Dacă vedeți acest mesaj, înseamnă că avem probleme cu încărcarea resurselor externe pe site-ul nostru.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Conţinutul principal

Ordinea structurii proteice

Nivelurile structurii proteinelor: primară, secundară, terțiară și cuaternară. Alfa-helix și structura beta-pliată.

Introducere

Te-ai întrebat vreodată de ce albușul oului se schimbă din transparent în opac atunci când prăjești un ou? Dacă da, atunci această secțiune este pentru tine!
Albușurile ouălor conțin o cantitate mare de proteine, numite albumine, și albuminele au de obicei o formă 3D specifică, mulțumită legăturilor formate între diferiții aminoacizi din proteină. Căldura face ca aceste legături să se rupă și expune aminoacizii hidrofobi (cei cărora nu le place apa), care sunt de obicei ținuți în interiorul proteinei1,2. Aminoacizii hidrofobi, încercând să scape de apa care îi înconjoară în albușul oului, o să se lipească uii de alții, formând o rețea de proteine care îi oferă structură albușului de ou, făcând-o albă și opacă. Ta-da! Mulțumesc, proteină denaturată, pentru încă un mic dejun sănătos.
Cum am menționat în articolul precedent despre proteine și aminoacizi, forma unei proteine este foarte importantă pentru funcția ei. Pentru a înțelege cum își dobândește o proteină forma finală sau conformația, trebuie să înțelegem cele patru nivele ale structurii proteinelor: primară, secundară, terțiară și cuaternară.

Structura primară

Cel mai simplu nivel al structurii proteinelor, structura primară, este doar secvența aminoacizilor din lanțul polipeptidic. De exemplu, hormonul insulină are două lanțuri polipeptidice, A și B, ilustrate în diagrama de mai jos. (Molecula de insulină ilustrată aici este insulină bovină, dar structura ei este asemănătoare insulinei umane). Fiecare lanț are propriul set de aminoacizi, asamblați într-o anumită ordine. De exemplu, secvența lanțului A începe cu glicină la capătul N-terminal și se termină cu asparagină la capătul C-terminal și este diferită de secvența lanțului B.
Credit imagine: OpenStax Biology.
Secvența unei proteine este determinată de ADN-ului genei care codifică proteina (sau care codifică o porțiune a proteinei, pentru proteinele multi-subunitare). O modificare a secvenței ADN a genei poate duce la o schimbare în secvența aminoacizilor proteinei. Chiar și schimbarea unui singur aminoacid din secvența de proteine poate afecta structura și funcția proteinei.
De exemplu, o singură modificare a unui aminoacid este asociată cu anemia falciformă, o boală ereditară care afectează globulele roșii. În anemia falciformă, unul din lanțurile polipeptidice care compun hemoglobina, proteina care transportă oxigenul în sânge, are o ușoară modificare a secvenței. Acidul glutamic care este, în mod normal, al șaselea aminoacid din lanțul hemoglobină-β (unul dintre cele două tipuri de lanțuri proteice care alcătuiesc hemoglobina) este înlocuit cu o valină. Această substituție este prezentată pentru un fragment din lanțul β în diagrama de mai jos.
Tabel modificat din OpenStax Biology.
Cel mai remarcabil este faptul că o moleculă de hemoglobină este formată din două lanțuri α și două lanțuri β, fiecare constând din aproximativ 150 de aminoacizi, pentru un total de aproximativ 600 de aminoacizi în întreaga proteină. Diferența dintre o moleculă de hemoglobină normală și o moleculă cu anemie falciformă este de doar 2 aminoacizi din aproximativ 600.
O persoană cu hematii falciforme va avea simptome de anemie falciformă. Acestea apar deoarece înlocuirea acidului glutamic cu valina determină moleculele de hemoglobină să se asambleze în fibre lungi. Fibrele distorsionează hematiile din forma de disc în forma de semilună. Exemple de hematii „în formă de seceră” pot fi observate în proba de sânge de mai jos, amestecate cu celule normale în formă de disc.
Credit imagine: OpenStax Biology modificare realizată de Ed Uthman; grafic de la Matt Russell.
Celulele falciforme se blochează în timp ce încearcă să circule prin vasele de sânge. Celulele blocate afectează fluxul sangvin și pot cauza probleme grave de sănătate persoanelor cu anemie falciformă, inclusiv senzație de lipsă de aer, amețeli, dureri de cap și dureri abdominale.

Structură secundară

Următorul nivel al structurii proteinelor, structura secundară, se referă la structurile locale pliate care se formează în cadrul unei polipeptide, datorită interacțiunilor dintre atomii din schelet. (Scheletul se referă doar la lanțul polipeptidic în afară de grupările R — deci tot ceea ce vrem să spunem aici este că structura secundară nu implică atomi din R.) Cele mai frecvente tipuri de structuri secundare sunt α-helixul și structura β-pliată. Ambele structuri sunt ținute în formă de legăturile de hidrogen, care se formează între O-ul carbonilului unui aminoacid și H-ul aminoului celuilalt.
Credit imagine: OpenStax Biology.
Într-un α-helix, carbonilul (C=O) dintr-un aminoacid este legat de hidrogenul H din gruparea amino (N-H) a unui aminoacid aflat la o distanță de patru poziții depărtare în lanț. (exemplu, carbonilul aminoacidului 1 ar forma o legătură de hidrogen la N-H al aminoacidului 5.) Acest tip de legătură trage lanțul polipeptidic într-o structură spiralată, care seamănă cu o panglică răsucită; fiecare rotire a helixului conține 3,6 aminoacizi. Grupările R ale aminoacizilor se dispun la exteriorul α-helixului, unde sunt libere să interacționeze3.
Într-o structură β-pliată, două sau mai multe segmente ale unui lanț polipeptidic se aliniază unul lângă celălalt, formând o structură asemănătoare unei foi ținute laolaltă cu ajutorul legăturilor de hidrogen. Legăturile de hidrogen se formează între grupările carbonil și amino ale scheletului, în timp ce grupările R se extind deasupra și sub planul structurii3. Fasciculele unei structuri β-pliate pot fi paralele, îndreptate în aceeași direcție (însemnând că N-terminal și C-terminal se potrivesc) sau antiparalele, îndreptate în direcții opuse (însemnând că N-terminal al unei componente este poziționat lângă C-terminal al celeilalte).
Anumiți aminoacizi sunt mai mult sau mai puțin susceptibili să se regăsească în α-helixuri sau structuri β-pliate. De exemplu, aminoacidul prolină este uneori numit „întrerupător de helix”, deoarece gruparea sa R neobișnuită (care se leagă de gruparea amino pentru a forma un inel) creează o curbă în lanț și nu este compatibil cu formația helix4. Prolina se găsește, de obicei, în regiunile nestructurate ale structurilor secundare. În mod similar, aminoacizii precum triptofanul, tirozina și fenilalanina, care au structuri inelare mari în grupările R, se găsesc adesea în structuri β-pliate, poate pentru că structura β-pliată oferă suficient spațiu pentru lanțurile laterale4.
Multe proteine conțin atât α-helixuri, cât și structuri β-pliate, deși unele conțin un singur tip de structură secundară (sau nu formează niciun tip).

Structura terțiară

Structura globală tridimensională a unei polipeptide se numește structură terțiară. Structura terțiară se datorează în principal interacțiunilor dintre grupările R ale aminoacizilor care alcătuiesc proteina.
Interacțiunile dintre grupările R care contribuie la structura terțiară includ legături de hidrogen, legături ionice, omteracțiuni dipol-dipol și forțe de dispersie London — practic, întreaga gamă de legături necovalente. De exemplu, grupările R cu sarcini similare se resping reciproc, în timp ce cele cu sarcini opuse pot forma o legătură ionică. În mod similar, grupările R pot forma legături de hidrogen și alte interacțiuni dipol-dipol. De asemenea importante pentru structura terțiară sunt interacțiunile hidrofobe, în care aminoacizi cu grupări R nepolare și hidrofobe se grupează în interiorul proteinei, lăsând aminoacizii hidrofili la exterior, pentru a interacționa cu moleculele de apă înconjurătoare.
În sfârșit, există un tip special de legătură covalentă care poate contribui la structura terțiară: legătura disulfurică. Legăturile disulfurice, legături covalente dintre lanțurile laterale care conțin sulf, ale cisteinei, sunt mult mai puternice decât celelalte tipuri de legături care contribuie la structura terțiară. Ele acționează ca niște „ace de siguranță” moleculare, menținând părțile polipeptidei ferm legate între ele.
Tabel modificat din OpenStax Biology.

Structura cuaternară

Multe proteine sunt alcătuite dintr-un singur lanț polipeptidic și au doar trei niveluri de structură (cele pe care tocmai le-am discutat). Totuși, unele proteine sunt formate din mai multe lanțuri polipeptidice, cunoscute și ca subunități. Când aceste subunități sunt puse laolaltă, conferă proteinei structura cuaternară.
Am întâlnit deja un exemplu de proteină cu structură cuaternară: hemoglobina. După cum am menționat anterior, hemoglobina transportă oxigenul în sânge și este formată din patru subunități, câte două dintre tipurile α și β. Un alt exemplu este ADN-polimeraza, o enzimă care sintetizează noi catene de ADN și este compusă din zece subunități5.
În general, aceleași tipuri de interacțiuni care contribuie la structura terțiară (interacțiuni slabe, precum legăturile de hidrogen și forțele de dispersie London) țin, de asemenea, subunitățile împreună în structura cuaternară.
Imagine modificată a prelucrării OpenStax Biology după cercetare realizată de National Human Genome Research Institute.

Denaturarea și plierea proteinelor

Fiecare proteină are propria sa formă unică. Dacă temperatura sau pH-ul mediului unei proteine sunt modificate sau dacă este expusă la substanțe chimice, aceste interacțiuni pot leza catenele, determinând proteina să își piardă structura tridimensională și să se transforme înapoi într-un șir nestructurat de aminoacizi. Atunci când o proteină își pierde structura de ordin înalt, dar nu și secvența primară, se spune că este denaturată. Proteinele denaturate sunt, de obicei, nefuncționale.
În cazul anumitor proteine, denaturarea poate fi reversibilă. Deoarece structura primară a polipeptidei este încă intactă (aminoacizii nu au fost separați), se poate replia în forma sa funcțională, dacă este reintrodusă în mediul său normal. Alteori, însă, denaturarea este permanentă. Un exemplu de denaturare ireversibilă a proteinelor este atunci când se prăjește un ou. Proteina de albumină din albușul lichid al oului devine opacă și solidă, pe măsură ce este denaturată de căldura aragazului, și nu se va întoarce la starea sa originală, de ou crud, nici atunci când se răcește.
Cercetătorii au constatat că unele proteine se pot plia din nou după denaturare, chiar dacă sunt singure într-o eprubetă. Deoarece aceste proteine pot trece de la nestructurate la pliate, de unele singure, secvențele de aminoacizi trebuie să conțină toate informațiile necesare pentru pliere. Cu toate acestea, nu toate proteinele sunt capabile de acest truc, iar felul în care se pliază proteinele într-o celulă, în mod normal, pare să fie mai complicat. Multe proteine nu se pliază de unele singure, ci obțin asistență din partea proteinelor chaperone (chaperonine).

Explorează în afara Khan Academy

Vrei să afli mai multe despre structura proteinelor și plierea acestora? Vezi această listă interactivă de la LabXchange.
Vrei să afli mai multe despre efectul temperaturii asupra plierii proteinelor? Vezi această imagine interactivă de la LabXchange.
LabXchange este o platformă online gratuită de educație științifică creată la Facultatea de Arte și Științe de la Harvard și sprijinită de Fundația Amgen.