Првична структура на белковините

Првичната (примарна) структура на белковините е линеарна низа на аминокиселините во составот на таа белковина.^[1] По договор, првичната структура на белковината се чита започнувајќи од амино-терминалот (N-крај) кон карбоксилниот-терминал (C-крај). Биосинтезата на белковините најчесто се врши од страна на рибозомите во клетките. Пептидите, исто така, може да се синтетизираат во лабораторија. Првичната структура на белковините може да биде директно секвенционирана, или да биде изведена од ДНК-низата.

Сликата погоре содржи стисливи врски

Интерактивен дијаграм на белковинската структура; за пример е искористен PCNA.

Формирање

Биолошко

Главна статија: Транслација (биологија)

Аминокиселините се полимеризираат со формирање на пептидни врски за да создадат долга нишка, која поседува `рбет изграден од пептидни групи и странични ланци (групи) кои се нарекуваат аминокиселински остатоци. Во биолошките системи, белковините се создаваат за време на процесот на транслација, кој се одвива во рибозомите на клетката. Некои организми се способни да синтетизираат кратки пептиди со помош на процесот на не-рибозомна синтеза на пептиди, кои често, освен стандардните 20, содржат и други аминокиселини, вклучувајќи и D-аминокиселини.

Хемиско

Главна статија: Синтеза на пептиди

Пептидите можат да бидат синтетизирани и хемиски со помош на многу лабораториски методи. Со хемиските методи синтезата на пептидите обично тече во спротивна насока од биолошката синтеза на белковините (почнувајќи од C-крајот).

Систем на одбележување (нотација)

Белковинската низа обично се одбележува како низа на букви, со наведување на аминокиселините почнувајќи од амино-терминалот (N-крајот), па сè до карбоксилниот-терминал (C-крај). Може да се користи или код составен од три букви или код од една буква за да се прикажат 20-те природни аминокиселини, како и мешавини или двосмислени аминокиселини (слично на нотацијата на нуклеинските киселини).^[1][2][3]

Пептидите можат да бидат директно секвенционирани, или, пак, низата да им биде заклучена од ДНК-низата. Постојат големи бази на податоци за белковински низи кои ги складираат и систематизираат досега познатите белковински низи.

Нотација на 20-те природни аминокиселини

Аминокиселина	3-букви[4]	1-буква[4]
Аланин	Ala	A
Аргинин	Arg	R
Аспарагин	Asn	N
Аспарагинска киселина	Asp	D
Цистеин	Cys	C
Глутаминска киселина	Glu	E
Глутамин	Gln	Q
Глицин	Gly	G
Хистидин	His	H
Изолеуцин	Ile	I
Леуцин	Leu	L
Лизин	Lys	K
Метионин	Met	M
Фенилаланин	Phe	F
Пролин	Pro	P
Серин	Ser	S
Треонин	Thr	T
Триптофан	Trp	W
Тирозин	Tyr	Y
Валин	Val	V

Нотација на двосмислени аминокиселини

Симбол	Опис	Остаток кој го претставува
X	Било која аминокиселина, или непозната	Сите
B	Аспарагинска киселина или аспарагин	D, N
Z	Глутаминска киселина или глутамин	E, Q
J	Леуцин или изолеуцин	I, L
Φ	Хидрофобна	V, I, L, F, W, Y, M
Ω	Ароматична	F, W, Y, H
Ψ	Алифатична	V, I, L, M
π	Мала	P, G, A, S
ζ	Хидрофилна	S, T, H, N, Q, E, D, K, R
+	Позитивно наелектризирана	K, R, H
-	Негативно наелектризирана	D, E

Модификација

Општо гледано, полипептидите се неразгранети полимери, па нивната првична структура често може да се определи со низа од аминокиселини долж ’рбетот на полимерот. Сепак, белковините може да станат вкрстено поврзани, најчесто преку дисулфидни врски, а првичната структура, исто така, мора да ги специфицира атомите кои учествуваат во вкрстеното поврзување, на пример, специфицирање на цистеините вклучени во дисулфидните врски на белковината. Друг вид на вкрстена врска е дезмозинот.

Изомеризација

Хиралните центри на еден полипептиден синџир можат да бидат подложени на рацемизација. Иако ова не ја менува низата, може да влијае на хемиските својства на низата. Конкретно, L-аминокиселините кои се среќаваат во белковините може спонтано да изомеризираат на ${\displaystyle \mathrm {C^{\alpha }} }$ атомот за да формираат D-аминокиселини, кои повеќето протеази не можат да ги раскинат. Дополнително, пролинот може да формира стабилни транс-изомери на пептидната врска.

Пост-транслациона модификација

Белковината може да подлежи на голем број на посттранслациони модификации, кои накратко се објаснети овде.

N-терминалната аминогрупа на еден полипептид може ковалентно да биде променета, на пример,

Сл. 1 Ацетилација на N-терминалот

• ацетилација ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-CH_{3}} }$

Позитивниот полнеж на N-терминалната аминогрупа може да биде елиминиран со негова промена во ацетилна група (N-терминално блокирање).

• формилација ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)H} }$

N-терминалниот метионин, кој обично се среќава по транслацијата, има N-терминална аминогрупа блокирана со формил група. Оваа формилна група (а понекогаш и самиот метионински остаток, ако после него следи Gly или Ser) е отстранета од страна на ензимот деформилаза.

• пироглутамат

Сл. 2 Формирање на пироглутамат од N-терминален глутамин

N-терминалниот глутамин може самиот себе да се нападне, формирајќи циклична пироглутаматна група.

• миристоилација ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{12}-CH_{3}} }$

Процес кој е сличен на ацетилацијата. Наместо едноставна метилна група, миристоил групата има хидрофобен јаглеводороден ланец од 14 јаглеродни атоми, кои го прават идеален за вкотвување на белковини во клеточни мембрани.

C-терминалната карбоксилна група на еден полипептид, исто така може да биде променета, на пример,

Сл. 3 C-терминална амидација

• амидација (види слика)

C-терминалот исто така може да биде блокиран (со што се неутрализира неговиот негативен полнеж) со амидација.

• врзување на гликозил фосфатидилинозитол (GPI)

Гликозил фосфатидилинозитол е голема, хидрофобна, фосфолипидна простетична група, која ги вкотвува белковините во клеточните мембрани. Таа е врзана за C-терминалот на полипептидот преку амидна врска, потоа се врзува за етаноламин, потоа за шеќери и конечно за фосфатидилинозитолниот липид.

На крај, и страничните ланци на пептидите може да бидат ковалентно променети, на пример,

• фосфорилација

Фосфорилацијата е втората најважна хемиска модификација на белковините (првата е ензимското раскинување на дел од белковинската молекула). Фосфатната група може да биде прикачена за страничните хидроксилни групи на серинските, треонинските и тирозинските остатоци, давајќи негативен полнеж на тоа место. Ваквите реакции се катализирани од ензими наречени кинази, а обратната реакција е катализирана од фосфатази. Фосфорилираните тирозини често се користат како „рачки“ со кои белковините се поврзуваат меѓусебе, а фосфорилацијата на серин/треонин често предизвикува конформациони промени, веројатно поради воведениот негативен полнеж. Ефектите на фосфорилација на серин/треонин понекогаш можат да бидат симулирани со нивна мутација во глутаминска киселина.

• гликозилација

Сеопфатно име за група на многу чести и хетерогени хемиски модификации. Шеќерните групи можат да бидат прикачени за страничните хидроксилни групи на Ser/Thr или за страничната амидна група на Asn. Врзувањето на шеќерни групи може да врши повеќе функции, како што се зголемување на растворливоста на белковината во вода или процеси на комплексна сигнализација. Сите гликозилации можат да бидат блокирани со одредени инхибитори, како што е туникамицинот.

• деамидација (формирање на сукцинимид)

Кај оваа модификација, аспарагинскиот или аспартатниот страничен ланец ја напаѓа соседната пептидна врска, создавајќи симетричен сукцинимид како меѓупроизвод. Со хидролиза на овој меѓупроизвод се создава или аспартат (Asp) или β-аминокиселина, iso(Asp). Во случајот на аспарагин, било кој производ на хемиската реакција резултира со губење на амидна група, па оттука името „деамидација“.

• хидроксилација

Пролинските остатоци може да бидат хидроксилирани на било кој од два атома, а лизинските остатоци на само еден атом. Хидроксипролинот е клучна компонента на колагенот, кој станува нестабилен по негова загуба. Реакцијата на хидроксилација е катализирана од ензим за чија активност е потребна аскорбинска киселина (витамин Ц).

• метилација

Некои белковински остатоци можат да бидат метилирани, особено позитивните групи на лизинот и аргининот. Аргининските остатоци стапуваат во интеракција со фосфатниот ’рбет на нуклеинските киселини и често формираат водородни врски со азотните бази, особено гванинот, во белковина–ДНК комплексите. Лизинските остатоци можат да бидат единечно, двојно, па дури и тројно метилирани. Метилацијата не го менува позитивниот полнеж на страничниот ланец.

• ацетилација

Ацетилацијата на лизинските аминогрупи е хемиски аналогна на ацетилацијата на N-терминалот. Сепак, од функционална гледна точка, ацетилацијата на лизинските остатоци се користи за регулирање на врзувањето на белковините за нуклеинските киселини. Губењето на позитивниот полнеж на лизинот го ослабнува електростатичкото привлекување за негативно наелектризираните нуклеински киселини.

• сулфација

Тирозините може да бидат сулфатирани на нивниот ${\displaystyle \mathrm {O^{\eta }} }$ атом. Оваа модификација се одвива во Голџиевиот систем, а не во ендоплазматичниот ретикулум. Слично на фосфорилираните тирозини, сулфатираните тирозини служат за специфични препознавања, на пример, кај хемокинските рецептори на површината на клетката. Како и со фосфорилацијата, сулфатацијата додава негативен полнеж на претходно електро-неутрална позиција.

• пренилација и палмитоилација ${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{14}-CH_{3}} }$

Хидрофобните изопреноидни (на пример, фарнезил, геранил и геранилгеранил) групи и палмитоил групите може да бидат додадени на ${\displaystyle \mathrm {S^{\gamma }} }$ атом на цистеински остатоци, за вкотвување на белковините за клеточни мембрани. За разлика од GPI и миристоил групите, овие групи не мора да бидат додадени на терминал.

• карбоксилација

Ова е релативно ретка модификација при која се додава дополнителна карбоксилна група (а со тоа и двоен негативен полнеж) на глутаматен страничен ланец, со што се создава Gla остаток. Модификацијата се користи за зајакнување на врзувањето за метални јони, како што се калциумот.

• ADP-рибозилација

Големата ADP-рибозилна група може да биде трансферирана на неколку видови на белковински странични ланци, со хетерогени ефекти. Оваа модификација е цел за моќните токсини на различни бактерии, на пример, Vibrio cholerae, Corynebacterium diphtheriae и Bordetella pertussis.

• убиквитинација и SUMOилација

Различни целосни и склопени белковини можат да врзат на своите C-терминали лизински амониумови групи од страничните ланци на други белковини. Убиквитинот е најчестиот од овие белковини и обично сигнализира дека убиквитин-обележаните белковини треба да бидат разградени.

Повеќето од полипептидните модификации наведени погоре се случуваат пост-транслационо, односно по синтезата на белковината во рибозомот, а најчесто во ендоплазматичниот ретикулум.

Раскинување и сврзување

Во прилог на горенаведените модификации, најважната модификација на првичната структура е пептидното раскинување (со хемиска хидролиза или со протеази). Белковините често се синтетизираат во неактивна форма на претходници; типично, N-терминалниот или C-терминалниот сегмент го блокира активното место на белковината, со што ја инхибира својата функција. Белковината се активира со раскинување на инхибиторниот пептид.

Некои белковини ја имаат моќта да се раскинуваат самите себе. Вообичаено, хидроксилната група на серинскиот (поретко на треонинскиот) или тиолната група на цистеинскиот остаток го напаѓа карбонилниот јаглерод на претходната пептидна врска, формирајќи тетраедално поврзан интермедиер [класифициран како хидроксиоксазолидински (Ser/Thr) или хидрокситиазолидински (Cys) интермедиер]. Овој интермедиер има тенденција да се врати во амидна форма и ја отфрла напаѓачката група, бидејќи слободната енергија ја фаворизира амидната форма (веројатно поради силната резонантна стабилизација на пептидната група). Сепак, дополнителни молекуларни интеракции може да ја направат амидната форма помалку стабилна; во тој случај се отфрла аминогрупата, што резултира со создавање на естерска (Ser/Thr) или тиоестерска (Cys) врска на местото на пептидната врска. Оваа хемиска реакција се нарекува N-O ацилно преместување.

Естерската/тиоестерската врска може да реагира на следните начини:

• Едноставна хидролиза ќе го пресече полипептидниот синџир, каде што разместената аминогрупа станува нов N-терминал. Ова се среќава кај „зреењето“ на ензимот гликозиласпарагиназа.
• Реакција на β-елиминација, исто така, го сече полипептидниот синџир, но резултира со пирувоил група на новиот N-терминал. Оваа пирувоил група може да се користи како ковалентно прикачен каталитички кофактор кај некои ензими, особено декарбоксилази, како што е S-аденозилметионин декарбоксилазата (SAMDC), кои ја користат моќта на привлекување електрони на пирувоил групата.
• меѓумолекулска трансестерификација, која резултира со разгранет полипептид. Кај интеините (белковински сегменти кои се способни да се отсечат самите себеси и да ги спојат преостанатите делови од белковината), новата естерска врска е раскината со внатремолекулски напад од страна на создадениот C-терминален аспарагин.
• Меѓумолекулската трансестерификација може да пренесе цел сегмент од еден полипептид на друг, како што е забележано при автопроцесирањето кај некои белковини.

Историја

Предлогот дека белковините се линеарни синџири од α-аминокиселини го дале, речиси истовремено, двајца научници на истата конференција во 1902 година, односно 74-тата средба на Здружението на германски научници и лекари, која се одржала во Карлсбад. Франц Хофмајстер го дал предлогот утрото, врз основа на неговите набљудувања на биуретовата реакција кај белковините. Неколку часа подоцна, Емил Фишер, претставил голем број на податоци кои го поддржувале моделот на пептидни врски. Меѓутоа, уште во 1882 година, францускиот хемичар Едуард Гримо предложил дека белковините содржат амидни врски.^[5]

И покрај овие податоци и подоцнежните докази дека протеолитички дигестираните белковини даваат само олигопептиди како производи, идејата дека белковините се линеарни, неразгранети полимери на аминокиселини не била веднаш прифатена. Некои високо почитувани научници, како британскиот физичар и молекуларен биолог Вилијам Астбури, се сомневале дека ковалентните врски се доволно јаки за да можат аминокиселините да ги држат врзани заедно во толку долги полимери; тие верувале дека топлинската енергија може лесно да ги раскине таквите долги молекули. Германскиот хемичар Херман Штаудингер се соочил со слични предрасуди во 1920-тите години, кога тврдел дека гумата е составена од макромолекули.^[5]

Така се појавиле неколку алтернативни хипотези. Хипотезата на колоидна белковина тврдела дека белковините се по природа колоидни агрегати составени од помали молекули. Оваа хипотеза била отфрлена во 1920-тите години со мерења на ултрацентрифугирање од страна на Теодор Сведберг, кој покажал дека белковините имаат добро дефинирана, репродуктибилна молекуларна тежина и со мерења на електрофореза од страна на Арне Тиселиус, кој покажал дека белковините се единечни молекули. Хипотезата на циклоли, развиена од Дороти Вринч, предлагала дека линеарниот полипептид подлегнува на хемиски циклол преуредувања, C=O + HN → C(OH)-N, со кои вкрстено се поврзуваат амидните групи од `рбетот на полипептидната нишка, формирајќи дводимензионална плочеста структура. Други хипотези за првичната структура на белковините биле предложувани од разни истражувачи, како, на пример, дикетопиперазинскиот модел на швајцарскиот биохемичар Емил Абдерхаленд и пирол/пиперидин моделот на Троензегард во 1942 година. Сите овие алтернативни модели конечно биле побиени кога британскиот биохемичар Фредерик Сангер успешно ја секвенционирал првичната структура на инсулинот во 1951 година^[6][7][8] и кога Макс Перуц и Џон Кендру кристалографски ги определиле структурите на миоглобинот и хемоглобинот во 1959 година.^[9]

Однос кон вторичната и третичната структура

Првичната структура на еден биолошки полимер во голема мера ја одредува неговата тридимензионална форма (третична структура). Белковинската низа може да се користи за да се предвидат некои локални одлики, како што се сегменти на вторичната структура, или трансмембрански региони. Сепак, комплексноста на склопувањето на белковинските молекули забранува предвидување на третичната структура на белковината само од нејзината низа. Познавањето на структурата на слична хомологна низа (на пример низа на молекула припадник на истото белковинско семејство) овозможува многу точно предвидување на третичната структура со хомологно моделирање. Доколку е достапна целосната белковинска низа, можно е да се проценат некои основни биофизички својства на таа супстанца, како што е нејзината изоелектрична точка.

Поврзано

• Секвенционирање на белковините
• Структура на белковините
• Вторична структура на белковините
• Третична структура на белковините
• Четвртична структура на белковините
• Транслација
• Првична структура на нуклеинските киселини

Наводи

1. SANGER F (1952). „The arrangement of amino acids in proteins“. Adv. Protein Chem. 7: 1–67. doi:10.1016/S0065-3233(08)60017-0. PMID 14933251.
2. Aasland, Rein; Abrams, Charles; Ampe, Christophe; Ball, Linda J.; Bedford, Mark T.; Cesareni, Gianni; Gimona, Mario; Hurley, James H.; Jarchau, Thomas (2002-02-20). „Normalization of nomenclature for peptide motifs as ligands of modular protein domains“. FEBS Letters (англиски). 513 (1): 141–144. doi:10.1016/s0014-5793(01)03295-1. ISSN 0014-5793. Архивирано од изворникот на 2021-12-17. Посетено на 2018-10-16.
3. Aasland, Rein; Abrams, Charles; Ampe, Christophe; Ball, Linda J.; Bedford, Mark T.; Cesareni, Gianni; Gimona, Mario; Hurley, James H.; Jarchau, Thomas (2002-02-20). „Normalization of nomenclature for peptide motifs as ligands of modular protein domains“. FEBS letters. 513 (1): 141–144. ISSN 0014-5793. PMID 11911894.
4. Hausman, Robert E; Cooper, Geoffrey M. (2004). The cell: a molecular approach. Washington, D.C: ASM Press. стр. 51. ISBN 0-87893-214-3.
5. Fruton JS (May 1979). „Early theories of protein structure“. Ann. N. Y. Acad. Sci. 325: xiv, 1–18. doi:10.1111/j.1749-6632.1979.tb14125.x. PMID 378063.
6. Sanger, F.; Tuppy, H. (1951-9). „The amino-acid sequence in the phenylalanyl chain of insulin. I. The identification of lower peptides from partial hydrolysates“. The Biochemical Journal. 49 (4): 463–481. ISSN 0264-6021. PMC 1197535. PMID 14886310. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)CS1-одржување: PMC-формат (link)
7. Sanger, F.; Tuppy, H. (1951-9). „The amino-acid sequence in the phenylalanyl chain of insulin февруари The investigation of peptides from enzymic hydrolysates“. The Biochemical Journal. 49 (4): 481–490. ISSN 0264-6021. PMC 1197536. PMID 14886311. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)CS1-одржување: PMC-формат (link)
8. Sanger, F.; Thompson, E. O. P. (1953-2). „The amino-acid sequence in the glycyl chain of insulin. I. The identification of lower peptides from partial hydrolysates“. The Biochemical Journal. 53 (3): 353–366. ISSN 0264-6021. PMC 1198157. PMID 13032078. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)CS1-одржување: PMC-формат (link)
9. „Information Overload“. Science History Institute (англиски). 2016-07-18. Посетено на 2018-10-16.

Надворешни врски