensi lembaran tersebut adalah: lebar t = 2,5 nm, panjang l = 2,0 nm. Kebanyakan lembaran yang dilipat berbentuk gulungan. Puntirannya tegak lurus terhadap rantai yang memanjang.

Tingkat organisasi molekul protein berikutnya adalah struktur supersekunder. Contoh struktur tersebut adalah struktur superheliks. Ada dua α– heliks (dalam tropomiosin, meromiosin ringan, paramiosin) atau tiga α -heliks (dalam fibrinogen) dipelintir relatif satu sama lain. Nada superkoil dalam meromiosin ringan adalah α= 18,6nm. Dengan menggunakan contoh tropomiosin dengan rangkaian asam amino yang diketahui, disimpulkan bahwa superheliks distabilkan oleh interaksi hidrofobik antar individu. α -spiral.

Struktur rantai primer dan pembentukan globul protein

Salah satu masalah terpenting dalam fisika protein adalah masalah hubungan antara struktur primer rantai polipeptida dan struktur spasial globul. Struktur spasial asli makromolekul berfungsi secara biologis, dan struktur primernya dikodekan secara genetis. Dan mengapa molekul protein membentuk globul, dengan kata lain mengapa protein mampu berkumpul sendiri dan protein dalam keadaan ini sudah dapat menjalankan fungsinya? Seperti yang ditemukan Guzzo, susunan spesifik asam amino penting untuk struktur spasial suatu protein. Ada asam amino “non-heliks” yang tidak dapat membentuk heliks dan asam amino “heliks” yang dapat membengkok (asp, cis, tyr, ser). Putaran dan susunan molekul bergantung pada hal ini. Dan asam amino glisin juga sangat penting untuk pembentukan struktur spasial protein - seperti sambungan universal yang dapat menempati berbagai posisi.

Saat ini diasumsikan bahwa pengorganisasian mandiri suatu globul protein bukanlah hasil dari suatu proses yang terarah. Banyak peneliti percaya bahwa program pengorganisasian mandiri yang bebas kesalahan dikodekan dalam struktur primer itu sendiri. Organisasi mandiri terjadi secara bertahap, sehingga pada setiap tahap berikutnya terbentuklah struktur yang semakin kompleks dan stabil.

Konformasi reguler rantai polipeptida yang distabilkan oleh ikatan hidrogen ( α dan β - bentuk) stabil hanya dalam kondisi tertentu.Perubahan suhu, pH, dan pelarut medium menyebabkan transisi konformasi. American Doty menemukan bahwa transisi helix-coil terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Transisi ini ditandai dengan perubahan viskositas, hamburan cahaya, dll. Tajamnya transisi menunjukkan sifat kooperatif, yakni saling bekerjasama. Setiap mata rantai makromolekul berada dalam keadaan tetap dengan bantuan ikatan hidrogen. Di bawah pengaruh faktor asing, kemasan molekul berubah, mis. konformasi.

Menurut ilmuwan Ptitsin, pada tahap pertama, inti bagian heliks yang berfluktuasi (berubah, tidak stabil) dengan struktur memanjang (tempat gambar) terbentuk dalam rantai protein yang tidak terlipat. Pada tahap kedua, satu atau lebih pasang embrio bersatu, membentuk pusat organisasi struktur tersier. Pada tahap ketiga, pusat-pusat tersebut tumbuh karena melekatnya bagian-bagian rantai yang berdekatan.

Dan pada tahap terakhir, tahap keempat, satu struktur kompak bola dibentuk oleh pertumbuhan atau kombinasi beberapa pusat.

Domain protein dan struktur tersier

Struktur tersier suatu protein adalah bentuk pelipatan dan pelipatan rantai polipeptida yang paling stabil secara termodinamika. Timbul pertanyaan, bagaimana pelipatan protein terjadi, bagaimana informasi satu dimensi yang tertanam dalam rangkaian asam amino direalisasikan menjadi informasi spasial? Eksperimen denaturasi dan renaturasi protein menunjukkan bahwa proses penghancuran dan pembentukan struktur tersier kompak terjadi cukup cepat: nuklease stafilokokus terlipat kembali dalam 1 detik.

Model nukleasi digunakan untuk menjelaskan proses koagulasi. Model ini mengasumsikan bahwa segmen-segmen pendek rantai polipeptida dengan cepat terlipat secara independen satu sama lain, dan pada tahap kedua segmen-segmen tersebut saling mendekat, membentuk struktur tiga dimensi yang kompak. Segmen protein terbentuk α -heliks dan β-sheet dengan kecepatan tinggi. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa Transisi kumparan spiral berlangsung dalam waktu 10 -6 hingga 10 -8 detik.

Baru-baru ini, tingkat organisasi struktural penting lainnya telah diidentifikasi dalam protein. Analisis peta kerapatan elektron protein dengan berat molekul lebih dari 20.000 menunjukkan bahwa protein terdiri dari beberapa daerah globular yang terhubung lemah satu sama lain. Area ini disebut domain. Domain individu seringkali dapat diisolasi dari protein menggunakan enzim proteolitik tanpa kehilangan sifat fungsionalnya. Domain didefinisikan sebagai wilayah satu rantai polipeptida yang terkandung dalam volume kompak. Ini adalah bagian dari rantai yang melengkung dan terungkap dalam protein secara independen satu sama lain.

Sebuah domain dapat dipandang sebagai unit struktural yang relatif otonom. Menggunakan pemindaian mikrokalorimetri, Privalov menunjukkan adanya protein kompleks dari blok kooperatif individu, yang ditandai dengan transisi struktural yang tiba-tiba selama denaturasi termal. Ternyata itu dalam banyak kasus, protein kooperatif tersebut sangat sesuai dengan fragmen proteolitik protein yang diisolasi. Hal ini memungkinkan untuk mengidentifikasi blok kooperatif dengan domain protein. Seringkali fragmen proteolitik yang diisolasi memiliki sifat struktural yang mirip dengan blok kooperatif, yaitu. suhu leleh dan entalpi transisinya bertepatan, dan mereka juga mempertahankan karakteristik fungsional protein asli. Domain-domain tersebut saling berhubungan oleh sejumlah ikatan peptida yang sangat terbatas, yang relatif mudah dipecah oleh enzim proteolitik.

Saat ini, dengan menggunakan pemindaian mikroskop elektron mikrokalorimetri dan pembelahan proteolitik, struktur domain dalam protein molekul tinggi seperti imunoglobulin, miosin, fibrinogen, dll.

Domain mungkin mewakili formasi perantara yang penting dalam proses pelipatan struktur protein asli. Protein yang terdiri dari domain harus memiliki struktur yang lebih fleksibel dibandingkan protein yang wilayahnya berbeda-beda. Tampaknya , perubahan konformasi reversibel yang mempengaruhi fungsi enzim berhubungan dengan penataan ulang antardomain tanpa mengubah stabilitas struktural domain itu sendiri.

Hipotesis globul cair. Salah satu cara untuk mempelajari pelipatan rantai polipeptida menjadi struktur tiga dimensi adalah denaturasi dan renaturasi selanjutnya dari molekul protein.

Eksperimen K. Anfinsen dengan ribonuklease dengan jelas menunjukkan kemungkinan menyusun struktur spasial yang terganggu akibat denaturasi.

Dalam hal ini, pemulihan konformasi asli tidak memerlukan adanya struktur tambahan. Model pelipatan rantai polipeptida apa menjadi konformasi yang sesuai yang paling mungkin? Salah satu hipotesis umum mengenai pengorganisasian mandiri protein adalah hipotesis globul cair. Dalam konsep ini, beberapa tahap perakitan protein dibedakan.

1. Dalam rantai polipeptida yang terbuka, dengan bantuan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik, bagian individu dari struktur sekunder terbentuk, yang berfungsi sebagai benih untuk pembentukan struktur sekunder dan supersekunder yang lengkap.

2. Ketika jumlah bagian ini mencapai nilai ambang batas tertentu, terjadi reorientasi radikal samping dan transisi rantai polipeptida menjadi bentuk baru yang lebih kompak, dan jumlah ikatan non-kovalen meningkat secara signifikan. Ciri khas tahap ini adalah pembentukan kontak spesifik antara atom-atom yang terletak di bagian jauh rantai polipeptida, tetapi semakin berdekatan sebagai akibat dari pembentukan struktur tersier.

3. Pada tahap terakhir, konformasi asli molekul protein terbentuk, terkait dengan penutupan ikatan disulfida dan stabilisasi akhir konformasi protein. Agregasi nonspesifik dari rantai polipeptida yang terlipat sebagian juga dimungkinkan, yang dapat diklasifikasikan sebagai kesalahan dalam pembentukan protein asli. Rantai polipeptida terlipat sebagian (tahap 2) disebut globul cair, dan panggung 3 adalah yang paling lambat dalam pembentukan protein matang.

Sel mengandung sejumlah protein yang tidak aktif secara katalitik, yang bagaimanapun memberikan kontribusi besar terhadap pembentukan struktur protein spasial. Inilah yang disebut chapiron dan chapironin. Salah satu penemu chapiron molekuler, L. Ellis, menyebutnya sebagai kelas fungsional dari keluarga protein yang tidak terkait yang membantu perakitan non-kovalen yang benar dari struktur yang mengandung polipeptida lainnya secara in vivo, tetapi bukan merupakan bagian dari struktur rakitan dan tidak berpartisipasi dalam pelaksanaan fungsi fisiologis normalnya.

Chapirone membantu perakitan konformasi protein tiga dimensi yang benar dengan membentuk kompleks non-kovalen yang dapat dibalik dengan rantai polipeptida yang terlipat sebagian, sekaligus menghambat ikatan yang salah bentuk yang mengarah pada pembentukan struktur protein yang tidak aktif secara fungsional. Daftar fungsi karakteristik chapirone mencakup perlindungan butiran cair dari agregasi, serta transfer protein yang baru disintesis ke berbagai lokus sel. Chapirone sebagian besar merupakan protein kejutan panas, yang sintesisnya meningkat tajam di bawah paparan suhu yang penuh tekanan. Keluarga protein ini ditemukan dalam sel mikroba, tumbuhan dan hewan. Klasifikasi chapiron didasarkan pada berat molekulnya, yang bervariasi dari 10 hingga 90 kDa. Pada dasarnya fungsi chapiron dan chapironin berbeda, meskipun keduanya merupakan protein yang membantu dalam pembentukan struktur tiga dimensi protein. Chapiron menjaga rantai polipeptida yang baru disintesis dalam keadaan terbuka, mencegahnya terlipat menjadi bentuk yang berbeda dari bentuk aslinya, dan chapironin menyediakan kondisi untuk pembentukan satu-satunya struktur protein asli yang benar.

Struktur protein kuarter

Pembentukan agregat yang terbentuk secara kacau merupakan kesalahan yang menyebabkan munculnya protein yang tidak aktif secara fungsional, oleh karena itu, sel memiliki mekanisme untuk degradasi dan pemecahannya yang cepat menjadi asam amino individu. Namun, di alam terdapat banyak agregat yang ditentukan secara genetik yang mencakup beberapa rantai polipeptida yang membentuk makromolekul protein besar. Struktur kuarter mengacu pada dua atau lebih subunit berorientasi spasial yang terkait satu sama lain. Rupanya, dalam kaitannya dengan struktur kuaterner protein, lebih tepat berbicara bukan tentang agregat, tetapi tentang kumpulan butiran. Saat mengkarakterisasi struktur kuaterner protein, pseudovariannya harus dikecualikan. Jadi, hormon protein insulin terdiri dari dua rantai polipeptida, tetapi keduanya bukan merupakan gumpalan penuh, tetapi terbentuk sebagai hasil proteolisis terbatas dari satu rantai polipeptida. Kompleks multienzim bukanlah protein dengan struktur kuaterner yang sebenarnya. Mereka adalah struktur supramolekul yang khas. Selama pembentukan struktur kuaterner, subunit individu berinteraksi satu sama lain secara eksklusif melalui ikatan non-kovalen, terutama hidrogen dan hidrofobik. Fakta yang sangat penting adalah bahwa permukaan kontak dari subunit yang berinteraksi saling melengkapi satu sama lain. Pada area kontak terdapat kelompok hidrofobik yang disebut “titik lengket”.

Orientasi timbal balik atom elektronegatif, difasilitasi oleh adanya situs komplementer, berkontribusi pada pembentukan sejumlah besar ikatan hidrogen. Hal ini memastikan penerapan efek kooperatif dan stabilisasi makromolekul. Selain itu, banyaknya ikatan non-kovalen menjadi dasar perpindahan penataan ulang struktural dari satu subunit ke subunit lainnya.

Protein dengan struktur kuaterner sering disebut oligomer. Membedakan homomer Dan heteromerik protein. Protein homomer adalah protein yang semua subunitnya mempunyai struktur yang sama. Contohnya adalah protein katalase, yang terdiri dari empat subunit yang benar-benar setara. Dalam protein heteromer, subunit individu tidak hanya berbeda dalam struktur, tetapi juga dapat menjalankan fungsi yang berbeda. Misalnya, protein RNA polimerase terdiri dari lima subunit dengan struktur berbeda dan fungsi yang tidak sama.

Protein adalah polipeptida yang berat molekulnya melebihi 6000-10000 dalton. Mereka terdiri dari sejumlah besar residu asam amino.

Berbeda dengan peptida dengan berat molekul rendah, protein memiliki struktur spasial tiga dimensi yang berkembang dengan baik, yang distabilkan oleh berbagai macam interaksi kuat dan lemah. Ada empat tingkat organisasi struktural molekul protein: struktur primer, sekunder, tersier, dan kuaterner.

Struktur utama suatu protein adalah rangkaian residu asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida.

Untuk pertama kalinya, asumsi tentang peran ikatan peptida dalam konstruksi molekul protein dikemukakan oleh ahli biokimia Rusia A. Ya.Danilevsky, yang gagasannya menjadi dasar teori polipeptida tentang struktur protein, yang dirumuskan oleh ahli kimia Jerman. E.Fischer pada tahun 1902.

Dasar dari struktur utama molekul protein dibentuk oleh tulang punggung peptida yang berulang secara teratur - NH-CH-CO-, dan radikal samping asam amino membentuk bagian variabelnya.

Struktur primer protein kuat, karena konstruksinya didasarkan pada ikatan peptida yang bersifat kovalen, yang mewakili interaksi kuat;

Dengan menggabungkan satu sama lain dalam urutan yang berbeda, asam amino proteinogenik membentuk isomer. Dari tiga asam amino, enam tripeptida berbeda dapat dibuat. Misalnya dari glisin, alanin dan valin - gli-ala-val, gli-val-ala, ala-gli-val, ala-val-gli, val-gli-ala dan val-ala-gli. Dari empat asam amino dapat dibentuk 24 tetrapeptida, dan dari lima asam amino dapat dibentuk 120 pentapeptida. Dari 20 asam amino, 2.432.902.008.176.640.000 polipeptida dapat dibuat. Selain itu, setiap asam amino digunakan dalam pembangunan rantai polipeptida yang dianggap hanya satu kali.

Banyak polipeptida alami mengandung ratusan bahkan ribuan residu asam amino, dan masing-masing dari 20 asam amino proteinogenik dapat terdapat lebih dari satu kali dalam komposisinya. Oleh karena itu, jumlah kemungkinan varian rantai polipeptida sangatlah besar. Namun, tidak semua varian urutan asam amino yang mungkin secara teoritis diwujudkan di alam.

Protein pertama yang struktur utamanya diuraikan adalah insulin sapi. Molekulnya terdiri dari dua rantai polipeptida, salah satunya mengandung 21 dan 30 residu asam amino lainnya. Rantai-rantai tersebut dihubungkan satu sama lain melalui dua ikatan disulfida. Ikatan disulfida lainnya terletak di dalam rantai pendek. Urutan susunan residu asam amino dalam molekul insulin ditetapkan oleh ahli biokimia Inggris F. Sanger pada tahun 1953.

Dengan demikian, F. Sanger membenarkan teori polipeptida tentang struktur molekul protein E. Fischer dan membuktikan bahwa protein adalah senyawa kimia yang mempunyai struktur tertentu yang dapat digambarkan dengan menggunakan rumus kimia. Sampai saat ini, struktur utama dari beberapa ribu protein telah diuraikan.

Sifat kimia setiap protein adalah unik dan berkaitan erat dengan fungsi biologisnya. Kemampuan suatu protein untuk menjalankan fungsi inherennya ditentukan oleh struktur utamanya. Bahkan perubahan kecil dalam urutan asam amino dalam suatu protein dapat menyebabkan gangguan serius pada fungsinya sehingga menyebabkan penyakit serius.

Penyakit yang berhubungan dengan gangguan pada struktur primer protein disebut penyakit molekuler. Hingga saat ini, ribuan penyakit serupa telah ditemukan.

Salah satu penyakit molekuler adalah anemia sel sabit, yang penyebabnya terletak pada pelanggaran struktur primer hemoglobin. Pada penderita kelainan bawaan struktur hemoglobin, rantai polipeptida yang terdiri dari 146 residu asam amino terdapat valin pada posisi keenam, sedangkan pada orang sehat terdapat asam glutamat pada tempat tersebut. Hemoglobin yang tidak normal mengangkut oksigen lebih buruk, dan sel darah merah pasien berbentuk sabit. Penyakit ini memanifestasikan dirinya dalam perkembangan yang lambat dan kelemahan umum tubuh.

Struktur utama suatu protein ditentukan secara genetik. Hal ini memungkinkan organisme dari spesies yang sama untuk mempertahankan kumpulan protein yang konstan. Namun, pada berbagai jenis organisme hidup, protein yang menjalankan fungsi yang sama tidak identik dalam struktur primernya - pada bagian tertentu dari rantai polipeptida, protein tersebut mungkin memiliki urutan asam amino yang berbeda. Protein seperti ini disebut homolog(“homologi” Yunani - persetujuan).

Studi tentang konformasi molekul protein telah menunjukkan bahwa rantai polipeptida tidak meregang secara linier, tetapi melipat dengan cara tertentu di ruang angkasa, membentuk struktur sekunder.

Struktur sekunder suatu protein adalah kombinasi daerah teratur dan amorf dari rantai polipeptida.

Mempelajari struktur kristal senyawa yang mengandung gugus amino, ahli biokimia Amerika L. Pauling menemukan bahwa panjang ikatan peptida mendekati panjang ikatan rangkap yaitu 0,1325 nm. Oleh karena itu, rotasi bebas atom karbon dan nitrogen di sekitar ikatan peptida menjadi sulit.

Selain itu, atom gugus peptida dan atom karbon α terletak pada rantai polipeptida kira-kira pada bidang yang sama. Dalam hal ini, pergantian rantai polipeptida hanya dapat terjadi pada ikatan yang berdekatan dengan atom karbon.

Karena rotasi gugus peptida di sekitar atom karbon-α, seperti yang ditetapkan oleh L. Pauling dan R. Corey pada awal tahun 50-an abad terakhir, rantai polipeptida terlipat menjadi heliks-α dan menjadi stabil karena pembentukan rantai polipeptida. jumlah ikatan hidrogen maksimum yang mungkin.

Selama pembentukan struktur sekunder molekul protein, ikatan hidrogen muncul antara atom-atom kelompok peptida yang terletak pada putaran heliks yang berdekatan dan saling berhadapan. Atom hidrogen yang dihubungkan melalui ikatan kovalen dengan atom nitrogen mempunyai muatan positif. Atom oksigen yang dihubungkan melalui ikatan rangkap ke atom karbon mempunyai muatan negatif. Sebuah atom hidrogen, yang berhadapan dengan atom oksigen, berikatan dengannya melalui ikatan hidrogen. Ikatan hidrogennya lemah. Namun, karena pembentukan sejumlah besar ikatan ini, pelestarian struktur yang tertata secara ketat dapat dipastikan.

Ikatan hidrogen selalu diarahkan sejajar dengan sumbu imajiner a-heliks, dan radikal asam amino diarahkan keluar dari belokannya. Gugus peptida dihubungkan satu sama lain melalui ikatan hidrogen terutama melalui empat residu asam amino, karena gugus O-C dan H-N-nya yang berdekatan secara spasial.

A-helix tidak kidal. Jika dilihat dari ujung, dari ujung N, maka puntiran rantai polipeptida terjadi searah jarum jam. Parameter a-helix telah ditetapkan. Jarak antara belokan yang berdekatan (pitch spiral) adalah ∅54 nm, dan diameter dalam heliks adalah 1,01 nm. Satu putaran penuh heliks mencakup 3,6 residu asam amino. Pengulangan lengkap struktur α-heliks terjadi setiap 5 putaran, termasuk 18 residu asam amino. Segmen α-heliks ini disebut periode identitas dan panjangnya 2,7 nm.

Rantai polipeptida tidak terlipat menjadi α-heliks sepanjang panjangnya. Persentase daerah melingkar dalam molekul protein disebut derajat spiralisasi. Protein berbeda secara signifikan dalam derajat spiralisasi, misalnya: untuk hemoglobin darah sangat tinggi - 75%, untuk insulin juga cukup tinggi - 60%, untuk albumin telur ayam jauh lebih rendah - 45%, dan untuk kimotripsinogen ( prekursor enzim pencernaan yang tidak aktif) jumlahnya sangat rendah - hanya 11%.

Perbedaan derajat helikalisasi protein dikaitkan dengan sejumlah faktor yang mengganggu pembentukan ikatan hidrogen secara teratur antara kelompok peptida. Gangguan helikalisasi terutama disebabkan oleh pembentukan ikatan disulfida oleh residu sistein yang menghubungkan berbagai bagian dari satu atau lebih rantai polipeptida. Di daerah yang dekat dengan residu asam imino prolin, di sekitar atom karbon α yang rotasi atom tetangganya tidak mungkin dilakukan, sebuah tikungan terbentuk pada rantai polipeptida.

Sejumlah asam amino proteinogenik memiliki radikal yang mencegahnya berpartisipasi dalam pembentukan α-helix. Asam amino ini membentuk lipatan paralel yang dihubungkan satu sama lain melalui ikatan hidrogen. Jenis bagian teratur rantai polipeptida ini disebut struktur lapisan terlipat, atau struktur β.

Berbeda dengan α-helix yang berbentuk batang, struktur β berbentuk lembaran terlipat. Ini distabilkan oleh ikatan hidrogen yang timbul antara kelompok peptida yang terletak di bagian rantai polipeptida yang berdekatan. Segmen-segmen ini dapat diarahkan ke satu arah - kemudian terbentuk struktur β paralel, atau ke arah yang berlawanan - dalam hal ini muncul struktur β antiparalel.

Gugus peptida dalam struktur β terletak pada bidang lipatan, dan radikal asam amino rantai samping terletak di atas dan di bawah bidang tersebut. Jarak antara bagian rantai polipeptida yang berdekatan dalam struktur lapisan terlipat adalah 0,272 nm, yang sesuai dengan panjang ikatan hidrogen antara gugus -CO- dan -NH-. Ikatan hidrogen sendiri letaknya tegak lurus dengan arah struktur lapisan terlipat. Kandungan struktur β dalam berbagai protein sangat bervariasi.

Beberapa bagian rantai polipeptida tidak mempunyai struktur teratur dan tampak sebagai kumparan acak. Daerah seperti ini disebut amorf(Yunani "amorphos" - tidak berbentuk). Namun, pada setiap protein, daerah amorf mempunyai konformasi tetapnya sendiri. Selain itu, berbeda dengan bagian yang relatif kaku - heliks α dan struktur β - kumparan amorf relatif mudah mengubah konformasinya.

Protein bervariasi dalam kandungannya dan berbagai jenis struktur sekunder. Misalnya, hanya heliks α yang ditemukan dalam struktur hemoglobin. Banyak enzim mengandung berbagai kombinasi heliks α dan struktur β; di antara imunoglobulin terdapat protein yang hanya memiliki struktur β. Terakhir, ada juga protein yang daerah terurutnya terdapat dalam jumlah kecil, dan sebagian besar rantai polipeptida memiliki struktur amorf.

Rantai polipeptida dengan struktur sekunder yang terbentuk terletak di ruang angkasa dengan cara tertentu, menciptakan tingkat organisasi struktural lain dari molekul protein - struktur tersier.

Struktur tersier suatu protein terbentuk sebagai hasil susunan spesifik bagian rantai polipeptida yang teratur dan amorf dalam volume ruang tertentu. Hal ini dipertahankan karena interaksi kuat dan lemah yang terjadi antara radikal samping residu asam amino. Interaksi kuat meliputi ikatan disulfida, dan interaksi lemah meliputi ikatan hidrogen dan ionik, serta interaksi hidrofobik.

Ikatan disulfida dibentuk oleh interaksi dua radikal residu sistein yang berjarak dekat yang mengandung gugus sulfhidril bebas.

Jembatan disulfida tidak hanya dapat menghubungkan bagian individu dalam satu rantai polipeptida, tetapi juga (dalam pembentukan struktur kuaterner suatu protein) rantai polipeptida yang berbeda.

Ikatan hidrogen dapat terjadi antara radikal samping residu asam amino yang mengandung gugus OH, misalnya antara dua residu serin.

Selain radikal residu serin, radikal residu treonin dan tirosin dapat membentuk ikatan hidrogen dengan cara yang sama.

Banyak ikatan hidrogen yang timbul antara radikal samping, misalnya: tirosin dan asam glutamat, asparagin dan serin, lisin dan glutamin, dll, juga berperan dalam pembentukan struktur tersier molekul protein.

Ikatan ionik muncul ketika radikal residu asam amino asam yang bermuatan negatif - aspartat atau glutamat - bersatu dengan radikal residu asam amino basa yang bermuatan positif - lisin, arginin, atau histidin. Ikatan ionik antara radikal asam aspartat dan residu lisin.

Interaksi hidrofobik terjadi dalam air karena adanya daya tarik radikal residu asam amino non-polar satu sama lain. Asam amino dengan radikal non-polar antara lain alanin, valin, leusin, isoleusin, fenilalanin, metionin. Interaksi hidrofobik antara radikal samping residu valin dan alanin.

Untuk menghindari kontak dengan air, radikal non-polar dari residu asam amino cenderung berkumpul di dalam molekul protein. Protein terlipat menjadi tubuh yang kompak - sebuah globule (bahasa Latin "globulus" - bola). Inti hidrofobik terbentuk di dalam globul, dan di luarnya terdapat radikal polar residu asam amino yang berinteraksi dengan air. Misalnya asam amino asam dan basa, serin, treonin, tirosin, asparagin, dan glutamin memiliki radikal polar.

Jadi, setiap globul protein dikelilingi oleh cangkang hidrasi, yang diwakili oleh apa yang disebut “lapisan air”, yang juga mencakup molekul air terstruktur yang mampu menahan hingga setengah radikal hidrofobik yang ada dalam rantai polipeptida pada permukaan globul. . Ini menentukan kelarutan protein.

Karena banyaknya interaksi antarradikal, masing-masing bagian molekul protein menjadi dekat secara spasial dan relatif tetap satu sama lain. Selama pembentukan struktur tersier suatu protein, pusat aktifnya terbentuk. Hasilnya, protein memperoleh kemampuan untuk menjalankan fungsi biologisnya.

Protein pertama yang struktur tersiernya terbentuk adalah mioglobin.

Bola-bola tersier dapat berinteraksi satu sama lain sehingga muncul satu molekul. Tetesan seperti itu disebut subunit, dan kombinasinya disebut struktur kuaterner molekul protein.

Struktur kuaterner suatu protein dapat terdiri dari sejumlah subunit yang disatukan terutama melalui interaksi lemah. Ini melekat pada banyak protein.

Subunit, yang secara khas terletak di ruang relatif satu sama lain, membentuk kompleks oligomer (multimerik). Kemampuan protein untuk membentuk struktur seperti itu memungkinkan untuk menggabungkan beberapa pusat aktif dan fungsi yang saling berhubungan menjadi satu kesatuan, yang sangat penting untuk memastikan terjadinya proses metabolisme kompleks di dalam sel.

Struktur protein kuarter dapat dibangun dari 2, 4, 6, 8, 10, 12, 24 atau lebih subunit dan jarang dari jumlah ganjil. Misalnya, struktur kuaterner hemoglobin dibentuk oleh empat subunit identik berpasangan.

Struktur kuaterner molekul protein sama uniknya dengan struktur lainnya. Dalam hal ini, seluruh kemasan tiga dimensi rantai polipeptida di ruang angkasa ditentukan oleh struktur utamanya. Struktur spasial spesifik (konformasi) di mana molekul protein mempunyai aktivitas biologis disebut warga asli(Latin nativus - bawaan).

Tupai- Ini adalah senyawa organik biopolimer molekul tinggi yang monomernya adalah asam amino. Protein diidentifikasi sebagai kelas molekul biologis yang terpisah pada abad ke-18. sebagai hasil karya ahli kimia Perancis A. de Fourcroix. Pertama kali mendeskripsikan protein dan mengusulkan namanya protein, yang dalam pengertian modern berarti protein, ahli kimia Belanda E.J. Berzelius. Isolasi protein (berupa gluten) pertama dari tepung terigu dilakukan oleh J. Beccari. Sebuah ciri penelitian protein di awal abad ke-21. perolehan data secara simultan tentang komposisi protein seluruh sel, jaringan atau organisme, yang merupakan ilmu tersendiri - proteomik .

Berat molekul protein dari 5000 hingga 150000 Ya dan lebih banyak lagi.

Salah satu protein tunggal terbesar adalah titin(komponen sarkomer otot), mengandung lebih dari 29 ribu asam amino dan memiliki berat molekul 3.000.000 Da. Tetapi protein terbesar berdasarkan massanya (lebih dari 40.000.000 Da) merupakan ciri khas virus.

Komposisi kimia . Protein terdiri dari C, Η, O, N; dalam beberapa protein adalah S, beberapa protein membentuk kompleks dengan molekul lain yang mengandungnya P, Fe, Zn, Cu. Protein adalah biopolimer dari 20 monomer berbeda - alami asam amino basa. Protein dapat membentuk kompleks interpolimer dengan karbohidrat, lipid, asam nukleat, asam fosfat, dll.

Ciri-ciri fisikokimia. Karena adanya gugus amino bebas dan gugus karboksil, protein dicirikan oleh semua sifat asam dan basa ( sifat amfoter). Disosiasi asam amino dan gugus protein karboksil menentukan mobilitas elektroforesis protein. Pada nilai pH larutan protein yang rendah, gugus amino bermuatan positif mendominasi di dalamnya, sehingga protein berada dalam bentuk kationik. Pada nilai pH tinggi, gugus COOH bermuatan negatif mendominasi dan protein akan berbentuk anionik. Pada nilai pH antara tertentu, gugus amino dan gugus karboksil dapat berinteraksi satu sama lain, maka jumlah muatannya nol, dan protein tetap tidak bergerak dalam medan listrik ( sifat listrik). Berat molekul yang tinggi memberikan larutan protein sifat-sifat yang khas dari sistem koloid, yaitu: kemampuan membentuk gel, viskositas tinggi, laju difusi rendah, tingkat pembengkakan tinggi, sehingga mengikat sekitar 80-90% dari seluruh air dalam tubuh ( sifat koloid). Pemecahan protein terjadi di bawah pengaruh asam, basa atau enzim hidrolase spesifik, yang memecahnya menjadi peptida dan asam amino. Sintesis dilakukan dari asam amino dengan prinsip templat menggunakan messenger RNA. Di bawah pengaruh berbagai bahan kimia, protein dapat menggumpal dan mengendap, kehilangan sifat alaminya. Tidak adanya muatan dan cangkang hidrasi berkontribusi pada konvergensi molekul protein, saling menempel, dan pengendapan. Fenomena ini disebut pembekuan, itu bisa terbalik dan tidak dapat diubah. Koagulasi ireversibel dapat dianggap sebagai denaturasi protein. Denaturasi adalah proses terganggunya struktur alami protein. Pada saat yang sama, kelarutan protein menurun, bentuk dan ukuran molekul berubah, dll. Proses denaturasi bersifat reversibel, yaitu kembalinya kondisi normal disertai dengan restorasi.

struktur alami protein. Proses ini disebut renaturasi . Oleh karena itu, karakteristik suatu protein ditentukan oleh struktur utamanya. Tetapi proses penghancuran struktur utama protein selalu bersifat ireversibel, demikian sebutannya penghancuran . Sifat-sifat protein bergantung pada struktur, komposisi dan urutan asam amino.

Struktur protein. Molekul protein adalah polimer linier yang terdiri dari asam amino. Selain urutan asam amino dari rantai polipeptida (struktur primer), struktur tiga dimensi (tersier sekunder dan kuaterner) sangat penting untuk berfungsinya protein, yang terkandung sebagai hasil interaksi struktur di bawah level tersebut. dan terbentuk selama proses pelipatan protein. Struktur tiga dimensi protein dalam kondisi alami normal, di mana protein menjalankan fungsi biologisnya, disebut dijahit dengan syarat protein, dan struktur itu sendiri konformasi asli Ada empat tingkat struktur protein.

Tingkat organisasi molekul protein

Struktur primer dikodekan oleh gen yang sesuai, spesifik untuk setiap protein individu dan sangat menentukan sifat-sifat protein yang terbentuk. Struktur sekunder adalah bentuk heliks (struktur α) atau struktur lembaran terlipat (konformasi β) dan merupakan keadaan rantai polipeptida yang stabil secara termodinamika dan struktur konformasi biomolekul sederhana. Contoh protein dengan struktur sekunder berbentuk spiral adalah protein keratin (membentuk rambut, kuku, bulu, dll) dan berbentuk lembaran terlipat - fibroin (protein sutra). Dalam struktur sekunder, daerah heliks α sering bergantian dengan daerah linier. Struktur tersier terjadi secara otomatis sebagai akibat interaksi residu asam amino dengan molekul air. Dalam hal ini, radikal hidrofobik “ditarik” ke dalam molekul protein, dan gugus hidrofilik berorientasi pada pelarut. Dengan cara ini, molekul protein kompak terbentuk, di dalamnya praktis tidak ada molekul air. Protein dengan struktur tersier termasuk mioglobin. Struktur Kuarter muncul sebagai akibat dari kombinasi beberapa subunit ( protomer), yang bersama-sama memenuhi kesamaan

fungsi. Kombinasi ini disebut kompleks protein ( multimer, atau epimer). Protein khas dengan struktur kuaterner adalah hemoglobin, STM, dan beberapa enzim.

Struktur akhirnya bisa sangat kompleks, dan proses penerapannya ke dalam rantai polipeptida yang baru disintesis memerlukan waktu. Proses protein mengadopsi struktur disebut pembekuan, atau Melipat. Banyak protein tidak dapat menyelesaikan pelipatannya sendiri dan mencapai keadaan aslinya, seringkali melalui interaksi dengan protein seluler lainnya. Protein semacam itu memerlukan bantuan eksternal dari protein kelas khusus - molekuler pendamping. Kebanyakan protein memperoleh konformasi yang benar hanya dalam kondisi lingkungan tertentu. Ketika kondisi ini berubah, protein mengalami denaturasi, mengubah konformasinya. Faktor penyebab perubahan konformasi protein adalah panas, radiasi, asam kuat, basa kuat, garam pekat, logam berat, pelarut organik dan sejenisnya.

Jenis ikatan kimia pada protein. Asam amino mampu membentuk sejumlah ikatan kimia (peptida, disulfida, hidrogen, ionik, hidrofobik) dengan berbagai gugus fungsi, dan sifat ini sangat penting untuk struktur dan fungsi protein.

Ikatan peptida - itu adalah ikatan polar nitrogen-karbon kovalen yang dibentuk oleh interaksi NH 2 satu asam amino dengan COOH yang lain dengan pelepasan air. Ikatan asam amino ini (-CO-NH-) adalah ikatan kimia utama molekul protein dan menentukan struktur utama dan konformasinya. Senyawa yang dibentuk oleh kondensasi dua asam amino adalah dipeptida. Di salah satu ujung molekul ini terdapat gugus amino, di ujung lainnya terdapat gugus karboksil bebas. Berkat ini, dipeptida dapat mengikat asam amino lain ke dirinya sendiri.

Ikatan disulfida merupakan ikatan kovalen polar yang terbentuk melalui interaksi gugus sulfhidril (-SH) radikal asam amino sistein yang mengandung sulfur. Koneksi ini (-S-S-) dapat terjadi baik antara bagian berbeda dari rantai polipeptida yang sama, dan antara rantai yang berbeda, menentukan karakteristik molekul protein. Stabilitas banyak protein sangat ditentukan oleh jumlah ikatan ini, seolah-olah mereka “menjahit” molekul, memberi mereka kekuatan dan ketidaklarutan (misalnya, pada kolagen kulit, keratin rambut, wol).

Ikatan hidrogen - Ini adalah ikatan polar yang terjadi ketika hidrogen elektropositif berinteraksi dengan oksigen elektronegatif dalam gugus hidroksil, karboksil, dan amina dari asam amino yang berbeda. Koneksi ini (-DIA) jauh lebih lemah daripada peptida, disulfida, dan ionik, namun karena kuantitasnya (terdapat di antara kelompok yang paling banyak terdapat dalam molekul protein), mereka menjadi sangat penting dalam menstabilkan struktur molekul protein.

Ikatan ionik adalah ikatan polar elektrostatik yang terjadi antara gugus amino yang terionisasi dan bermuatan positif dari satu asam amino dan gugus karboksil yang terionisasi dan bermuatan negatif dari asam amino lain. Koneksi garam ini (-COO - HN 3+ -) dapat menggabungkan kedua putaran satu atau lebih rantai polipeptida dalam protein berstruktur tersier, dan putaran rantai berbeda dalam protein berstruktur kuaterner. Dalam lingkungan berair, ikatan ionik jauh lebih lemah dibandingkan ikatan peptida dan dapat diputus oleh perubahan pH.

Interaksi hidrofobik - Ini adalah ikatan non-polar antara radikal asam amino yang tidak membawa muatan listrik dan tidak larut dalam air. Pendekatan radikal ini disebabkan oleh sifat interaksi gugus hidrofobik (-CH3, -C2H5, dll) dengan air. Koneksi ini (-R-R-) bahkan lebih lemah dari hidrogen, mereka mendukung struktur protein tersier dan kuaterner.

BIOLOGI + Hemoglobin (dari bahasa Yunani Naita - darah dan "lat. Globus - bola") - protein kompleks yang mengandung zat besi dari eritrosit hewan dan manusia; mampu mengikat oksigen, memastikan transfernya ke jaringan. Selain itu, hemoglobin mampu mengikat sejumlah kecil CO di jaringan dan melepaskannya di paru-paru. Hemoglobin adalah protein kompleks dari kelas kromoprotein dan mengandung 1) bagian protein - globin, yang terdiri dari empat protomer - dua rantai a identik dan dua rantai β identik, 2) bagian non-protein - heme, yang diwakili oleh empat kelompok prostetik dengan pusat koordinasi berupa Fe 2+ . Subunit disatukan oleh ikatan hidrogen dan ionik, tetapi kontribusi utama terhadap interaksi ini dibuat oleh interaksi hidrofobik. Kandungan normal hemoglobin dalam darah manusia adalah: pada pria - 130-170 g/l, pada wanita - 120-150 g/l, pada anak-anak - 120-140 g/l. Hemoglobin sangat beracun ketika sejumlah besar hemoglobin memasuki plasma darah dari sel darah merah (misalnya saat transfusi darah yang tidak cocok) . Mengingat tingginya toksisitas hemoglobin bebas, tubuh memiliki sistem khusus untuk mengikat dan menetralkannya. Secara khusus, salah satu komponen sistem netralisasi hemoglobin adalah protein plasma khusus, haptoglobin, yang secara khusus mengikat globin bebas dan globin dalam komposisi hemoglobin.