معلومة

ما الفرق الذي تجلبه تكوينات trans و cis لمجموعات الأميد إلى سلسلة البولي ببتيد؟

ما الفرق الذي تجلبه تكوينات trans و cis لمجموعات الأميد إلى سلسلة البولي ببتيد؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

مرحبًا ، كنت أتساءل فقط عما إذا كان سيكون هناك أي اختلاف في بنية سلسلة البولي ببتيد ، أو أي تغييرات في خصائص البروتينات ، إذا كانت تحتوي على مجموعات أميد أكثر بتكوين رابطة الدول المستقلة أو عبر.

يبدو أن التكوين المتحرك أكثر استقرارًا ، لذلك يمكن العثور على المزيد من الأحماض الأمينية ذات التكوين المتحولة داخل سلسلة البولي ببتيد. هل يشكل هذا أي خاصية مهمة للبروتين ، وإذا كان الأمر كذلك فما هي هذه الخاصية؟


يبدو أن التكوين المتحرك أكثر استقرارًا ، لذلك يمكن العثور على المزيد من الأحماض الأمينية ذات التكوين المتحولة داخل سلسلة البولي ببتيد. هل يشكل هذا أي خاصية مهمة للبروتين ، وإذا كان الأمر كذلك فما هي هذه الخاصية؟

كما قلت ، فإن عبر الشكل أكثر ملاءمة من الناحية النشطة. ومع ذلك ، في برولين رابطة الدول المستقلة- شكل يشبه بقوة عبر شكل. ال رابطة الدول المستقلة- يقدم الهيكل التواء أو الانحناء في سلسلة الببتيد الذي يظهر في حالة البرولين (انظر هذا القسم من صفحة ويكيبيديا على البرولين).


ما الفرق الذي تجلبه تكوينات trans و cis لمجموعات الأميد إلى سلسلة البولي ببتيد؟ - مادة الاحياء

البرولين تشترك في العديد من الخصائص مع المجموعة الأليفاتية.

البرولين ليس من الناحية الرسمية حمض أميني ، ولكنه حمض الايمينو. ومع ذلك ، يطلق عليه اسم حمض أميني. يشكل الأمين الأساسي الموجود على & amp ؛ كربون ألفا في شبه ألدهيد الغلوتامات قاعدة شيف مع الألدهيد الذي يتم بعد ذلك تقليله ، مما ينتج عنه البرولين.

عندما يكون البرولين في رابطة ببتيدية ، فإنه لا يحتوي على هيدروجين في مجموعة & alpha amino ، لذلك لا يمكنه التبرع برابطة هيدروجينية لتثبيت حلزون ألفا أو صفائح بيتا. غالبًا ما يقال ، بشكل غير دقيق ، أن البرولين لا يمكن أن يوجد في & alpha helix. عندما يتم العثور على البرولين في & alpha helix ، سيكون للحلزون منحنى طفيف بسبب نقص رابطة الهيدروجين.

غالبًا ما يوجد Proline في نهاية & alpha helix أو في المنعطفات أو الحلقات. على عكس الأحماض الأمينية الأخرى الموجودة بشكل حصري تقريبًا في عبر- شكل في عديد الببتيدات ، يمكن أن يوجد البرولين في رابطة الدول المستقلة-التكوين في الببتيدات. ال رابطة الدول المستقلة و عبر الأشكال متساوية الطاقة تقريبًا. ال رابطة الدول المستقلة / العابرة يمكن أن تلعب الأزمرة دورًا مهمًا في طي البروتينات وستتم مناقشتها أكثر في هذا السياق.


مجموعة الأميد غير المستوية ☆

توفر الهياكل البلورية للاكتام ذو الحلقة المتوسطة وهيدروكلوريدها البلوري معلومات مفصلة عن طبيعة التشوهات خارج الطائرة لمجموعة الأميد. يحتوي الكابريلولاكتام على مادة غير مستوية عبرمجموعة أميد الزيت في البلورة ولكنها موجودة في محلول كمزيج توازن من شكلين على الأقل ، أحدهما مستوي تقريبًا رابطة الدول المستقلةمجموعة أميد ، واحدة مع غير مستوية عبرمجموعة أويد أميد. يتم بروتون ملح الهيدروكلوريد المقابل على الأكسجين ويحتوي على مستو تقريبًا رابطة الدول المستقلةمجموعة أميد. بالنسبة لمجموعات الأميد غير المستوية ، وجد أن الانحناء خارج الطائرة عند النيتروجين لا يقل أهمية عن الالتواء النقي ، حيث تكون المساهمة من الانحناء خارج الطائرة عند الكربونيل أصغر. يمكن استخدام هذه النتائج ، جنبًا إلى جنب مع البيانات التقريبية حول اختلافات الطاقة بين مطابقة اللاكتام ، لاختبار الوظائف المحتملة المختلفة التي تم اقتراحها. استنتج أنه على الرغم من أن تشكيل التوازن لمجموعة الأميد قد يكون مستويًا أو قريبًا منه ، يمكن إجراء التشوه خارج المستوى بتكلفة طاقة متواضعة للغاية. في بناء نماذج سلاسل البولي ببتيد أو في تركيب مثل هذه النماذج لخرائط كثافة الإلكترون لبلورات البروتين ، تتضمن وحدة الببتيد المستوي بدقة قيودًا يمكن تخفيفها بسهولة في الجزيء الفعلي.

تم تنفيذ هذا العمل بدعم مالي من Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.


05. بنية البروتين

E.
تشير ذرات الأكسجين الكربوني إلى "أعلى" محور اللولب من الطرف N إلى الطرف C.

B. الحلزون ألفا يشمل جميع الأحماض الأمينية العشرين بترددات متساوية

C. يتم تثبيت حلزون ألفا بواسطة روابط هيدروجينية بين مجموعات amido العمود الفقري ومجموعات الكربونيل من سلاسل polypeptide

يتم الحفاظ على بنية ألفا الحلزونية عن طريق الرابطة الهيدروجينية بين السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية

تعتبر B. مسؤولة بشكل أساسي عن الروابط الهيدروجينية التي تشكل اللولب.

ج- تمتد شعاعيًا إلى الخارج من محور اللولب.

يتطلب تكوين رابطة ثاني كبريتيد في البروتين أن تكون بقايا السيستين المتجاورتين متجاورتين في التسلسل الأساسي للبروتين

يؤدي تمسخ البروتينات دائمًا إلى فقدان لا رجعة فيه للبنية الثانوية والثالثية

يتم تضمين المعلومات المطلوبة للطي الصحيح للبروتين في تسلسل الأحماض الأمينية المحددة على طول سلسلة البولي ببتيد

تتكون البروتينات من أحماض أمينية مرتبطة بروابط ببتيدية.

بروتينات C. الكروية بشكل عام مضغوطة للغاية.

د- يتم ترتيب السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية غير القطبية بشكل عام على السطح حيث تتفاعل مع الماء.

يمكن أن يتكون B. الحلزون ألفا من أكثر من سلسلة بولي ببتيد.

توجد صفائح C. beta فقط في الشكل المضاد

يتم تثبيت حلزون ألفا بشكل أساسي من خلال التفاعلات الأيونية بين السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية

غالبًا ما تحتوي انحناءات بيتا على البرولين الذي يوفر التواء.
يختلف حلزون ألفا عن ورقة بيتا من حيث أنه يتضمن دائمًا لف سلسلة واحدة من عديد الببتيد. تحدث ورقة بيتا في كل من الأشكال المتوازية والمضادة.


الطاقات التوافقية والإحصاءات التكوينية للببتيدات المشتركة المحتوية على l -proline ☆

الطاقة التوافقية المحسوبة لـ عبر- تتميز بقايا l -prolyl عند عزلها عن بقايا البرولايل الأخرى في سلسلة بولي ببتيد بحد أدنى من الطاقة المماثلة تحدث بالقرب من ψ = 125 ° (A) و ψ = 325 ° (C) ، حيث ψ هي زاوية الدوران حول رابطة C ∞ C الزاوية φ للدوران حول الرابطة NC ثابتة تقريبًا. 122 درجة بواسطة حلقة بيروليدين. يتم منع التشكل المضغوط (A) ، الذي يقترب من حلزون α الأيمن ، من خلال تفاعلات ستريكية لأي L -residue (على سبيل المثال Ala أو Pro) التي تليها l -Pro ، مثل هذه البقايا مجبرة على تبني المزيد شكل ممتد (C) يشبه التشكل السائد لبقايا من نوع l -Ala في بولي ببتيدات ملفوفة عشوائيًا. لا تخضع المخلفات التي تلي L -Pro في تسلسل السلسلة لقيود خاصة. وبالتالي ، قد لا تحدث بقايا البرولايل داخل حلزون ألفا ، باستثناء الوحدة الأولى من تسلسل حلزوني ألفا. يتم تأكيد هذه الاستنتاجات من الطاقات التوافقية لبقايا L -Pro والمخلفات السابقة لها في سلسلة البولي ببتيد من خلال مطابقة البقايا في الميوغلوبين وفي الليزوزيم. إمكانية الوصول إلى التشكل A لبقايا l -Pro المعزولة من أجل قدرتها على استيعاب المنعطفات الحادة في التشكل الهيكلي لبروتين أصلي. متوسط ​​أبعاد المربع ، 〈ص 2 〉ا، تم حسابها من أجل الببتيدات المشتركة الملفوفة العشوائية من l -alanine و / أو glycine بنسب صغيرة من عبر- l -proline ، يتم استبعاد تسلسل اثنين أو أكثر من بقايا Pro من الدراسة. متوسط ​​الأبعاد (〈ص 2 〉ا) من poly- l -alanine ينخفض ​​بواسطة l -Pro إلى درجة تعتمد على حدوث التشكل A ، أي على طاقة A أقل من C. تتأثر البوليمرات المشتركة لـ l -Ala مع Gly التي تحتوي على نسبة منخفضة من Gly بالمثل بواسطة l -Pro. في وجود نسبة كبيرة من Gly أثر على 〈ص 2 〉ا من كمية صغيرة من l -Pro تافهة. تمت مناقشة تأثير هذه الحسابات على أبعاد البروتينات المختزلة في حالة اللفائف العشوائية.

تم دعم هذا العمل من قبل مديرية العلوم الكيميائية ، مكتب البحوث العلمية بالقوات الجوية ، عقد رقم. AF49 (638) 1341.


الكيمياء الحيوية. الطبعة الخامسة.

البروتينات البوليمرات الخطية تتكون عن طريق ربط مجموعة & # x003b1-carboxyl لحمض أميني واحد بمجموعة & # x003b1-amino من حمض أميني آخر مع السندات الببتيد (وتسمى أيضًا ملف اميد بوند). يكون تكوين ثنائي الببتيد من اثنين من الأحماض الأمينية مصحوبًا بفقدان جزيء الماء (الشكل 3.18). يكمن توازن هذا التفاعل في جانب التحلل المائي بدلاً من التوليف. ومن ثم ، فإن التخليق الحيوي للروابط الببتيدية يتطلب مدخلات من الطاقة الحرة. ومع ذلك ، فإن روابط الببتيد جيدة تمامًا مستقر حركيا يقترب عمر الرابطة الببتيدية في محلول مائي في حالة عدم وجود محفز من 1000 عام.

الشكل 3.18

تشكيل رابطة الببتيد. يصاحب ارتباط نوعين من الأحماض الأمينية فقدان جزيء من الماء.

تشكل سلسلة من الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط الببتيد أ سلسلة بولي ببتيد ، وكل وحدة من الأحماض الأمينية في بولي ببتيد تسمى أ بقايا. سلسلة البولي ببتيد لها قطبية لأن نهاياتها مختلفة ، مع مجموعة & # x003b1-amino في أحد طرفيها ومجموعة & # x003b1-carboxyl في الطرف الآخر. بالإقناع، تعتبر النهاية الأمينية بداية لسلسلة بولي ببتيد ، وهكذا يتم كتابة تسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد بدءًا من البقايا الأمينية. وهكذا ، في خماسي الببتيد Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu (YGGFL) ، فإن فينيل ألانين هو بقايا amino-terminal (N-terminal) و leucine هو بقايا carboxyl-terminal (C-terminal) (الشكل 3.19). Leu-Phe-Gly-Gly-Tyr (LFGGY) هو خماسي ببتيد مختلف ، له خصائص كيميائية مختلفة.

الشكل 3.19

تسلسل الأحماض الأمينية لها اتجاه. يوضح هذا الرسم التوضيحي لخماسي الببتيد Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu (YGGFL) التسلسل من المحطة الأمينية إلى الطرف الكربوكسيل. هذا الببتيد الخماسي ، Leu-enkephalin ، هو ببتيد أفيوني ينظم الإدراك (المزيد).

تتكون سلسلة البولي ببتيد من جزء متكرر بانتظام ، يسمى السلسلة الرئيسية أو العمود الفقري، وجزء متغير يتكون من المميز سلاسل جانبية (الشكل 3.20). إن العمود الفقري متعدد الببتيد غني بإمكانية الارتباط بالهيدروجين. تحتوي كل بقايا على مجموعة كربونيل ، وهي متقبل جيد لرابطة الهيدروجين ، وباستثناء البرولين ، مجموعة NH ، وهي مانح جيد لرابطة الهيدروجين. تتفاعل هذه المجموعات مع بعضها البعض ومع المجموعات الوظيفية من السلاسل الجانبية لتثبيت هياكل معينة ، كما سيتم مناقشته بالتفصيل.

الشكل 3.20

مكونات سلسلة بولي ببتيد. تتكون سلسلة البولي ببتيد من عمود فقري ثابت (كما هو موضح باللون الأسود) وسلاسل جانبية متغيرة (تظهر باللون الأخضر).

تحتوي معظم سلاسل البولي ببتيد الطبيعية على ما بين 50 و 2000 من بقايا الأحماض الأمينية ويشار إليها عادةً باسم البروتينات. تسمى الببتيدات المكونة من أعداد صغيرة من الأحماض الأمينية قليل الببتيدات أو ببساطة الببتيدات. يبلغ متوسط ​​الوزن الجزيئي لبقايا الأحماض الأمينية حوالي 110 ، وبالتالي فإن الأوزان الجزيئية لمعظم البروتينات تتراوح بين 5500 و 220.000. يمكننا أيضًا أن نشير إلى كتلة البروتين ، والتي يتم التعبير عنها بوحدات daltons one دالتون يساوي وحدة كتلة ذرية واحدة. يبلغ وزن البروتين الجزيئي 50000 كتلة تبلغ 50000 دالتون ، أو 50 كيلو دالتون (كيلودالتون).

دالتون & # x02014

وحدة كتلة تساوي تقريبًا تلك الموجودة في ذرة الهيدروجين. سميت على اسم جون دالتون (1766-1844) ، الذي طور النظرية الذرية للمادة.

في بعض البروتينات ، تكون سلسلة البولي ببتيد الخطية متصالبة. الروابط المتقاطعة الأكثر شيوعًا هي روابط ثاني كبريتيد، تتكون من أكسدة زوج من بقايا السيستين (الشكل 3.21). تسمى الوحدة الناتجة من السيستين المرتبطة سيستين. غالبًا ما تحتوي البروتينات خارج الخلية على العديد من روابط ثاني كبريتيد ، بينما تفتقر إليها البروتينات داخل الخلايا عادةً. نادرًا ما توجد روابط متقاطعة غير كبريتيد مشتقة من سلاسل جانبية أخرى في بعض البروتينات. على سبيل المثال ، يتم تقوية ألياف الكولاجين في النسيج الضام بهذه الطريقة ، وكذلك جلطات الدم الفيبرين.

كيلودالتون (دينار كويتي) & # x02014

وحدة كتلة تساوي 1000 دالتون.

الشكل 3.21

روابط متقاطعة. تشكيل رابطة ثاني كبريتيد من اثنين من بقايا السيستين هو تفاعل أكسدة.


محتويات

تم عزل البرولين لأول مرة في عام 1900 بواسطة Richard Willstätter الذي حصل على الحمض الأميني أثناء دراسة N-methylproline ، وتم تصنيع البرولين عن طريق تفاعل ملح الصوديوم ثنائي إيثيل مالونات مع 1،3-ديبروموبروبان. في العام التالي ، عزل إميل فيشر البرولين من الكازين ومنتجات التحلل من استر بيتا-فثاليميدو-بروبيل مالونيك ، [6] ونشر تركيب البرولين من إستر بروبيل مالونيك فثاليميد. [7]

يأتي اسم البرولين من بيروليدين ، أحد مكوناته. [8]

البرولين مشتق حيويًا من الأحماض الأمينية إل-جلوتامات. يتكون الغلوتامات -5-سيميالدهيد لأول مرة من الجلوتامات 5-كيناز (المعتمد على ATP) ونزعة هيدروجين الغلوتامات -5-سيميالدهيد (التي تتطلب NADH أو NADPH). يمكن بعد ذلك إما أن يتحول تلقائيًا إلى حمض 1-pyrroline-5-carboxylic ، والذي يتم تقليله إلى برولين بواسطة اختزال pyrroline-5-carboxylate (باستخدام NADH أو NADPH) ، أو تحويله إلى ornithine بواسطة ornithine aminotransferase ، متبوعًا بحلقات ornithine cyclodeaminase لتشكيل البرولين. [9]

إل- تم العثور على البولين ليكون بمثابة ناهض ضعيف لمستقبلات الجلايسين ومستقبلات الغلوتامات غير المتجانسة NMDA وغير NMDA (AMPA / kainate). [10] [11] [12] لقد تم اقتراح أن يكون السم أكسيتوتوكسين داخلي المنشأ محتمل. [10] [11] [12] في النباتات ، يعتبر تراكم البرولين استجابة فسيولوجية شائعة لضغوط مختلفة ولكنه أيضًا جزء من البرنامج التنموي للأنسجة المنتجة (مثل حبوب اللقاح). [13]

يمنح الهيكل الدوري المميز لسلسلة البرولين الجانبية صلابة توافقية استثنائية مقارنة بالأحماض الأمينية الأخرى. كما أنه يؤثر على معدل تكوين رابطة الببتيد بين البرولين والأحماض الأمينية الأخرى. عندما يرتبط البرولين بالأميد في رابطة الببتيد ، فإن النيتروجين الخاص به لا يكون مرتبطًا بأي هيدروجين ، مما يعني أنه لا يمكن أن يعمل كمانح لرابطة الهيدروجين ، ولكن يمكن أن يكون متقبلًا لرابطة الهيدروجين.

يكون تكوين رابطة الببتيد مع Pro-tRNA Pro الوارد أبطأ بكثير من أي جزيئات أخرى من الحمض الريبي النووي النقال ، وهي سمة عامة لأحماض N-alkylamino. [14] يكون تكوين الرابطة الببتيدية بطيئًا أيضًا بين الحمض الريبي النووي النقال الوارد وسلسلة تنتهي بالبرولين مع تكون أبطأ روابط برولين برولين على الإطلاق. [15]

تؤثر الصلابة المطابقة الاستثنائية للبرولين على البنية الثانوية للبروتينات بالقرب من بقايا البرولين وقد تفسر انتشار البرولين العالي في بروتينات الكائنات المحبة للحرارة. يمكن وصف البنية الثانوية للبروتين من حيث الزوايا ثنائية الأضلاع φ و و للعمود الفقري للبروتين. يعمل الهيكل الدوري لسلسلة البرولين الجانبية على قفل الزاوية φ عند حوالي -65 درجة. [16]

يعمل البرولين كمعطل هيكلي في منتصف عناصر البنية الثانوية المنتظمة مثل حلزونات ألفا وصفائح بيتا ، ومع ذلك ، يوجد البرولين عادة كأول بقايا من حلزون ألفا وأيضًا في خيوط حافة صفائح بيتا. يوجد البرولين أيضًا بشكل شائع في الأدوار (نوع آخر من البنية الثانوية) ، ويساعد في تكوين المنعطفات بيتا. قد يفسر هذا الحقيقة الغريبة المتمثلة في أن البرولين عادة ما يكون معرضًا للمذيبات ، على الرغم من وجود سلسلة جانبية أليفاتية تمامًا.

يمكن أن يؤدي تعدد البرولينات و / أو هيدروكسي برولين في صف واحد إلى إنشاء حلزون بوليبرولين ، وهو البنية الثانوية السائدة في الكولاجين. يزيد الهيدروكسيل من البرولين بواسطة هيدروكسيلاز البرولايل (أو الإضافات الأخرى لبدائل سحب الإلكترون مثل الفلور) من الاستقرار التوافقي للكولاجين بشكل كبير. [17] ومن ثم ، فإن عملية التحلل المائي للبرولين هي عملية كيميائية حيوية مهمة للحفاظ على النسيج الضام للكائنات الحية الأعلى. يمكن أن تنجم الأمراض الشديدة مثل الاسقربوط عن عيوب في هذا الهيدروكسيل ، على سبيل المثال ، الطفرات في إنزيم بروبيل هيدروكسيلاز أو نقص العامل المساعد الضروري أسكوربات (فيتامين سي).

روابط الببتيد للبرولين ، وغيرها ن- الأحماض الأمينية المستبدلة (مثل الساركوزين) قادرة على ملء كل من رابطة الدول المستقلة و عبر نظائر. تعتمد معظم روابط الببتيد بأغلبية ساحقة على عبر أيزومر (عادة 99.9٪ في ظل ظروف غير مقيدة) ، ويرجع ذلك أساسًا إلى هيدروجين الأميد (عبر الأيزومر) يقدم تنافرًا أقل استقراءًا لـ C السابقα ذرة مما يفعله C التاليةα ذرة (رابطة الدول المستقلة ايزومر). على النقيض من ذلك ، فإن رابطة الدول المستقلة و عبر أيزومرات رابطة الببتيد X-Pro (حيث يمثل X أي حمض أميني) كلاهما يواجهان اشتباكات فاصلة مع الاستبدال المجاور ولديهما فرق طاقة أقل بكثير. ومن ثم ، فإن جزء روابط الببتيد X-Pro في رابطة الدول المستقلة الايزومر في ظل ظروف غير مقيدة مرتفع بشكل ملحوظ ، مع رابطة الدول المستقلة الكسور عادة في حدود 3-10٪. [18] ومع ذلك ، فإن هذه القيم تعتمد على الحمض الأميني السابق ، حيث ينتج عن المخلفات Gly [19] والعطرية [20] أجزاء متزايدة من رابطة الدول المستقلة ايزومير. رابطة الدول المستقلة تم التعرف على كسور تصل إلى 40٪ للروابط الببتيدية Aromatic-Pro. [21]

من وجهة نظر حركية رابطة الدول المستقلة-عبر أزمرة البرولين هي عملية بطيئة للغاية يمكن أن تعيق تقدم عملية طي البروتين عن طريق حبس واحد أو أكثر من بقايا البرولين الحاسمة للطي في الأيزومر غير الأصلي ، خاصة عندما يتطلب البروتين الأصلي رابطة الدول المستقلة ايزومير. وذلك لأن بقايا البرولين يتم تصنيعها حصريًا في الريبوسوم مثل عبر شكل ايزومير. تمتلك جميع الكائنات الحية إنزيمات بروبيل إيزوميراز لتحفيز هذه الأزمرة ، وبعض البكتيريا لديها إيزوميراز خاص بالبروليل يرتبط بالريبوسوم. ومع ذلك ، ليست كل البرولينات ضرورية للطي ، وقد يستمر طي البروتين بمعدل طبيعي على الرغم من وجود مطابقات غير أصلية للعديد من روابط الببتيد X-Pro.

غالبًا ما يتم استخدام البرولين ومشتقاته كمحفزات غير متماثلة في تفاعلات البرولين التحفيزية العضوية. يعد تخفيض CBS وتكثيف ألدول المحفز بالبرولين أمثلة بارزة.

في عملية التخمير ، تتحد البروتينات الغنية بالبرولين مع البوليفينول لإنتاج الضباب (التعكر). [22]

إل-برولين هي مادة واقية للتناضح ولذلك فهي تستخدم في العديد من التطبيقات الصيدلانية والتكنولوجيا الحيوية.

يمكن استكمال وسط النمو المستخدم في زراعة الأنسجة النباتية بالبرولين. هذا يمكن أن يزيد النمو ، ربما لأنه يساعد النبات على تحمل ضغوط زراعة الأنسجة. [23] [ أفضل مصدر مطلوب ] لدور البرولين في استجابة الإجهاد للنباتات ، انظر § النشاط البيولوجي.

Proline هو واحد من اثنين من الأحماض الأمينية التي لا تتبع مع نموذج Ramachandran مؤامرة ، جنبا إلى جنب مع الجليسين. نظرًا لتشكيل الحلقة المتصل بكربون بيتا ، فإن الزوايا ψ و حول رابطة الببتيد لها درجات دوران أقل مسموحًا بها. نتيجة لذلك ، غالبًا ما توجد في "منعطفات" البروتينات لأن الانتروبيا الحرة (ΔS) ليست كبيرة نسبيًا بالنسبة للأحماض الأمينية الأخرى ، وبالتالي في شكل مطوي مقابل شكل غير مطوي ، يكون التغيير في الانتروبيا أصغر. علاوة على ذلك ، نادرًا ما يوجد البرولين في هياكل α و لأنه من شأنه أن يقلل من ثبات مثل هذه الهياكل ، لأن سلسلته الجانبية α-N يمكن أن تشكل رابطة نيتروجين واحدة فقط.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن البرولين هو الحمض الأميني الوحيد الذي لا يشكل لونًا أحمر / أرجوانيًا عند تطويره عن طريق الرش باستخدام نينهيدرين للاستخدامات في الكروماتوغرافيا. وبدلاً من ذلك ، ينتج البرولين لونًا برتقاليًا / أصفر.

اقترحت العديد من الدراسات التطورية المستقلة التي تستخدم أنواعًا مختلفة من البيانات أن البرولين ينتمي إلى مجموعة من الأحماض الأمينية التي شكلت الشفرة الجينية المبكرة. [25] [26] [27] [28] على سبيل المثال ، المناطق منخفضة التعقيد (في البروتينات) ، والتي قد تشبه الببتيدات الأولية للشفرة الجينية المبكرة ، غنية بالبرولين. [28]


ما الفرق الذي تجلبه تكوينات trans و cis لمجموعات الأميد إلى سلسلة البولي ببتيد؟ - مادة الاحياء

يتم ربط الأحماض الأمينية العشرين الموجودة بشكل شائع في البروتينات ببعضها البعض بواسطة روابط الببتيد. يحتوي التسلسل الخطي للأحماض الأمينية المرتبطة على المعلومات اللازمة لتوليد جزيء بروتيني بشكل فريد ثلاثي الأبعاد. من الأفضل تحليل تعقيد بنية البروتين من خلال النظر في الجزيء من حيث أربعة مستويات تنظيمية: الابتدائي والثانوي والثالثي والرباعي (الشكل 2.1). أظهر فحص هذه التسلسلات الهرمية لزيادة التعقيد أن بعض العناصر الهيكلية تتكرر في مجموعة متنوعة من البروتينات ، مما يشير إلى وجود "قواعد" عامة فيما يتعلق بالطرق التي تحقق بها البروتينات شكلها الوظيفي الأصلي. وتتراوح هذه العناصر الهيكلية المتكررة من توليفات بسيطة من الحلزونات ألفا والصفائح بيتا التي تشكل أشكالًا صغيرة ، إلى الطي المعقد لمجالات البولي ببتيد للبروتينات متعددة الوظائف (انظر ص 19).

ثانيًا. الهيكل الأساسي للبروتينات

يسمى تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين التركيب الأساسي للبروتين. يعد فهم التركيب الأساسي للبروتينات أمرًا مهمًا لأن العديد من الأمراض الوراثية ينتج عنها بروتينات ذات تسلسل غير طبيعي من الأحماض الأمينية ، مما يؤدي إلى طي غير سليم وفقدان أو ضعف الوظيفة الطبيعية. إذا كانت الهياكل الأولية للبروتينات الطبيعية والمتحورة معروفة ، فيمكن استخدام هذه المعلومات لتشخيص المرض أو دراسته.

أ. الرابطة الببتيدية

في البروتينات ، يتم ربط الأحماض الأمينية تساهميًا عن طريق روابط الببتيد ، وهي روابط أميدية بين مجموعة & ألفا-كاربوكسيل لحمض أميني واحد ومجموعة & ألفا-أمينية أخرى. على سبيل المثال ، يمكن أن يشكل الفالين والألانين ثنائي الببتيد فاليل ألانين من خلال تكوين رابطة الببتيد (الشكل 2.2). روابط الببتيد مقاومة للظروف التي تفسد طبيعة البروتينات ، مثل التسخين والتركيزات العالية من اليوريا (انظر ص 20). إن التعرض المطول لحمض أو قاعدة قوية في درجات حرارة مرتفعة مطلوب لكسر هذه الروابط غير الأنزيمية.

الشكل 2.1 أربعة تسلسلات هرمية لبنية البروتين.

1. تسمية الببتيد: وفقًا للاتفاقية ، تتم كتابة النهاية الأمينية الحرة (N-terminal) لسلسلة الببتيد إلى اليسار ونهاية الكربوكسيل الحرة (C-terminal) إلى اليمين. لذلك ، تتم قراءة جميع متواليات الأحماض الأمينية من الطرف N إلى الطرف C من الببتيد. على سبيل المثال ، في الشكل 2.2A، ترتيب الأحماض الأمينية هو "فالين ، ألانين". ينتج عن ارتباط العديد من الأحماض الأمينية من خلال روابط الببتيد سلسلة غير متفرعة تسمى بولي ببتيد. يُطلق على كل حمض أميني مكون في بولي ببتيد "بقايا" لأنه جزء من الحمض الأميني المتبقي بعد فقدان ذرات الماء في تكوين رابطة الببتيد. عندما يتم تسمية بولي ببتيد ، فإن جميع بقايا الأحماض الأمينية يتم تغيير لواحقها (-ine ، -an ، -ic ، أو -ate) إلى -yl ، باستثناء الحمض الأميني C-terminal. على سبيل المثال ، يسمى ثلاثي الببتيد المكون من فالين N-terminal ، والجليسين ، والليوسين C-terminal ، فاليل جليسيلوسين valylglycylleucine.

2. خصائص رابطة الببتيد: رابطة الببتيد لها طابع رابطة مزدوجة جزئية ، أي أنها أقصر من رابطة واحدة وهي صلبة ومستوية (الشكل 2.2 ب). هذا يمنع الدوران الحر حول الرابطة بين الكربونيل والنيتروجين لرابطة الببتيد. ومع ذلك ، يمكن تدوير الروابط بين & alpha-carbons ومجموعات & alpha-amino أو & alpha-carboxyl (على الرغم من أنها مقيدة بحجم وشخصية مجموعات R). هذا يسمح لسلسلة البولي ببتيد بافتراض مجموعة متنوعة من التكوينات الممكنة. تكون رابطة الببتيد دائمًا رابطة عابرة (بدلاً من رابطة الدول المستقلة ، انظر الشكل 2.2 ب) ، في جزء كبير منه بسبب التداخل الفراغي لمجموعات R عندما تكون في وضع رابطة الدول المستقلة.

3. قطبية رابطة الببتيد: مثل كل روابط الأميد ، فإن مجموعات - C = O و - NH من رابطة الببتيد غير مشحونة ولا تقبل ولا تطلق البروتونات على مدى الأس الهيدروجيني من 2-12. وبالتالي ، فإن المجموعات المشحونة الموجودة في polypeptides تتكون فقط من مجموعة N-terminal (& alpha-amino) ، ومجموعة C-terminal (& alpha-carboxyl) ، وأي مجموعات متأينة موجودة في السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية المكونة. مجموعات - C = O و - NH لرابطة الببتيد قطبية ، ومع ذلك ، وتشارك في الروابط الهيدروجينية (على سبيل المثال ، في & alpha-helices و & & صفائح بيتا) ، كما هو موضح في الصفحات 16-17.

الشكل 2.2 A. تكوين رابطة الببتيد ، والتي تبين هيكل ثنائي الببتيد فاليل ألانين.
ب- خصائص رابطة الببتيد.

B. تحديد تكوين الأحماض الأمينية من عديد الببتيد

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد الهيكل الأساسي لعديد ببتيد في تحديد وتقدير الأحماض الأمينية المكونة لها. يتم تحلل عينة من البولي ببتيد المنقى لتحليلها أولاً بواسطة حمض قوي عند 110 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. يشق هذا العلاج روابط الببتيد ويطلق الأحماض الأمينية الفردية ، والتي يمكن فصلها عن طريق كروماتوغرافيا التبادل الكاتيوني. في هذه التقنية ، يتم تطبيق خليط من الأحماض الأمينية على عمود يحتوي على راتنج ترتبط به مجموعة سالبة الشحنة بإحكام. [ملاحظة: إذا كانت المجموعة المرفقة مشحونة إيجابياً ، يصبح العمود عمود تبادل الأنيون.] وترتبط الأحماض الأمينية بالعمود بصلات مختلفة ، اعتمادًا على الشحنات ، ومقاومة الماء ، وخصائص أخرى. يتم إطلاق كل حمض أميني بالتسلسل من عمود الكروماتوغرافيا عن طريق التصفية التتابعية باستخدام محاليل زيادة القوة الأيونية ودرجة الحموضة (الشكل 2.3). الأحماض الأمينية المنفصلة الموجودة في الشطف من العمود يتم قياسها عن طريق تسخينها باستخدام نينهيدرين (كاشف يشكل مركبًا أرجوانيًا يحتوي على معظم الأحماض الأمينية والأمونيا والأمينات). يتم تحديد كمية كل حمض أميني قياسًا ضوئيًا عن طريق قياس كمية الضوء التي يمتصها مشتق النينهيدرين. يتم إجراء التحليل الموصوف أعلاه باستخدام محلل الأحماض الأمينية ، وهو عبارة عن آلة مؤتمتة توضح مكوناتها الشكل 2.3.

ج- تسلسل الببتيد من طرفه N

التسلسل هو عملية تدريجية لتحديد الحمض الأميني المحدد في كل موضع في سلسلة الببتيد ، بدءًا من الطرف N. يتم استخدام Phenylisothiocyanate ، المعروف باسم كاشف Edman ، لتسمية بقايا المحطة الأمينية في ظل ظروف قلوية معتدلة (الشكل 2.4). ينتج عن مشتق فينيل ثيوهيدانتوين (PTH) عدم استقرار في رابطة الببتيد N- الطرفية بحيث يمكن تحللها بدون شق روابط الببتيد الأخرى. يمكن بعد ذلك تحديد هوية مشتق الأحماض الأمينية. يمكن تطبيق كاشف Edman بشكل متكرر على الببتيد المختصر الذي تم الحصول عليه في كل دورة سابقة. العملية مؤتمتة الآن.

D. انقسام البولي ببتيد إلى أجزاء أصغر

العديد من البولي ببتيدات لها بنية أساسية تتكون من أكثر من 100 حمض أميني. لا يمكن تسلسل هذه الجزيئات مباشرة من النهاية إلى النهاية. ومع ذلك ، يمكن شق هذه الجزيئات الكبيرة في مواقع محددة وتسلسل الأجزاء الناتجة. باستخدام أكثر من عامل انقسام واحد (إنزيمات و / أو مواد كيميائية) في عينات منفصلة من البولي ببتيد المنقى ، يمكن إنشاء شظايا متداخلة تسمح بالترتيب الصحيح للشظايا المتسلسلة ، وبالتالي توفير تسلسل كامل للأحماض الأمينية لبولي ببتيد كبير (الشكل 2.5). تسمى الإنزيمات التي تحلل روابط الببتيد بالماء الببتيدات (البروتياز). [ملحوظة: إكسوبيبتيداز تقطع في نهايات البروتينات وتنقسم إلى أمينوبيبتيداز و كربوكسي ببتيداز. كربوكسي ببتيداز تستخدم في تحديد الحمض الأميني C- طرفي. Endopeptidases تشق داخل البروتين.]

الشكل 2.3 تحديد تكوين الأحماض الأمينية لعديد ببتيد باستخدام محلل الأحماض الأمينية.

هـ- تحديد البنية الأساسية للبروتين عن طريق تسلسل الحمض النووي

يحدد تسلسل النيوكليوتيدات في منطقة ترميز البروتين في الحمض النووي تسلسل الأحماض الأمينية لعديد ببتيد. لذلك ، إذا كان من الممكن تحديد تسلسل النوكليوتيدات ، فمن الممكن ، من معرفة الشفرة الوراثية (انظر ص 432) ، لترجمة تسلسل النيوكليوتيدات إلى تسلسل الأحماض الأمينية المقابل لذلك البولي ببتيد. هذه العملية غير المباشرة ، على الرغم من استخدامها بشكل روتيني للحصول على تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات ، لها قيود تتمثل في عدم القدرة على التنبؤ بمواضع روابط ثاني كبريتيد في السلسلة المطوية وعدم تحديد أي أحماض أمينية تم تعديلها بعد دمجها في بولي ببتيد (تعديل ما بعد الترجمة ، انظر ص 443). لذلك ، يعد التسلسل المباشر للبروتين أداة مهمة للغاية لتحديد الطابع الحقيقي للتسلسل الأساسي للعديد من الببتيدات.

الشكل 2.4 تحديد البقايا الأمينية (N) الطرفية لعديد ببتيد بواسطة تحلل إدمان. PTH = فينيل ثيوهيدانتوين.

ثالثا. الهيكل الثانوي للبروتينات

لا يفترض العمود الفقري متعدد الببتيد بنية عشوائية ثلاثية الأبعاد ، ولكن بدلاً من ذلك ، يشكل بشكل عام ترتيبات منتظمة من الأحماض الأمينية الموجودة بالقرب من بعضها البعض في التسلسل الخطي. تسمى هذه الترتيبات الهيكل الثانوي للبولي ببتيد. تعد & alpha-helix و & beta-sheet و & beta-bend (& beta-turn) أمثلة على الهياكل الثانوية الشائعة في البروتينات. [ملحوظة: حلزون سلسلة ألفا والكولاجين ، مثال آخر للبنية الثانوية ، تمت مناقشته في الصفحة. 45.]

الشكل 2.5 تداخل الببتيدات الناتج عن عمل التربسين وبروميد السيانوجين.

تم العثور على العديد من حلزونات عديد الببتيد المختلفة في الطبيعة ، ولكن الحلزون & alpha-helix هو الأكثر شيوعًا. إنه هيكل حلزوني ، يتكون من قلب العمود الفقري متعدد الببتيد المحشو بإحكام وملفوف ، مع امتداد السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية المكونة إلى الخارج من المحور المركزي لتجنب التداخل مع بعضها البعض بطريقة معقمة (الشكل 2.6). مجموعة متنوعة جدًا من البروتينات تحتوي على حلزونات ألفا. على سبيل المثال ، الكيراتين هي عائلة من البروتينات الليفية وثيقة الصلة والتي يكون هيكلها بالكامل تقريبًا وألفا حلزوني. إنها مكون رئيسي للأنسجة مثل الشعر والجلد ، ويتم تحديد صلابتها من خلال عدد روابط ثاني كبريتيد بين سلاسل البولي ببتيد المكونة. على النقيض من الكيراتين ، فإن الميوغلوبين ، الذي يتميز أيضًا بتركيبته العالية وألفا حلزونية ، هو جزيء كروي مرن (انظر ص 26).

الشكل 2.6 & alpha-Helix تظهر العمود الفقري الببتيد.

1. الروابط الهيدروجينية: يتم تثبيت An & alpha-helix عن طريق روابط هيدروجينية واسعة النطاق بين أكسجين كربونيل رابطة الببتيد وهيدروجين أميد التي تشكل جزءًا من العمود الفقري متعدد الببتيد (انظر الشكل 2.6). تمتد روابط الهيدروجين لأعلى وتكون متوازية مع اللولب من الأكسجين الكربوني لرابطة ببتيد واحدة إلى مجموعة - NH - لوصلة الببتيد أربعة بقايا في عديد الببتيد. هذا يضمن أن جميع مكونات رابطة الببتيد الأولى والأخيرة مرتبطة ببعضها البعض من خلال روابط هيدروجين داخل السلسلة. الروابط الهيدروجينية ضعيفة بشكل فردي ، لكنها تعمل بشكل جماعي على استقرار اللولب.

2. الأحماض الأمينية لكل دور: يحتوي كل منعطف من an & alpha-helix على 3.6 من الأحماض الأمينية. وبالتالي ، فإن بقايا الأحماض الأمينية المتباعدة بين ثلاثة أو أربعة بقايا في التسلسل الأولي تكون متقاربة من الناحية المكانية عند طيها في & alpha-helix.

3. الأحماض الأمينية التي تعطل أ & alpha-helix: يعطل Proline an & alpha-helix لأن مجموعته الأمينية الثانوية غير متوافقة هندسيًا مع اللولب الأيمن من & alpha-helix. وبدلاً من ذلك ، فإنه يُدخل التواء في السلسلة ، والذي يتداخل مع الهيكل الحلزوني الأملس. أعداد كبيرة من الأحماض الأمينية المشحونة (على سبيل المثال ، الجلوتامات ، الأسبارتات ، الهيستدين ، اللايسين ، والأرجينين) تؤدي أيضًا إلى تعطيل الحلزون عن طريق تكوين روابط أيونية أو عن طريق صد بعضها البعض إلكتروستاتيكيًا. أخيرًا ، يمكن أن تتداخل الأحماض الأمينية ذات السلاسل الجانبية الضخمة ، مثل التربتوفان ، أو الأحماض الأمينية ، مثل فالين أو إيسولوسين ، هذا الفرع في & بيتا كربون (أول كربون في المجموعة R ، بجانب & alpha-carbon) من & alpha-helix إذا كانت موجودة بأعداد كبيرة.

الشكل 2.7 ألف هيكل من وبيتا ورقة. ب. ورقة مضادة ومتوازية مع خيوط بيتا ممثلة بأسهم عريضة. ج- ورقة متوازية وبيتا تتكون من سلسلة واحدة متعددة الببتيد قابلة للطي مرة أخرى على نفسها.

تعد ورقة & بيتا شكلاً آخر من أشكال البنية الثانوية حيث تشارك جميع مكونات رابطة الببتيد في الرابطة الهيدروجينية (الشكل 2.7 أ). تظهر أسطح الصفائح & بيتا "مطوية" ، وبالتالي ، غالبًا ما تسمى هذه الهياكل صفائح مطوية بيتا. When illustrations are made of protein structure, &beta-strands are often visualized as broad arrows (Figure 2.7B).

1. Comparison of a &beta-sheet and an &alpha-helix: Unlike the &alpha-helix, &beta-sheets are composed of two or more peptide chains (&beta-strands), or segments of polypeptide chains, which are almost fully extended. Note also that the hydrogen bonds are perpendicular to the polypeptide backbone in &beta-sheets (see Figure 2.7A).

2. Parallel and antiparallel sheets: A &beta-sheet can be formed from two or more separate polypeptide chains or segments of polypeptide chains that are arranged either antiparallel to each other (with the N-terminal and C-terminal ends of the &beta-strands alternating as shown in Figure 2.7B) or parallel to each other (with all the N-termini of the &beta-strands together as shown in Figure 2.7C). When the hydrogen bonds are formed between the polypeptide backbones of separate polypeptide chains, they are termed interchain bonds. A &beta-sheet can also be formed by a single polypeptide chain folding back on itself (see Figure 2.7C). In this case, the hydrogen bonds are intrachain bonds. In globular proteins, &beta-sheets always have a right-handed curl, or twist, when viewed along the polypeptide backbone. [Note: Twisted &beta-sheets often form the core of globular proteins.]

The &alpha-helix and &beta-sheet structures provide maximal hydrogen bonding for peptide bond components within the interior of polypeptides.

C. &beta-Bends (reverse turns, &beta-turns)

&beta-Bends reverse the direction of a polypeptide chain, helping it form a compact, globular shape. They are usually found on the surface of protein molecules and often include charged residues. [Note: &beta-Bends were given this name because they often connect successive strands of antiparallel &beta-sheets.] &beta-Bends are generally composed of four amino acids, one of which may be proline, the amino acid that causes a kink in the polypeptide chain. Glycine, the amino acid with the smallest R group, is also frequently found in &beta-bends. &beta-Bends are stabilized by the formation of hydrogen and ionic bonds.

Figure 2.8 Some common structural motifs involving &beta-helices and &beta-sheets. The names describe their schematic appearance.

D. Nonrepetitive secondary structure

Approximately one half of an average globular protein is organized into repetitive structures, such as the &alpha-helix and &beta-sheet. The remainder of the polypeptide chain is described as having a loop or coil conformation. These nonrepetitive secondary structures are not random, but rather simply have a less regular structure than those described above. [Note: The term “random coil” refers to the disordered structure obtained when proteins are denatured (see p. 20).]

E. Supersecondary structures (motifs)

Globular proteins are constructed by combining secondary structural elements (that is, &alpha-helices, &beta-sheets, and coils), producing specific geometric patterns or motifs. These form primarily the core (interior) region of the molecule. They are connected by loop regions (for example, &beta-bends) at the surface of the protein. Supersecondary structures are usually produced by the close packing of side chains from adjacent secondary structural elements. Thus, for example, &alpha-helices and &beta-sheets that are adjacent in the amino acid sequence are also usually (but not always) adjacent in the final, folded protein. Some of the more common motifs are illustrated in Figure 2.8.

Motifs may be associated with particular functions. Proteins that bind to DNA contain a limited number of motifs. The helix-loop-helix motif is an example found in a number of proteins that function as transcription factors (see p. 450).

Figure 2.9 Formation of a disulfide bond by the oxidation of two cysteine residues, producing one cystine residue.

رابعا. TERTIARY STRUCTURE OF GLOBULAR PROTEINS

The primary structure of a polypeptide chain determines its tertiary structure. “Tertiary” refers both to the folding of domains (the basic units of structure and function, see discussion below), and to the final arrangement of domains in the polypeptide. The structure of globular proteins in aqueous solution is compact, with a high density (close packing) of the atoms in the core of the molecule. Hydrophobic side chains are buried in the interior, whereas hydrophilic groups are generally found on the surface of the molecule.

Domains are the fundamental functional and three-dimensional structural units of polypeptides. Polypeptide chains that are greater than 200 amino acids in length generally consist of two or more domains. The core of a domain is built from combinations of supersecondary structural elements (motifs). Folding of the peptide chain within a domain usually occurs independently of folding in other domains. Therefore, each domain has the characteristics of a small, compact globular protein that is structurally independent of the other domains in the polypeptide chain.

Figure 2.10 Hydrophobic interactions between amino acids with nonpolar side chains.

B. Interactions stabilizing tertiary structure

The unique three-dimensional structure of each polypeptide is determined by its amino acid sequence. Interactions between the amino acid side chains guide the folding of the polypeptide to form a compact structure. The following four types of interactions cooperate in stabilizing the tertiary structures of globular proteins.

1. Disulfide bonds: A disulfide bond is a covalent linkage formed from the sulfhydryl group (–SH) of each of two cysteine residues to produce a cystine residue (Figure 2.9). The two cysteines may be separated from each other by many amino acids in the primary sequence of a polypeptide or may even be located on two different polypeptide chains. The folding of the polypeptide chain(s) brings the cysteine residues into proximity and permits covalent bonding of their side chains. A disulfide bond contributes to the stability of the three-dimensional shape of the protein molecule and prevents it from becoming denatured in the extracellular environment. For example, many disulfide bonds are found in proteins such as immunoglobulins that are secreted by cells.

2. Hydrophobic interactions: Amino acids with nonpolar side chains tend to be located in the interior of the polypeptide molecule, where they associate with other hydrophobic amino acids (Figure 2.10). In contrast, amino acids with polar or charged side chains tend to be located on the surface of the molecule in contact with the polar solvent. [Note: Recall that proteins located in nonpolar (lipid) environments, such as a membrane, exhibit the reverse arrangement (see Figure 1.4، ص. 4).] In each case, a segregation of R groups occurs that is energetically most favorable.

3. Hydrogen bonds: Amino acid side chains containing oxygen- or nitrogen-bound hydrogen, such as in the alcohol groups of serine and threonine, can form hydrogen bonds with electron-rich atoms, such as the oxygen of a carboxyl group or carbonyl group of a peptide bond (Figure 2.11 see also الشكل 1.6، ص. 4). Formation of hydrogen bonds between polar groups on the surface of proteins and the aqueous solvent enhances the solubility of the protein.

4. Ionic interactions: Negatively charged groups, such as the carboxylate group (– COO – ) in the side chain of aspartate or glutamate, can interact with positively charged groups such as the amino group (– NH3 + ) in the side chain of lysine (see Figure 2.11).

Figure 2.11 Interactions of side chains of amino acids through hydrogen bonds and ionic bonds (salt bridges).

C. Protein folding

Interactions between the side chains of amino acids determine how a long polypeptide chain folds into the intricate three-dimensional shape of the functional protein. Protein folding, which occurs within the cell in seconds to minutes, involves nonrandom, ordered pathways. As a peptide folds, secondary structures form driven by the hydrophobic effect (that is, hydrophobic groups come together as water is released). These small structures combine to form larger structures. Additional events stabilize secondary structure and initiate formation of tertiary structure. In the last stage, the peptide achieves its fully folded, native (functional) form characterized by a low-energy state (Figure 2.12). [Note: Some biologically active proteins or segments thereof lack a stable tertiary structure. They are referred to as “intrinsically disordered” proteins.]

D. Denaturation of proteins

Protein denaturation results in the unfolding and disorganization of a protein’s secondary and tertiary structures without the hydrolysis of peptide bonds. Denaturing agents include heat, organic solvents, strong acids or bases, detergents, and ions of heavy metals such as lead. Denaturation may, under ideal conditions, be reversible, such that the protein refolds into its original native structure when the denaturing agent is removed. However, most proteins, once denatured, remain permanently disordered. Denatured proteins are often insoluble and precipitate from solution.

E. Role of chaperones in protein folding

The information needed for correct protein folding is contained in the primary structure of the polypeptide. However, most proteins when denatured do not resume their native conformations even under favorable environmental conditions. This is because, for many proteins, folding is a facilitated process that requires a specialized group of proteins, referred to as “molecular chaperones,” and adenosine triphosphate hydrolysis. The chaperones, also known as “heat shock proteins” (Hsp), interact with a polypeptide at various stages during the folding process. Some chaperones bind hydrophobic regions of an extended polypeptide and are important in keeping the protein unfolded until its synthesis is completed (for example, Hsp70). Others form cage-like macromolecular structures composed of two stacked rings. The partially folded protein enters the cage, binds the central cavity through hydrophobic interactions, folds, and is released (for example, mitochondrial Hsp60). [Note: Cage-like chaperones are sometimes referred to as “chaperonins.”] Chaperones, then, facilitate correct protein folding by binding to and stabilizing exposed, aggregation-prone hydrophobic regions in nascent (and denatured) polypeptides, preventing premature folding.

Figure 2.12 Steps in protein folding (simplified).

V. QUATERNARY STRUCTURE OF PROTEINS

Many proteins consist of a single polypeptide chain and are defined as monomeric proteins. However, others may consist of two or more polypeptide chains that may be structurally identical or totally unrelated. The arrangement of these polypeptide subunits is called the quaternary structure of the protein. Subunits are held together primarily by noncovalent interactions (for example, hydrogen bonds, ionic bonds, and hydrophobic interactions). Subunits may either function independently of each other or may work cooperatively, as in hemoglobin, in which the binding of oxygen to one subunit of the tetramer increases the affinity of the other subunits for oxygen (see p. 29).

Isoforms are proteins that perform the same function but have different primary structures. They can arise from different genes or from tissue-specific processing of the product of a single gene. If the proteins function as enzymes, they are referred to as isozymes (see p. 65).

السادس. PROTEIN MISFOLDING

Protein folding is a complex process that can sometimes result in improperly folded molecules. These misfolded proteins are usually tagged and degraded within the cell (see p. 444). However, this quality control system is not perfect, and intracellular or extracellular aggregates of misfolded proteins can accumulate, particularly as individuals age. Deposits of misfolded proteins are associated with a number of diseases.

A. Amyloid diseases

Misfolding of proteins may occur spontaneously or be caused by a mutation in a particular gene, which then produces an altered protein. In addition, some apparently normal proteins can, after abnormal proteolytic cleavage, take on a unique conformational state that leads to the formation of long, fibrillar protein assemblies consisting of &beta-pleated sheets. Accumulation of these insoluble, spontaneously aggregating proteins, called amyloids, has been implicated in degenerative diseases such as Parkinson and Huntington and particularly in the age-related neurodegenerative disorder, Alzheimer disease. The dominant component of the amyloid plaque that accumulates in Alzheimer disease is amyloid &beta (A&beta), an extracellular peptide containing 40–42 amino acid residues. X-ray crystallography and infrared spectroscopy demonstrate a characteristic &beta-pleated sheet conformation in nonbranching fibrils. This peptide, when aggregated in a &beta-pleated sheet configuration, is neurotoxic and is the central pathogenic event leading to the cognitive impairment characteristic of the disease. The A&beta that is deposited in the brain in Alzheimer disease is derived by enzymic cleavages (by secretases) from the larger amyloid precursor protein, a single transmembrane protein expressed on the cell surface in the brain and other tissues (Figure 2.13). The A&beta peptides aggregate, generating the amyloid that is found in the brain parenchyma and around blood vessels. Most cases of Alzheimer disease are not genetically based, although at least 5% of cases are familial. A second biologic factor involved in the development of Alzheimer disease is the accumulation of neurofibrillary tangles inside neurons. A key component of these tangled fibers is an abnormal form (hyperphosphorylated and insoluble) of the tau (&tau) protein, which, in its healthy version, helps in the assembly of the microtubular structure. The defective &tau appears to block the actions of its normal counterpart.

Figure 2.13 Formation of amyloid plaques found in Alzheimer disease (AD). [Note: Mutations to presenilin, the catalytic subunit of وجاما-secretase, are the most common cause of familial AD.]

B. Prion diseases

The prion protein (PrP) has been strongly implicated as the causative agent of transmissible spongiform encephalopathies (TSEs), including Creutzfeldt-Jakob disease in humans, scrapie in sheep, and bovine spongiform encephalopathy in cattle (popularly called “mad cow” disease). After an extensive series of purification procedures, scientists were surprised to find that the infectivity of the agent causing scrapie in sheep was associated with a single protein species that was not complexed with detectable nucleic acid. This infectious protein is designated PrP Sc (Sc = scrapie). It is highly resistant to proteolytic degradation and tends to form insoluble aggregates of fibrils, similar to the amyloid found in some other diseases of the brain. A noninfectious form of PrP C (C = cellular), encoded by the same gene as the infectious agent, is present in normal mammalian brains on the surface of neurons and glial cells. Thus, PrP C is a host protein. No primary structure differences or alternate posttranslational modifications have been found between the normal and the infectious forms of the protein. The key to becoming infectious apparently lies in changes in the three-dimensional conformation of PrP C . It has been observed that a number of &alpha-helices present in noninfectious PrP C are replaced by &beta-sheets in the infectious form (Figure 2.14). It is presumably this conformational difference that confers relative resistance to proteolytic degradation of infectious prions and permits them to be distinguished from the normal PrP C in infected tissue. The infective agent is, thus, an altered version of a normal protein, which acts as a “template” for converting the normal protein to the pathogenic conformation. The TSEs are invariably fatal, and no treatment is currently available that can alter this outcome.

Figure 2.14 One proposed mechanism for multiplication of infectious prion agents. PrP = prion protein PrP c = prion protein cellular PrP Sc = prion protein scrapie.

سابعا. ملخص الفصل

Central to understanding protein structure is the concept of the native conformation (الشكل 2.15), which is the functional, fully folded protein structure (for example, an active enzyme or structural protein). The unique three-dimensional structure of the native conformation is determined by its الهيكل الأساسي, that is, its amino acid sequence. Interactions between the amino acid side chains guide the folding of the polypeptide chain to form ثانوي, بعد الثانوي, and (sometimes) رباعي structures, which cooperate in stabilizing the native conformation of the protein. In addition, a specialized group of proteins named المرافقون is required for the proper folding of many species of proteins. Protein denaturation results in the unfolding and disorganization of the protein’s structure, which are not accompanied by hydrolysis of peptide bonds. Denaturation may be reversible or, more commonly, irreversible. Disease can occur when an apparently normal protein assumes a conformation that is cytotoxic, as in the case of Alzheimer disease and the اعتلالات الدماغ الإسفنجية المعدية (TSEs), including Creutzfeldt-Jakob disease. في Alzheimer disease, normal proteins, after abnormal chemical processing, take on a unique conformational state that leads to the formation of neurotoxic amyloid &beta الببتيد (A&beta) assemblies consisting of &beta-pleated sheets. In TSEs, the infective agent is an altered version of a normal prion protein that acts as a “template” for converting normal protein to the pathogenic conformation.

الشكل 2.15 Key concept map for protein structure.

أسئلة الدراسة

Choose the ONE best answer.

2.1 Which one of the following statements concerning protein structure is correct?

A. Proteins consisting of one polypeptide have quaternary structure that is stabilized by covalent bonds.

B. The peptide bonds that link amino acids in a protein most commonly occur in the cis configuration.

C. The formation of a disulfide bond in a protein requires the participating cysteine residues to be adjacent in the primary structure.

D. The denaturation of proteins leads to irreversible loss of secondary structural elements such as the &alpha-helix.

E. The primary driving force for protein folding is the hydrophobic effect.

Correct answer = E. The hydrophobic effect, or the tendency of nonpolar entities to associate in a polar environment, is the driving force of protein folding. Quaternary structure requires more than one polypeptide, and, when present, it is stabilized primarily by noncovalent bonds. The peptide bond is almost always trans. The two cysteine residues participating in disulfide bond formation may be a great distance apart in the amino acid sequence of a polypeptide (or on two separate polypeptides) but are brought into close proximity by the three-dimensional folding of the polypeptide. Denaturation may be reversible or irreversible.

2.2 A particular point mutation results in disruption of the &alpha-helical structure in a segment of the mutant protein. The most likely change in the primary structure of the mutant protein is:

Correct answer = C. Proline, because of its secondary amino group, is incompatible with an &alpha-helix. Glutamate, aspartate, lysine, and arginine are charged amino acids, and valine is a branched amino acid. Charged and branched (bulky) amino acids may disrupt an &alpha-helix.

2.3 In comparing the &alpha-helix to the &beta-sheet, which statement is correct only for the &beta-sheet?

A. Extensive hydrogen bonds between the carbonyl oxygen (C=O) and the amide hydrogen (N-H) of the peptide bond are formed.

B. It may be found in typical globular proteins.

C. It is stabilized by interchain hydrogen bonds.

D. it is an example of secondary structure.

E. It may be found in supersecondary structures.

Correct answer = C. The &beta-sheet is stabilized by interchain hydrogen bonds formed between separate polypeptide chains and by intrachain hydrogen bonds formed between regions of a single polypeptide. The &alpha-helix, however, is stabilized only by intrachain hydrogen bonds. Statements A, B, D, and E are true for both of these secondary structural elements.

2.4 An 80-year-old man presented with impairment of higher intellectual function and alterations in mood and behavior. His family reported progressive disorientation and memory loss over the last 6 months. There is no family history of dementia. The patient was tentatively diagnosed with Alzheimer disease. Which one of the following best describes Alzheimer disease?

A. It is associated with &beta-amyloid, an abnormal protein with an altered amino acid sequence.

B. It results from accumulation of denatured proteins that have random conformations.

C. It is associated with the accumulation of amyloid precursor protein.

D. It is associated with the deposition of neurotoxic amyloid &beta peptide aggregates.

E. It is an environmentally produced disease not influenced by the genetics of the individual.

F. It is caused by the infectious &beta-sheet form of a host-cell protein.

Correct answer = D. Alzheimer disease is associated with long, fibrillar protein assemblies consisting of &beta-pleated sheets found in the brain and elsewhere. The disease is associated with abnormal processing of a normal protein. The accumulated altered protein occurs in a &beta-pleated sheet configuration that is neurotoxic. The amyloid &beta that is deposited in the brain in Alzheimer disease is derived by proteolytic cleavages from the larger amyloid precursor protein, a single transmembrane protein expressed on the cell surface in the brain and other tissues. Most cases of Alzheimer disease are sporadic, although at least 5% of cases are familial. Prion diseases, such as Creutzfeldt-Jakob, are caused by the infectious &beta-sheet form (PrP Sc ) of a host-cell protein (PrP c ).

إذا كنت مالك حقوق الطبع والنشر لأي مادة واردة على موقعنا وتعتزم إزالتها ، فيرجى الاتصال بمسؤول الموقع للحصول على الموافقة.


Overview of Protein Structure

The spatial arrangement of atoms in a protein is called a conformation. The term conformation refers to a structural state that can, without breaking any covalent bonds, interconvert with other structural states. A change in conformation could occur, for example, by rotation about single bonds. Of the innumerable conformations that are theoretically possible in a protein containing hundreds of single bonds, one generally predominates. This is usually the conformation that is thermodynamically the most stable, having the lowest Gibbs' free energy (G). Proteins in their functional conformation are called native proteins.

What principles determine the most stable conformation of a protein? Although protein structures can seem hopelessly complex, close inspection reveals recurring structural patterns. The patterns involve different levels of structural complexity, and we now turn to a biochemical convention that serves as a framework for much of what follows in this chapter.

There Are Four Levels of Architecture in Proteins

Figure 7-2 Levels of structure in proteins. The primary structure consists of a sequence of amino acids linked together by covalent peptide bonds, and includes any disulfide bonds. The resulting polypeptide can be coiled into an a helix, one form of secondary structure. The helix is a part of the tertiary structure of the folded polypeptide, which is itself one of the subunits that make up the quaternary structure of the multimeric protein, in this case hemoglobin.

Conceptually, protein structure can be considered at four levels (Fig. 7-2). Primary structure includes all the covalent bonds between amino acids and is normally defined by the sequence of peptide-bonded amino acids and locations of disulfide bonds. The relative spatial arrangement of the linked amino acids is unspecified.

Polypeptide chains are not free to take up any three-dimensional structure at random. Steric constraints and many weak interactions stipulate that some arrangements will be more stable than others. Secondary structure refers to regular, recurring arrangements in space of adjacent amino acid residues in a polypeptide chain. There are a few common types of secondary structure, the most prominent being the a helix and the β conformation. Tertiary structure refers to the spatial relationship among all amino acids in a polypeptide it is the complete three-dimensional structure of the polypeptide. The boundary between secondary and tertiary structure is not always clear. Several different types of secondary structure are often found within the three-dimensional structure of a large protein. Proteins with several polypeptide chains have one more level of structure: quaternary structure, which refers to the spatial relationship of the polypeptides, or subunits, within the protein.

Figure 7-3 The different structural domains in the polypeptide troponin C, a calcium-binding protein associated with muscle. The separate calciumbinding domains, indicated in blue and purple, are connected by a long a helix, shown in white.

A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions

The native conformation of a protein is only marginally stable the difference in free energy between the folded and unfolded states in typical proteins under physiological conditions is in the range of only 20 to 65 kJ/mol. A given polypeptide chain can theoretically assume countless different conformations, and as a result the unfolded state of a protein is characterized by a high degree of conformational entropy. This entropy, and the hydrogen-bonding interactions of many groups in the polypeptide chain with solvent (water), tend to maintain the unfolded state. The chemical interactions that counteract these effects and stabilize the native conformation include disulfide bonds and the weak (noncovalent) interactions described in Chapter 4: hydrogen bonds, and hydrophobic, ionic, and van der Waals interactions. An appreciation of the role of these weak interactions is especially important to understanding how polypeptide chains fold into specific secondary, tertiary, and quaternary structures.

Every time a bond is formed between two atoms, some free energy is released in the form of heat or entropy. In other words, the formation of bonds is accompanied by a favorable (negative) change in free energy. The ΔG for covalent bond formation is generally in the range of -200 to -460 kJ/mol. For weak interactions, ΔG = -4 to -30 kJ/mol. Although covalent bonds are clearly much stronger, weak interactions predominate as a stabilizing force in protein structure because of their number. In general, the protein conformation with the lowest free energy (i.e., the most stable) is the one with the maximum number of weak interactions.

The stability of a protein is not simply the sum of the free energies of formation of the many weak interactions within it, however. We have already noted that the stability of proteins is marginal. Every hydrogen-bonding group in a polypeptide chain was hydrogen bonded to water prior to folding. For every hydrogen bond formed in a protein, hydrogen bonds (of similar strength) between the same groups and water were broken. The net stability contributed by a given weak interaction, or the difference in free energies of the folded and unfolded state, is close to zero. We must therefore explain why the native conformation of a protein is favored. The contribution of weak interactions to protein stability can be understood in terms of the properties of water (Chapter 4). Pure water contains a network of hydrogen-bonded water molecules. No other molecule has the hydrogen-bonding potential of water, and other molecules present in an aqueous solution will disruptthe hydrogen bonding of water to some extent. Optimizing the hydrogen bonding of water around a hydrophobic molecule results in the formation of a highly structured shell or solvation layer of water in the immediate vicinity, resulting in an unfavorable decrease in the entropy of water. The association among hydrophobic or nonpolar groups results in a decrease in this structured solvation layer, or a favorable increase in entropy. As described in Chapter 4, this entropy term is the major thermodynamic driving force for the association of' hydrophobic groups in aqueous solution, and hydrophobic amino acid side chains therefore tend to be clustered in a protein's interior, away from water.

The formation of hydrogen bonds and ionic interactions in a protein is also driven largely by this same entropic effect. Polar groups can generally form hydrogen bonds with water and hence are soluble in water. However, the number of hydrogen bonds per unit mass is generally greater for pure water than for any other liquid or solution, and there are limits to the solubility of even the most polar molecules because of the net decrease in hydrogen bonding that occurs when they are present. Therefore, a solvation shell of structured water will also form to some extent around polar molecules. Even though the energy of formation of an intramolecular hydrogen bond or ionic interaction between two polar groups in a macromolecule is largely canceled out by the elimination of such interactions between the same groups and water, the release of structured water when the intramolecular interaction is formed provides an entropic driving force for folding. Most of the net change in free energy that occurs when weak interactions are formed within a protein is therefore derived from the increase in entropy in the surrounding aqueous solution.

Of the different types of weak interactions, hydrophobic interactions are particularly important in stabilizing a protein conformation the interior of a protein is generally a densely packed core of hydrophobic amino acid side chains. It is also important that any polar or charged groups in the protein interior have suitable partners for hydrogen bonding or ionic interactions. One hydrogen bond makes only a small apparent contribution to the stability of a native structure, but the presence of a single hydrogen-bonding group without a partner in the hydrophobic core of a protein can be so destabilizing that conformations containing such a group are often thermodynamically untenable.

Most of the structural patterns outlined in this chapter reflect these two simple rules: (1) hydrophobic residues must be buried in the protein interior and away from water, and (2) the number of hydrogen bonds must be maximized. Insoluble proteins and proteins within membranes (Chapter 10) follow somewhat different rules because of their function or their environment, but weak interactions are still critical structural elements.


Torsion Angles and the Ramachandran Plot

تعريف
Two torsion angles in the polypeptide chain, also called Ramachandran angles (after the Indian physicist who worked on modeling the interactions in polypeptide chains, Ramachandran, GN, et al., J Mol Biol, 7:95-99 ) describe the rotations of the polypeptide backbone around the bonds between N-C&alpha (called Phi, &phi) and C&alpha-C (called Psi, &psi, see image for the graphics view of the angles).

A fragment of a polypeptide chain showing the torsion angles &phi and &psi as rounded arrows.
The angle (also called dihedral angle) is defined by 3 consecutive bonds involving 4 atoms. The angle describes the rotation of the chain around the middle bond. In proteins the two torsion angles &phi and &psi (also called Ramachandran angles) describe the rotation around N-C&alpha and C&alpha-C bonds, respectively.

The standard IUPAC definition of a dihedral angle is illustrated in the figure below. A, B, C and D illustrate the position of the 4 atoms used to define the dihedral angle. The rotation takes place around the central B-C bond. The view on the right is along the B-C bond with atom A placed at 12 o'clock. The rotation around the B-C bond is described by the A-B-D angle shown of the right image.

The range of the Phi & Psi Ramachandran angles accessible to a polypeptide chain defines the flexibility of the backbone and its ability to adopt a certain fold.
The third possible torsion angle within the protein backbone (called omega, &omega) describes the rotation at the peptide bond and is mostly flat and fixed to around 180 degrees. This is due to the partial double-bond character of the peptide bond, which restricts rotation around the C-N bond, placing two successive &alpha-carbons and C, O, N and H between them on one plane.

The Ramachandran plot
A special way for plotting protein torsion angles was introduced by Ramachandran and co-authors and since then is called the Ramachandran plot. The Ramachandran plot provides a way to view the distribution of torsion angles in a protein structure and shows that the torsion angles corresponding to the two major secondary structure elements (&alpha-helices and &beta-sheets) are clearly clustered within separate regions. The images below correspond to two different structures of the same protein. Each dot in the plot corresponds to an amino acid, with its &phi and &psi angles. On the left is a structure at low resolution and on the right is a high-resolution structure.

The Ramachandran plot shows the distribution of the torsion angles of a protein within certain regions.
The horizontal axis on the plot shows &phi values, while the vertical shows &psi values. Both horizontal and vertical axes start from -180 and extend to +180. The images also show that &phi and &psi angles of &alpha-helices and &beta-sheets are separated and occupy different regions of the plot (marked as &alpha and &beta).

ال Ramachandran plot and structure quality
The higher resolution of the X-ray data usually gives higher quality three-dimensional structure. From the plots it is easy to see that some regions contain many more dots than others. These are called allowed regions, and the corresponding angles are called allowed, or favorable angles (red and brown regions). Other regions are less favorable and are poorly populated in good-quality structures (yellow color). This is a result of steric hindrance &ndash certain rotations around the polypeptide chain will bring atoms too close to each other, creating steric repulsion. For this reason, Ramachandran plot serves as an important indicator of the quality of three-dimensional structures &ndash a good quality structure is expected to have all its torsion angles within the allowed regions of the plot (image on the right).

However, sometimes we may find amino acids with &ldquowrong&rdquo torsion angles for a good reason &ndash the strain (high energy) created in a structure by some residues within unfavorable angles may be used by the protein for certain purposes and may have functional significance ( Pal and Chakrabarti, 2002 ). Another exception from the principle of clustering around the &alpha- and &beta-regions is provided by glycine. Gly does not have a side chain, which allows high flexibility in the polypeptide chain, making otherwise forbidden rotation angles accessible. That is why glycine is often found in loop regions, where the polypeptide chain needs to make a sharp turn. As mentioned above, proline in contrast to glycine fixes the torsion angles at a certain value, very close to that of an extended &beta-strand.

Theoretically, the average phi and psi values for &alpha-helices and &beta-sheets are clustered around -57, -47 and -80, +150, respectively. However, for real experimental structures these values were found to be different. In a paper by Hovmöller et al., 2002 , download pdf , a detailed discussion of the fine structure of &phi- and &psi-angle distribution in the Ramachandran plot is presented (if asked for login on the page, just cancel and it will still work).