PROTEINELE

Proteinele sunt polipeptide care conţin un număr mare de aminoacizi (peste 50).

CLASIFICAREA PROTEINELOR

Sistemul recomandat de American Society of Biological Chemists plasează proteinele în trei mari grupe: proteine simple, proteine conjugate şi derivaţi proteici.

Proteine simple

a. Albumine: solubile în apă şi în soluţii saline (de ex.: albumina din serul sangvin, albumina din ou);b. Globuline: puţin solubile în apă, solubile în soluţii saline (de ex.: globulinele serice şi multe globuline din seminţe);c. Prolamine: solubile în alcool de 70-80% şi în apă sau etanol absolut (de ex.: gliadina din grâu, zeina din porumb);d. Gluteine: insolubile în solvenţi neutri şi solubile în soluţii diluate de acizi sau baze (de ex.: gluteina din grâu);e. Scleroproteinele: insolubile în solvenţi apoşi (colagen, elastina, keratine).

Proteine conjugate

Aceste proteine au în structură grupări neproteice (prostetice): lipide, glucide, acizi nucleici, etc.a. Nucleoproteine: sunt proteine bazice (histone şi protamine) combinate cu acizii nucleici (se găsesc în nucleu, mitocondrii, microsomi);b. Mucoproteine: sunt proteine combinate cu cantităţi mari de glucide şi aminoglucide (de ex.: substanţele de grup sangvin, gonadotropinele, mucinele);c. Glicoproteinele: sunt proteine combinate cu cantităţi mici de glucide şi aminoglucide (de ex.: proteinele sterice);d. Lipoproteinele: sunt proteine combinate cu lecitina, colesterol, triacilgliceroli şi alte lipide (se găsesc în principal în creier, ţesutul nervos, fiind şi componente structurale ale tuturor celulelor;e. Cromoproteine: sunt proteine colorate (de ex.: mioglobina şi hemoglobina);

1

f. Metaloproteine: sunt proteine ce conţin metale (cuceruloplasmina, Fe-feritina, un număr de enzime, etc.);g. Fosfoproteine: sunt proteine ce conţin resturi ale acidului fosforic ce esterifică resturi de serină şi treonină (de ex.: cazeina din lapte şi unele enzime).

Derivaţi proteici

Aceşti compuşi reprezintă derivaţi ai proteinelor, cu proprietăţi fizico-chimice modificate calitativ şi/sau cantitativ.

Clasificarea proteinelor după rolul funcţional. În funcţie de acest criteriu, proteinele pot fi incluse în două mari clase.

Proteine cu rol structural

O serie de proteine (colagenul, elastina, keratinele) formează matricea sistemului osos şi reprezintă componentul major al ţesuturilor conjunctive conferind structura şi forma organismului uman.

Proteine cu rol dinamic

Funcţiile dinamice ale proteinelor includ transportul, controlul metabolic, contracţia, cataliza reacţiilor biochimice etc.a. Enzimele, catalizatorii tuturor reacţiilor care au loc într-un organism viu

sunt proteine fără excepţie.b. Funcţia de transport este realizată de un număr de proteine. Hemoglobina

şi mioglobina transportă oxigenul în sânge şi respectiv în muşchi. Transferina transportă Fe prin sânge. Alte proteine transportă hormoni de la situsurile lor de sinteză spre cele de acţiune, prin sânge. Multe medicamente şi compuşi toxici sunt transportate prin sânge în stare legată de anumite proteine.

c. Funcţia de apărare este realizată de imunoglobuline şi interferon ce acţionează contra infecţiilor bacteriene şi virale. Tot în această categorie putem include fibrina care are rolul de a împiedica pierderile de sânge în sistemul vascular.

d. O serie de hormoni au structura polipeptidică şi proteică, ca de exemplu: insulina, glucagonul, tirotropina, somatotropina, hormonul luteinizant, hormonul foliculostimulator, etc.

e. Unele proteine au rol în mecanismul contracţiei musculare, ca deexemplu actina şi miozina.

2

f. Proteinele au roluri importante în controlul şi reglarea transcripţiei şi translaţiei genelor. Printre acestea menţionăm atât histonele, proteine represor asociate cu DNA ce controlează expresia genetică, proteinele ce fac parte din ribozomi cât şi factorii transcripţionali şi translaţionali.

g. Receptorii membranari sunt proteine ce transmit semnalele extracelulare şi în interiorul celulei, reglându-i activitatea fiziologică.

PROPRIETĂŢILE FIZICO-CHIMICE ALE PROTEINELOR

1. Masa moleculară a proteinelor este cuprinsă între 5000 daltoni (masa aproximativă a insulinei) şi câteva milioane de daltoni. În prezent există un număr de metode ce permit determinarea masei moleculare a compuşilor macromoleculari, bazate pe date analitice, microscopie electronică, presiune osmotică, tehnici de sedimentare, cromatografie, electroforeză, etc.

2. Presiunea osmotică este una din proprietăţile coligative ale materiei vii care conferă proteinelor proprietăţi speciale. Dacă o soluţie proteică este separată de o soluţie tampon (fără proteine) printr-o membrană semipermeabilă, solventul şi componentele tamponului vor străbate această membrană care este total impermeabilă pentru macromoleculele proteice conducând la o stare de nonechilibru. Activitatea chimică a apei din soluţia proteică va fi mai scăzută decât în soluţia din celălalt compartiment, apa având tendinţa de a trece din compartimentul cu soluţia tampon în cel cu soluţia proteică. Mărimea acestei tendinţe se numeşte presiune osmotică şi poate fi determinată cu ajutorul unui osmometru care determină presiunea hidrostatică necesară pentru a preveni transportul apei prin membrană. Cunoaşterea presiunii osmotice a diferitelor compartimente celulare este importantă atât pentru înţelegerea unor procese fiziologice cât şi pentru evitarea unor accidente osmotice.

3. Solubilitatea majorităţii proteinelor este în funcţie de tăria ionică, pH şi concentraţia solvenţilor organici. Tăria ionică este definită de relaţia:

μ = ½Σ ci zi2

ci- concentraţiile speciilor ionice din mediu zi- sarcinile acestor specii ionice Solubilitatea unei proteine variază cu tăria ionică a mediului după o curbă

gaussiană (în formă de clopot). În partea ascendentă a curbei – solubilitatea creşte cu tăria ionică a mediului, fenomen numit solubilizare (salting-in). În partea descendentă a curbei, la concentraţii mari de sare, apare fenomenul de precipitare (salting-out). Solubilitatea proteinelor, la tărie ionică constantă, variază cu pH după o curbă în formă de de U, cu un minim de pH izoelectric-pI (pH la care suma sarcinilor pozitive este egală cu suma

3

sarcinilor negative, sarcina netă fiind zero). La pI moleculele proteice precipită din soluţie şi nu migrează în câmp electric. La pH>pI, moleculele proteice au o sarcină electrică net negativă, iar la pH<pI sunt încărcate pozitiv.

4. Proprietăţile acido-bazice ale proteinelor sunt determinate de grupările ionizabile din moleculă. Proteinele sunt polielectroliţi complecşi, policationi în soluţie acidă şi când sunt titrate cu baze dau curbe dificil de interpretat datorită suprapunerii valorilor pKa a multor grupări care disociază. Chiar dacă aceste curbe de titrare nu au o formă caracteristică, ele dau informaţii asupra grupărilor ionizabile prezente. Trebuie notat că proteinele au proprietăţi de soluţii tampon şi joacă un rol important în controlul pH-ului în sistemele biologice. Proprietăţile fizice ale unei proteine au valori minime la pI. La acest pH, mobilitatea în câmp electric, presiunea osmotică, capacitatea de hidratare, vâscozitatea şi solubilitatea sunt minime.

STRUCTURA PRIMARĂ A PROTEINELORBiochimistul danez Kay Linderstrom-Lang a propus utilizarea

termenilor de structură primară, secundară, terţiară şi cuaternară pentru a definii ierarhia structurală a proteinelor.

Ordinea resturilor de aminoacizi legaţi covalent prin legături peptidice de la extremitatea N- spre cea C-terminală, se numeşte structură primară. În structura proteinelor există cei 20 α-aminoacizi standard. În anumite cazuri, în structura proteinelor apar aminoacizi modificaţi chimic: acetilaţi, hidroxilaţi, fosforilaţi, etc. Aceste modificări survin post-translaţional deci după terminarea sintezei proteice.

Structura primară se referă la numărul şi succesiunea resturilor de aminoacizi într-o proteină, deci la organizarea catenei polipeptidice, (dacă proteina este alcătuită din mai multe catene polipeptidice). Aceasta este reprezentată de secvenţa liniară, alcătuită din 60-1000 resturi de aminoacizi, legate covalent între ele prin legături peptidice formate între gruparea COOH a unui aminoacid şi gruparea NH2 din poziţia α a aminoacidului vecin.

4

Analiza compoziţiei în aminoacizi a unei proteine presupune hidroliza proteinei respective, care se realizează de obicei prin hidroliza acidă a legăturilor peptidice cu:

- HCl 6M, ~1000C, 24h-27h;- mai rar, cu acid performic;

Prin aceste metode nu se determină secvenţa de aminoacizi, ci numai compoziţia în aminoacizi.

Indiferent de agentul folosit pentru hidroliza proteinelor, hidroliza acidă a acestora este însoţită de oxidarea unor resturi de aminoacizi:

- cisteina şi cistina sunt transformate în acid cistic;- metionina în metioninsulfonă;- Tyr şi Trp sunt complet distruse;- Thr şi Ser sunt oxidate în proporţie de 5-10%;- Asn şi Gln sunt transformate în Asp şi Glu;

Totodată există legături peptidice care sunt rezistente la hidroliză, cum ar fi Ile-Ile, iar altele greu hidrolizabile: Val-Val, Val-Ile, Ile-Val.

Pentru a evita dezavantajele hidrolizei acide, se poate efectua hidroliza acidă la diferite intervale de timp ( 24h, 48h, 72h) şi extrapolarea rezultatelor la timpul „zero”.

Determinarea secvenţei de aminoaciziExtremitatea N-terminalăa) – EDMAN a dezvoltat o metodă pentru marcarea aminoacizilor de la capătul N-terminal, fără scindarea legăturilor peptidice dintre ceilalţi aminoacizi.

5

Degradarea EDMAN este o metodă de îndepărtare a câte unui singur aminoacid aflat la capătul N-terminal (care nu trebuie să fie blocat) al unei proteine în manieră secvenţială sau succesivă.

Principiul metodei constă în reacţia fenil-izotiocianatului cu gruparea NH2-terminală, neîncărcată a proteinei, formând un fenil-tiocarbamoil-derivat. În mediu slab acid,se eliberează un derivat ciclic al aminoacidului terminal şi peptida (proteina) scurtată cu un aminoacid. Compusul ciclic este feniltiohidantoina (PTH)-aminoacid, care este identificat prin procedee cromatografice (ex: HPLC). Recuperarea aminoacidului este sub 100%. Teoretic, metoda se poate aplica pentru identificarea tuturor aminoacizilor din structura primară a unei proteine, indiferent de numărul acestora.

Etapele degradării EDMAN- PITC este folosit pentru derivatizarea N-terminal liber din restul de

aminoacizi de la capătul N-teminal al proteinei la un feniltiocarbamoil-derivat al proteinei iniţiale;

- acidul trifluoroacetic determină ruperea aminoacidului N-terminal din proteină şi obţinerea unei proteine „scurtate” cu un aminoacid;

- tratamentul cu acid conduce şi la rearanjarea derivatului de aminoacid la un compus ciclic, feniltiohidantoina (PTH)-aminoacid

- compusul PTH-aminoacid este separat prin metode cromatografice şi este identificat;

- capătul N-terminal al noii proteine poate fi supus din nou degradării.

b) Metoda cu dinitrofluorobenzen permite identificarea prin marcarea covalentă a aminoacidului din capătul N-terminal.Etapele metodei

- reacţia de marcare are loc în prezenţa dinitrofluorobenzenului, în mediu slab acid (pH 5-6);

- reacţia de hidroliză cu HCl 6 N are ca rezultat obţinerea de aminoacizi liberi, rezultaţi prin hidroliza acidă a proteinei şi a unui dinitroderivat al aminoacidului de la capătul N-terminal, care este stabil în condiţiile de hidroliză ale proteinei;

- dinitroderivatul este un compus galben, ce poate fi detectat cu sensibilitate bună.

6

Spre deosebire de metoda EDMAN, această metodă nu poate fi folosită repetativ în cazul proteinei native deoarece aceasta este degradată total prin hidroliză acidă.

Cu ajutorul acestei metode se poate evidenţia existenţa mai multor catene polipeptidice prin formarea numărului corespunzător de derivaţi coloraţi ai aminoacizilor de la capatele N-terminale (ex: insulina prezintă 2 catene polipeptidice→2 capete N-terminale→2 derivaţii nitro pentru Gly şi Phe).

7

Degradarea Edman

Reacţiile metodei cu dinitrofluorobenzen

Extremitate C-terminalăDeterminarea aminoacidului din poziţia C-terminală se realizează în

prezenţa carboxipeptidazei A (exopeptidază) care atacă la capătul C-terminal, hidrolizând ultimul aminoacid din această poziţie.Scindarea specifică a unei proteine se realizează prin metode chimice sau enzimatice.

8

- WITKOP şi GROSS au evidenţiai că bromcianul (CNBr) scindează polipeptidele numai la partea carboxil a resturilor de metionină:

-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-... + CNBr R CH2 R’

CH2

S

CH3

+NH-CH-CO-NH-C-C=O + NH3-CH-CO-

R CH2 O R’

CH2

O proteina ce contine 10 resturi de Met va fi scindată în prezenţa CNBr în 11 peptide.

- Tripsina scindează catenele polipeptidice la extremităţile carboxil ale resturilor de Arg şi Lys (ex: o proteină ce conţine 19 resturi de Lys şi 7 resturi de Arg va produce 27 peptide (19+7+1) la digestia cu tripsină; fiecare din aceste peptide, cu excepţia celei de la extremitatea C-terminală a proteinei native, va avea în capătul C-terminal un rest de Lys sau Arg).

- Chimotripsina scindează preferenţial în dreptul grupării COOH a unor resturi de aminoacizi aromatici (Phe, Trp, Tyr).

Observaţii-peptidele obţinute prin scindare chimică sau enzimatică sunt separate

prin cromatografie, iar secvenţele fiecărei peptide purificate este apoi determinată prin metoda EDMAN;

-aceste metode se aplică unei proteine ce constă dintr-o singură catenă polipeptidică, lipsită de punţi disulfurice. Dacă o proteină constă din mai multe catene polipeptidice legate prin S-S, determinarea structurii primare necesită şi alte etape, respective scindarea acestor punţi şi separarea componentelor catenare.

Separarea punţilor disulfurice se realizează prin diverse procedee redox:

9

-oxidare cu acid performic;-reducere cu mercaptoetanol sau ditiotreitol.

Precauţii:Pentru a preveni reoxidarea resturilor de Cys, acestea sunt alchilate cu

iodacetat).

Elucidarea structurii primare a unei proteine

Este un process laborious care cuprinde mai multe etape:1. purificarea până la omogenitate moleculară a proteinei;2. determinarea numărului de catene polipeptidice pe care le conţine proteina3. izolarea catenelor polipeptidice individuale;4. scindarea specifică a fiecărei catene polipeptidice în fragmente mai mici,

mai uşor de analizat;5. determinarea secvenţei de aminoacizi a fiecărui fragment individual;6. potrivirea fragmentelor individuale într-o secvenţă unică a fiecărei catene

polipeptidice iniţiale;7. identificarea situsurilor de legare a catenelor polipeptidice în cadrul proteinei native a cărei structură primară se determină.

Structura secundară

Conformaţia proteinelorMăsurătorile fizice de diferite tipuri au sugerat că proteinele nu conţin

catene polipeptidice total extinse, ci sunt structuri mai mult sau mai puţin compacte, având diferite grade de pliere.

Dispoziţia lanţurilor peptidice în spaţiu defineşte conformaţia proteinei, iar descrierea completă a moleculei unei proteine include o analiză detaliată a valorii ungiurilor şi lungimii legăturilor, a orientării şi mărimii substituenţilor.

Structura unităţii peptidice a fost stabilită de Linus PAULING şi Robert COREY (1951) prin studii de difracţie X asupra unor preparate de aminoacizi, a unor di-, tri- şi oligopeptide (primele experimentări s-au făcut pe peptide sintetice rezultate din condensarea glicinei). Concluziile experimentărilor au condus la formularea unor legităţi:

10

- resturile de aminoacizi ce se găsesc în lanţurile polipeptidice sunt din seria L;

- atomii ce participă la formarea legăturii peptidice sunt coplanari;- conformaţia trebuie să permită, formarea unui număr mare de

legături de hidrogen şi să favorizeze realizarea unei structuri stabile energetic.

Atomii catenei principale sunt dispuşi în unităţi peptidice rigide, fiecare unitate având două grade de libertate:

- rotirea în jurul legăturii N-Cα, iar unghiul rotaţiei în jurul acestei legături este determinat ca fiind phi (φ);

- rotirea în jurul legăturii Cα-C’, iar unghiul corespunzător acestei rotaţii se desemnează prin psi (ψ).

Conformaţia atomilor catenei principale este determinată de valorile celor două unghiuri pentru fiecare rest de aminoacid al catenei polipeptidice. Numai anumite combinaţii ale acestor unghiuri sunt premise din cauza împiedicării sterice dintre catena principală şi catenele laterale R din fiecare aminoacid, cu excepţia Gly.

De exemplu: - grupările R voluminoase, cum ar fi în cazul Trp, prezintă cele

mai puţine rotaţii premise;- în cazul în care R=H, respective în cazul Gly, nu există

constrângeri din punct de vedere al rotaţiei;- în cazul Pro există o foarte mare restricţie în ceea ce priveşte

rotaţia legăturii, ceea ce determină tendinţa de a distruge sau de a întrerupe structura secundară.

rin măsurarea lungimii legăturilor, Pauling a dedus că legătura peptidică are un caracter de dublă legătură, datorită celei de-a doua forme de rezonanţă a amidei:

Lungimea legăturii C-N : 1,47 ÅLungimea legăturii C=N: 1,27 Å

11

Lungimea legăturii C=O : 1,33 Å

Reprezentarea RAMACHANDRAN

Unghiurile de torsiune (de rotaţie) φ şi ψ ale legăturilor din jurul atomilor Cα pot fi reprezentate grafic şi formează aşa-numitele “punctele lui Ramachandran”.

G.N.RAMACHANDRAN a folosit structuri ale unor mici polipeptide şi prin simulare pe calculator a variat sistemic valorile unghiurilor φ şi ψ având în vedere stabilirea conformaţiilor stabile. Pentru fiecare conformaţie, structura a fost examinată pentru distanţele (respectiv, contactele) dintre atomi. Atomii au fost consideraţi ca fiind sfere compacte cu dimensiuni corespunzătoare razelor lor de tip van der Waals. De aceea, acele valori ale unghiurilor φ şi ψ care determină coliziunea sferelor corespund conformaţiei sterice nepermise a polipeptidei.

12

În diagrama în care sunt reprezentate punctele lui Ramachandran, ariile de culoare albă corespund conformaţiilor în care atomii din lanţurile polipeptidice sunt mai apropiaţi decât suma razelor lor van der Waals (distanţele dintre atomi sunt mai mici decât suma acestor raze). Aceste regiuni sunt nepermise din punct de vedere steric pentru toţi aminoacizii cu excepţia glicinei, care este singurul aminoacid care nu are catenă laterală.

Regiunile închise la culoare corespund conformaţiilor în care nu se întâlnesc împiedicări sterice şi aceste conformaţii permise desemnează conformaţiile α-helix şi β-pliate.

Regiunile de culoare gri desemnează conformaţii permise dacă razele van der Waals sunt puţin mai mici decât cele folosite în calculul obioşnuit, ceea ce permite ca atomii să fie mai apropiaţi, fără a exista împiedicări sterice. Această situaţie conduce la apariţia unei regiuni, ce corespunde α-helixuri de stânga.

L-aminoacizii nu pot forma regiuni extinse de structură α-helix de stânga, dar, ocazional, resturi de aminoacizi, ca entităţi individuale, pot adopta această conformaţie. Aceste resturi sunt, de obicei, de glicină, dar pot fi şi de Asn sau Asp, când catenele laterale pot forma legături de hidrogen cu catena principală şi în acest fel este stabilizată această conformaţie, care în alte condiţii este nefavorabilă din punct de vedere al stabilităţii.

Structura 310-helix se regăseşte în partea dreaptă a regiunii α-helix şi este în partea de conformaţii permise, dar au stabilitate redusă.

Regiunile nepermise implică, în general, împidicări sterice între grupările metilen ale catenelor laterale şi atomii din catena principală. Glicina, neavând catenă laterală, poate adopta orice valoare a unghiurilor φ şi ψ din cele 4 cuadranţi ai diagramei. De aceea, acest aminoacid apare

13

frecvent în regiunile în care proteina îşi schimbă structura, respectiv în care catena polipeptidică îşi modifică direcţia, regiuni în care orice alt rest de aminoacid ar prezenta împiedicare sterică.

Analiza statistică a arătat că unghiurile φ şi ψ din proteine se regăsesc în interiorul sau în apropierea a două regiuni favorabile ( a căror distribuţie este prezentată în figura din stânga), cu excepţia glicinei, care poate adopta şi alte conformaţii (distribuţia este prezentată în figura din dreapta).

Cunoaşterea valorilor unghiurilor φ şi ψ dintr-o proteină nu reprezintă o informaţie suficientă pentru a descrie structura 3D a acesteia deoarece aceasta nu relevă şi detaliile referitoare la dispunerea catenelor laterale ale aminoacizilor. Totuşi, φ şi ψ au caractere determinant în ceea ce priveşte structura secundară a proteinei.

Raza van der WaalsCercetările au arătat că atomii dintr-o moleculă nu se pot apropia unul

de celălalt prea mult când nu există o legătură chimică între ei. Aceasta sugerează faptul că atomii din diferite molecule, la rândul lor, nu se pot apropia prea mult şi că ei ocupă un volum molecular bine definit.

Indiferent de metoda de determinare, distanţele intermoleculare sunt interpretate ca fiind cele dintre atomi ce sunt asimilaţi cu nişte sfere compacte. Se presupune că atomii ce se găsesc în apropierea unuia de celălalt, dar nu sunt legaţi chimic între ei, se pot apropia până la atingere, dar

14

nu mai mult. Măsurarea distanţei dintre ei va fi egală cu suma razelor sferelor cu care aceşti atomi sunt asimilaţi:

distanţa interatomică = rA + rB

A B

Raza sferelor compacte cu care sunt asimilaţi atomii se numeşte raza van der Waals sau “nonbonded radii”.

Odată cu progresele mecanicii cuantice s-a demonstrat că atomii nu sunt, însă sfere compacte. Structura lor electronică trebuie să fie descrisă prin funcţii de undă, iar când atomii se apropie unul de celălalt apare o anumită întrepătrundere între funcţiile lor de undă, ceea ce conduce la diferite tipuri de interacţiuni. Din acest punct de vedere, noţiunea de mărime (volum) a atomului nu are sens.

Totuşi, raza van der Waals este folosită ca parametru în expresii matematice pentru descrierea empirică a interacţiilor intermoleculare în câmpuri de forţă.

Astfel, razele van der Waals sunt, încă, utilizate pentru definirea volumului şi a suprafeţei unui atom sau a unei molecule. Reprezentarea suprafeţei este utilă în studiile de determinare a structurii geometrice a biopolimerilor.

Structura secundară reprezintă aranjamentul spaţial al resturilor de aminoacizi dintr-o catenă polipeptidică, care rezultă din combinaţiile unghiurilor φ şi ψ într-o formă (stare) stabilă. Elementele structurii secundare sunt stabilizate prin punţi de hidrogen între electronii neparticipanţi ai unui atom de oxigen carbonilic al unei unităţi proteice (peptidice) şi atomul de hidrogen al altei unităţi.

Trei elemente de structură secundară se găsesc în mod obişnuit în structura proteinelor: α-helix, β-structură pliată (β-sheet) şi β-turns. Secvenţele fără o structură secundară organizată se numesc random coils şi ele au o mare flexibilitate în soluţii.

Unghiurile de torsiune φ şi ψ ale legăturilor din jurul atomului Cα sunt diferite în funcţie de tipul de structură secundară:

φ = ψ = 1800 (conformaţie planară, complet extinsă)φ = -570; ψ = -470 (α-helix de dreapta)φ = -1390; ψ = +1350 (β-sheet antiparalel)φ = -1190; ψ = +1130 (β-sheet paralel)

15

rA rB

α-helix este structura secundară cea mai des întâlnită în structura proteinelor. În această structură, lanţul polipeptidic are o formă spiralată, ca şi cum ar fi înfăşurat în jurul unui cilindru imaginar, de obicei spre dreapta.

Ipotetic, orice aminoacid poate participa la formarea structurii α-helix, cu excepţia Pro care este un iminoacid cu nucleu rigid şi care perturbă regularitatea dispoziţiei helicoidale, fiind un aminoacid ce întrerupe structura helicoidală. Cu toate acestea, unii aminoacizi participă la formarea acestui element de structură secundară mai frecvent, cum este cazul Met, Glu, Leu, Ala, iar alţi aminoacizi participă mai rar (Gly, Tyr, Ser), considerându-se că aceştia din urmă destabilizează structura helicală.

Parametrii ce caracterizează structurile helicale sunt:n – numărul de resturi de aminoacizi per tura de helix;d – creşterea helixului pentru fiecare rest de aminoacid (pasul aminoacidului)p – înâlţimea unei ture complete de helix (pasul helixului sau pasul spirei) (engl. pitch.)

În cazul α-helixului de dreapta, avem următorii parametrii:φ = -570; ψ = -470; n = 3,6 resturi aminoacizi; d = 1,5 Å (0,15nm); p = 5,4 Å (0,54nm)

Factorii de conversie între diferite unităţi:1 pn = 1x10-12m

100 pm = 1 Å 1000 pm = 1 nm

16

Tipul obişnuit de α-helix se numeşte 3,613α-helix (3,6 resturi de aminoacizi per tură, punţile de hidrogen ce se formează între atomul de hidrogen al grupării NH a aminoacidului i şi oxigenul din carbonilul aminoacidului i-4 închid o buclă de 13 atomi).

Alte tipuri de α-helix:2,27 ribbon: are 2,2 resturi aminoacizi per tură helix310 ribbon: are 3 resturi aminoacizi per tură helix (în acest caz

p = 6 Å, este mai subţire şi apare ocazional în structura proteinelor, în segmente scurte de 1-2 ture). Legăturile de H sunt paralele cu axa structurii.

π (4,416): are o conformaţie mai lată şi mai alungită, apărând la sfârşitul unui α-helix normal.

Conţinutul în α-helix al proteinelor variază considerabil, astfel:- hemoglobina şi mioglobina au α-helix ca motiv structural

principal, dispus sub forma mai multor segmente, de lungimi mai mici de 40 Å;

- 38% în insulină;- 46% în albumină serică bovină;- 16% în ribonuclează;- lipseşte total din structura α-chimiotripsinei.Segmentele de α-helix variază considerabil în lungimea proteinelor

globulare, cuprinzând de la 4-5 aminoacizi la peste 40 de resturi. Lungimea medie este de cca 10 resturi, ceea ce corespunde la 3 ture.

În proteine apar α-helixuri spre dreapta, dar ocazional se observă şi scurte helixuri (3-5 resturi) orientate spre stânga.

Localizarea structurii helicale este, de obicei, la suprafaţa proteinei, realizând o interfaţă cu mediul apos. Partea internă a helixului este formată mai ales din aminoacizi hidrofobici, iar partea externă din aminoacizi hidrofili.

17

Structurile β-pliate sunt stabilizate de legături de hidrogen poziţionate aproape perpendicular pe axa structurii. Distanţa axială între doi aminoacizi vecini este de 3,5 Å comparativ cu 1,5 Å din α-helix. Acest tip de structură secundară se regăseşte atât în proteinele fibroase, cât şi în cele globulare.

18

În formarea β-structurii, 2 regiuni (de 5-10 resturi aminoacizi) se aliniază paralel sau antiparalel, stabilindu-se punţi de hidrogen, cu formarea unei structuri mai extinse decât cea a α-helixului. Grupările R se găsesc de o parte şi de alta a planurilor generate de caracteristicile peptidice şi punţilor de hidrogen.

În cazul β-structurii, distanţa axială dintre 2 resturi de aminoacizi (parametrul d) este de 3,5 Å. Cum sunt 2 resturi de aminoacizi per unitate repetitivă, înseamnă că parametrul p = 7 Å. Comparând cu structura α-helix unde d = 1,5 Å, iar p = 5,4 Å, rezultă clar că polipeptidele în conformaţie β sunt mai extinse decâtcele în conformaţie α-helicală.

Resturile de aminoacizi din β-structuri au valori negative pentru unghiul φ şi valori pozitive pentru unghiul ψ. Valorile de referinţă sunt

19

φ = -1400; ψ = -1300. În contrast, în structurile α-helicale, ambele unghiuri au valori negative.

În β-structuri, două sau mai multe lanţuri polipeptidice se găsesc unul de-a lungul celeilalte şi sunt legate în mod ordonat şi regulat prin legături de hidrogen stabilite între grupările C=O şi N-H din lanţurile principale. De aceea, toate legăturile de hidrogen din β-structură se stabilesc între diferite fragmente ale polipeptidei spre deosebire de structurile α-helix unde punţile de hidrogen implică acelaşi element al structurii secundare.

În structurile β-pliate paralele, catenele au aceeaşi direcţie, pe când în cele antiparalele, acestea sunt direcţionate în mod opus una faţă de cealaltă. În cazul, β-structurilor mixte, unele catene sunt paralele, iar altele, antiparalele.

Structură β-pliată

paralelă antiparalelă mixtă

Structurile β-sheet se regăsesc atât în structura proteinelor fibroase (de ex. fibrina extrasă din mătasea viermelui de mătase), cât şi în structura proteinelor globulare, fiind situată între segmentele α-helix.

În general, β-structurile sunt alcătuite din cel puţin 6 catene (sheet). Nu s-a semnalat preferinţă pentru tipul paralel sau antiparalel, dar structuri β paralele cu mai puţin de 4 catene sunt rare, probabil reflectând stabilitatea lor redusă. Aceste β-structuri tind să fie numai paralele sau numai antiparalele, existând însă şi structuri mixte.

Modelul PAULING şi COREY pentru β-structurile pliate este planar. Totuşi, cele mai multe structuri de acest tip identificate în structura proteinelor globulare este răsucită (twist). Această răsucire este de stânga. Răsucirea structurii este rezultatul unei rotaţii relative a fiecărui aminoacid cu aproximativ 300 spre dreapta.

20

25-300

β-structurile paralele sunt mai puţin răsucite decât cele antiparalele şi sunt în general puţin expuse spre exteriorul proteinei. Spre deosebire de acestea, β-structurile antiparalele pot suferi mari distorsiuni, cum ar fi răsucirile, şi sunt în mare parte expuse spre solvenţi. Acest lucru înseamnă că structurile antiparalele sunt mai stabile decât cele paralele, ceea ce se corelează cu geometria legăturilor de hidrogen şi cu faptul că structurile paralele apar rar.

Structurile „turns” reprezintă cea de-a treia categorie de structuri secundare „clasice” (aproximativ 1/3 din totalul resturilor de aminoacizi din structura proteinelor globulare având structura „turn”). Această structură permite catenei polipeptidice să-şi schimbe brusc direcţia.

Structurile „turns” sunt localizate, în primul rând, la suprafaţa proteinei şi în consecinţă sunt alcătuite de resturi de aminoacizi polari şi încărcaţi electric.

Majoritatea proteinelor sunt constituite din combinaţii de elemente ale structurii secundare: α-helix şi β structurile, legate între ele prin regiuni „turns” sau „loop” de diferite lungimi şi cu forme neregulate. O combinaţie a elementelor structurii secundare formează miezul hidrofob stabil al moleculei, regiunile „loop”- bogate în aminoacizi apolari – găsindu-se la suprafaţa moleculei proteice. Grupările CO şi NH ale legăturii peptidice din aceste regiuni „loop” nu formează punţi de hidrogen între ele, fiind expuse spre mediu, şi formează legături de hidrogen cu moleculele de apă.

Recunoaşterea anticorpilor, fosforilarea, glicozilarea, hidroxilarea şi reacţia intron/exon se realizează frecvent în zona sau în apropierea zonei „turns”. Totuşi, nu se poate afirma cu precizie dacă acest lucru se datorează recunoaşterii specifice sau localizării la suprafaţă a conformaţiei „turn”.

Aceste structuri se mai numesc „reverse turns”, β-bends sau hairpin bends/loops deoarece aceste secvenţe sunt adesea de structură β antiparalelă.

Structurile „turn” au fost identificate de VENKATACHALAM (1968), care a evidenţiat trei tipuri, toate trei conţinând 4 resturi de aminoacizi, cu o punte de hidrogen ce apare între oxigenul carbonului de la aminoacidul i şi azotul aminic al aminoacidului i+3:

- tipul I: poate conţine orice rest de aminoacid în poziţiile i - i+3, cu excepţia Pro în poziţia i+2

- tipul II: necesită Pro în poziţia i+1 şi Gly în poziţia i+3- tipul III: este o tură din 310-helix.S-au făcut multe speculaţii referitoare la rolul acestui tip de structură

secundară în proteinele globulare, extrem de diferite:

21

- considerarea acestor structuri ca fiind „partea slabă” (vulnerabilă) din lanţul polipeptidic, permiţând celorlalte 2 tipuri de structuri secundare (helix şi piate) să determine conformaţia;

- considerarea lor ca fiind segmente de nucleare a structurii, ce apar în faze timpurii ale procesului de formare a structurii proteinei (maturarea acesteia),

Aproape toate proteinele au mai mult de 60 de resturi de aminoacizi implicate în mai multe elemente „loop” de 6-16 resturi, a căror lungime este mai mică de 10 Å.

Când secvenţe de aminoacizi omoloage de la diferite specii sunt comparate, se constată că cele mai multe inserţii sau deleţii apar în aceste regiuni “loop” în cursul evoluţiei miezul hidrofob fiind mai stabil. Aranjamentul elementelor structurii secundare din miezul hidrofob este relative insensibil la lungimea regiunii “loop”. La nivelul acestor regiuni, se găsesc frecvent situsurile de legare şi centrele catalitic active ale enzimelor.

Structura supersecundară

Studiile referitoare la conformaţia, funcţia şi evoluţia proteinei au revelat existenţa unui nou nivel de organizare care constă în aranjamente geometrice specifice, cunoscute sub denumirea de structuri supersecundare sau motive structurale.

1. Structura β-hairpinsCel mai simplu motiv şi cel mai frecvent întâlnit în structura multor

proteine, constă din două elemente β-structură unite printr-o regiune „loop”. Apare sub forma unor regiuni scurte de tip „loop” dintre catenele antiparalele ale structurilor β.

Aceste structuri adoptă conformaţii specifice care depind de lungimea şi de secvenţa lor.

SIBANDA şi THORNTON au arătat că 70% din structurile β-hairpins au o lungime mai mică de 7 resturi de aminoacizi, având 2 resturi de aminoacizi în regiunea buclei şi care alcătuiesc compnentul cel mai important.

22

β-structură

β-structurăβ-hairpins

Acest motiv este prezent frecvent în majoritatea structurilor antiparalele, cât şi ca parte a unor structuri mai complexe, de ex: inhibitorul tripsinei, proteina din veninul de şarpe.

2. Structura β-cornersCatenele cu structură β au o uşoară răsucire spre dreapta astfel încât

împachetarea în structuri β are o anumita curbură spre stânga. Catenele antiparalele ce formează structurile β-hairpins pot fi acomodate prin schimbarea direcţiei cu 900, structură cunoscută sub numele de β-corners.

3. Helix hairpins (ααhairpins)Această structură se referă la regiunea „loop” ce conectează două

segmente α-helicale antiparalele.4. αα cornerScurte regiuni „loop” ce conectează helixuri care sunt aproape

perpendiculare una pe cealaltă.

Structura tertiară

Structura terţiară reprezintă forma tridimensională a proteinei şi este determinată de răsucirile neregulate şi contorsiunile structurii secundare cauzate de interacţiile dintre diferitele grupări R care substituie α-atomul de carbon, constituind catenele laterale ale polipeptidelor.

Interacţiile ce se stabilesc între grupările R şi care stabilizează structura terţiară sunt de tipul interacţiilor electrostatice, punţi de hidrogen, interacţii van der Waals, punţi disulfurice.

Grupările R hidrofobe tind să se orienteze către centrul structurii 3D a proteinei, evitând contactul cu apa. În schimb, grupările R hidrofile sunt direcţionate spre mediul apos şi sunt îndreptate spre exteriorul structurii 3D.

Acest nivel de organizare superior structurii secundare este caracterizat de interacţii care conduc la plierea catenei şi la formarea unor structuri compacte.

Unitatea fundamentală a structurii terţiare este domeniul. Există proteine constituite dintr-un singur domeniu sau altele formate din câteva zeci. Adesea diferitele domenii ale unei proteine sunt asociate cu diverse funcţii.Exemplu: catenele polipeptidice lungi ale dehidrogenazelor se pliază în două domenii clar separate,având funcţii diferite

23

- un domeniu leagă NAD+ (este format din 6 secvenţe cu structuri α-helix la capete) şi este constituit din partea N-terminală a catenei polipeptidice sau C-terminală.

- un domeniu care recunoaşte şi leagă substratul.Situsul catalitic activ se găseşte într-o fantă, poziţionată între cele 2

domenii.

Reprezentari schematice ale structurii tertiare a diferitelor proteine

24

25

Structura cuaternară

Structura cuaternară nu este comună tuturor proteinelor, ea caracterizeză acele specii moleculare proteice constituite din mai multe catene polipeptidice. Fiecare catenă în parte are o structură primară, secundară şi terţiară proprie, deci o anumită conformaţie.

Multe molecule proteice sunt formate dintr-o singură catenă polipeptidică, acestea sunt proteine monomerice.

Un număr mare de proteine sunt, însă, formate din mai multe catene polipeptidice identice sau diferite, asociate într-o moleculă multimerică cu o structură cuaternară. Aceste unităţi pot funcţiona independent sau cooperativ, în ultimul caz, funcţia unei subunităţi fiind dependentă de starea funcţională a celorlalte.

Structura cuaternară prezintă o serie de avantaje comparativ cu proteine ce au doar structură de monomer. În primul, datorită faptului că asigură flexibilitate moleculei proteice, proprietăţile care la nivelul enzimelor, de exemplu, se reflectă prin capacitatea lor de a răspunde la modificarea condiţiilor de mediu. Enzimele cu structură cuaternară sunt enzime reglatoare (enzime alosterice), capabile de a controla viteza cu care decurg reacţiile în cadrul metabolismului intermediar.

26