Пептидні зв'язки розташовані в одній площині і жорсткі

 Архітектура протеїнів - первинна структура. Ковалентні зв'язки також накладають певні обмеження на конформацію поліпептидів. У кінці 1930-х років Лайнус Полінґ і Роберт Корі започаткували серію досліджень, які склали основу сучасного розуміння структури протеїнів. Вони розпочали з детального вивчення пептидного зв'язку. Атоми α-вуглецю сусідніх амінокислотних залишків розділені трьома ковалентними зв'язками, розташованими у такий спосіб: С_α-С-N-С_α. Вивчення кристалів амінокислот і простих дипептидів та трипептидів методом дифракції рентґенівських променів показало, що пептидний зв'язок С-N дещо коротший, аніж аналоґічний зв'язок у простих амінах, а також що сусідні з пептидним зв'язком атоми розміщені в одній площині. Це свідчить про резонансний чи частковий розподіл двох пар електронів між амідним азотом і карбонільним киснем (Рис. 4-2а). Кисень має частковий неґативний, а азот- частковий позитивний заряди, внаслідок чого утворюється невеликий електричний диполь. Шість атомів пептидної групи лежать в одній площині, причому атом кисню карбонільної групи і водню амідної групи знаходяться у транс-положенні один до одного. На підставі цих даних Полінґ і Корі дійшли висновку, що вільне обертання навколо пептидних зв'язків С-N неможливе внаслідок того, що вони мають характер частково подвійного зв’язку. Обертання відбувається лише навколо зв'язків N-С_α та С_α-С. Отже, каркас поліпептидного ланцюга може бути зображений як послідовність жорстких площин, сусідні з яких мають спільну точку обертання при атомі С_α (Рис. 4-2б). Жорсткий пептидний зв'язок обмежує набір конформацій, яких може набувати поліпептидний ланцюг.

Загальноприйнято позначати кути зв’язків, що утворюються при обертанні навколо С_α як φ (фі) для зв'язку N- С_α і ψ (псі) для зв'язку С_α-С. Також прийнято, що обидва кути φ і ψ мають значення 180^о у тому разі, коли поліпептид перебуває у повністю розгорненій конформації і всі пептидні групи розташовані в одній площині (Рис. 4-2б). У принципі, φ і ψ могли б мати будь-яке значення від -180^о до +180^о, але насправді багато значень неможливі через стеричну інтерференцію між атомами поліпептидного каркасу і бічними ланцюгами амінокислот. З цієї причини неможлива конформація, в якій значення φ і ψ дорівнюють 0^о (Рис. 4-2в); вона використовується лише як стандартна точка для визначення кутів обертання. Дозволені значення φ і ψ можна графічно зобразити як залежність ψ від φ на діаграмі Рамачандрана (Рис. 4-3), запропонованій Ґ.Н.Рамачандраном.

Портрети: Лайнус Полінґ Роберт Корі

Підсумок 4.1 Загальний огляд структури протеїнів

■ Кожен протеїн має тривимірну структуру, яка відображає його функцію.

■ Структуру протеїнів стабілізують численні слабкі взаємодії. Основну роль у стабілізації ґлобулярної форми більшості розчинних протеїнів відіграють гідрофобні взаємодії; водневі зв'язки і міжіонні взаємодії забезпечують формування специфічних структур, які термодинамічно найбільш стабільні.

■ Природа ковалентних зв'язків у поліпептидному ланцюзі накладає певні обмеження на структуру молекули. Пептидний зв'язок частково має характер подвійного зв’язку, що надає всій шестиатомній пептидній групі жорсткої плоскої конфіґурації. Навколо зв’язків N-С_α і С_α-С можливе обертання, внаслідок чого утворюються кути зв’язків φ і ψ, відповідно.

.4.2 Вторинна структура протеїнів

Термін вторинна структура відноситься до локальної конформації певної частини поліпептиду. Обговорення вторинної структури найкраще сфокусувати на поширених способах регулярного згортання поліпептидного ланцюга. Особливо стабільні і досить поширені кілька типів вторинної структури протеїнів. Найважливіші з них - описані нижче α-спіраль та β-конформації. Використовуючи фундаментальні хімічні закони та деякі експериментальні спостереження, Полінґ і Корі передбачили існування цих вторинних структур ще 1951 р., за кілька років до першого визначення повної структури протеїну.

Поширеною вторинною структурою протеїнів є α-спіраль

 Архітектура протеїнів - α-спіраль. Полінґ і Корі розуміли важливість водневих зв'язків для орієнтування полярних хімічних груп, таких як С=O і N-H групи пептидного зв'язку. Вони також знали про одержані в 1930-х роках Вільямом Астбері експериментальні результати перших рентґеноструктурних досліджень протеїнів. Астбері показав, що протеїн, з якого складаються волосся та голки дикобраза (фібрилярний протеїн α-кератин), має реґулярну структуру з періодом повторення 5,15-5,20 Å. (Å - анґстрем, названий на честь фізика Андерса Й. Анґстрема, дорівнює 0,1 нм. Хоча ця одиниця не входить до системи СІ, вона звичайно використовується структурними біологами для вимірювання міжатомних відстаней). Використовуючи цю інформацію і власні дані щодо природи пептидного зв'язку, а також точно побудовані молекулярні моделі, Полінґ і Корі змогли запропонувати ймовірні конформації молекул протеїну.

Найпростішою конформацією, якої може набути поліпептидний ланцюг з жорсткими пептидними зв'язками (проте навколо інших одинарних зв'язків обертання можливе) - це спіральна структура, її Полінґ і Корі назвали α-спіраллю (Рис. 4-4). У цій структурі поліпептидний ланцюг туго закручений навколо уявної осі, що проходить через середину спіралі, а R-групи амінокислотних залишків виступають назовні. Повторюваною одиницею є один виток спіралі, який простягається приблизно на 5,4 Å вздовж її осі, що лише незначно перевищує визначену Астбері за допомогою рентгеноструктурного аналізу величину періоду у структурі кератину волосся. Амінокислотні залишки в α-спіралі мають конформацію із значенням ψ від - 45^о до -50^о, а φ -60^о; на кожен виток спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків. α-Спіраль в усіх протеїнах закручена вправо (Додаток 4-1). Встановлено, що α-спіраль є основною структурою α-кератинів. Загалом, близько чверті амінокислотних залишків поліпептидів входять до складу α-спіралей, проте в різних протеїнах ця пропорція дуже відрізняється.

Чому α-спіраль в протеїнах утворюється набагато легше, ніж інші можливі конформації? Частково відповідь полягає в тому, що в α-спіралі внутрішньомолекулярні водневі зв'язки розташовані оптимально. Структура стабілізується водневим зв'язком між атомом водню, з'єднаним з електронеґативним атомом азоту пептидного зв'язку і електронеґативним атомом карбонільного кисню четвертої амінокислоти з амінотермінальної сторони пептидного зв'язку (Рис. 4-4б). Всередині α-спіралі такі водневі зв'язки утворює кожен пептидний зв'язок (за винятком розміщених на кінцях спіралі). Кожен наступний виток α-спіралі з’єднаний із сусідніми трьома чи чотирма водневими зв'язками. Разом вони надають спіральній структурі високої стабільності.

Подальше моделювання показало, що α-спіраль може утворюватися в поліпептидах, що складаються лише або з L-, або з D-амінокислот. При цьому всі залишки повинні належати до одного стереоізомерного типу, оскільки наявність D-амінокислот спричиняє руйнування реґулярної структури, що складається з L-амінокислот, і навпаки. Природні L-амінокислоти здатні утворювати і право-, і лівозакручені спіралі, але наразі більш-менш довгих лівозакручених спіралей у складі протеїнів не виявлено.

______________________________________________________________________

Додаток 4-1 Біохімічні дослідження