Structura primară

Structura primară a unei proteine este un lanț de aminoacizi.

În biochimie , structura primară a unei biomolecule este descrierea exactă a compoziției sale atomice și a legăturilor prezente între atomi (inclusiv stereochimia ). Pentru un biopolimer liniar tipic neramificat (cum ar fi o moleculă de ADN sau ARN sau proteine ), structura primară este echivalentă cu secvența ordonată în care subunitățile individuale de monomeri se succed de-a lungul lanțului.

Termenul „structură primară” a fost inventat de Kaj Ulrik Linderstrom-Lang în lucrarea sa din 1951 Lane Medical Lectures . Uneori, această expresie este înlocuită greșit cu „secvența primară”, care nu este paralelă cu structura secundară și structura terțiară .

Structura primară a polipeptidelor

In general, polipeptidele sunt polimeri neramificate și structura lor primară poate fi adesea specificat prin amino acid secvenței. Cu toate acestea, proteinele se pot lega împreună, în mod obișnuit prin punți disulfurice ; în acest caz este de asemenea necesar să se specifice cisteinele implicate în legătură în structura primară.

Centrii chirali ai unui lanț polipeptidic pot suferi racemizare . În special, L-aminoacizii care se găsesc în mod normal în proteine se pot izomeriza spontan la nivelul unui atom $\mathrm {C^{\alpha }}$ ${\ displaystyle \ mathrm {C ^ {\ alpha}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {C ^ {\ alpha}}}$ , formând D-aminoacizi care nu pot fi scindați de majoritatea proteazelor .

În cele din urmă, proteina poate suferi următoarele modificări post-translaționale :

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

sarcina pozitivă pe capătul N-terminal poate fi eliminată prin schimbarea capătului N-terminal într-o grupare acetil ;

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

Metionina N-terminală are de obicei o grupare aldehidă (uneori același rest de metionină, urmată de Gly sau Ser), care este îndepărtată de enzima deformilază ;

piroglutamat

Un capăt amino al glutamatului (Glu) se poate atașa pentru a forma o grupă piroglutamică ciclică.

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

Similar cu acetilarea. În locul unei grupări metil simple, se adaugă o grupare miristil care are o coadă de 13 carboni hidrofobi, făcându-l ideal pentru ancorarea proteinelor la membrana celulară .

Capătul C al grupului carboxil al unei polipeptide poate fi, de asemenea, modificat, de exemplu,

amidarea terminalului C

amidare (vezi figura)

Terminalul C poate fi blocat (neutralizând sarcina sa negativă) prin amidare.

cuplare glicozil fosfatidilinozitol (GPI)

Glicozilfosfatidilinozitolul este o grupă lungă de fosfolipide protetice hidrofobe care leagă proteinele de membranele celulare . Este atașat la polipeptida C-terminală printr-o legătură amidică care o unește de asemenea cu etanolamina și de acolo la diferite zaharuri și în cele din urmă la mediul lipidic fosfatidilinozitol.

În cele din urmă, lanțul lateral al peptidei poate fi modificat covalent, de exemplu:

fosforilarea

După scindare, fosforilarea este probabil una dintre cele mai importante modificări chimice ale proteinelor. O grupare fosfat poate fi atașată la gruparea hidroxil a serinei, treoninei și tirozinei, adăugând o sarcină negativă la sit și dând naștere unui aminoacid nenatural. Această reacție este catalizată de kinază, iar reacția inversă este catalizată de fosforilază . Tirozinele fosforilate sunt adesea folosite ca puncte de atașament care leagă o proteină de alta, alteori fosforilarea unui reziduu Ser / Thr induce o schimbare conformațională, probabil datorită sarcinii negative introduse. Efectele fosforilării reziduurilor Ser / Thr pot fi uneori simulate prin schimbarea reziduului în glutamat.

glicozilarea

Un nume care reunește o serie de modificări chimice foarte frecvente și eterogene. Zaharurile pot fi atașate la lanțul lateral al Ser / Thr prin gruparea hidroxil sau la grupa amino a Asn. Aceste adăugiri au mai multe funcții și pot fi blocate cu anumiți inhibitori, cum ar fi tunicamicina.

deamidare (formare succinimidă)

În această modificare, un lanț lateral format din asparagină sau aspartat se atașează la următoarea legătură peptidică, formând un intermediar succinimidic simetric. Hidroliza intermediarului produce aspartat sau izo-β-aminoacidul (Asp). Pentru asparagină, este produsă prin pierderea grupului amidă, de unde și denumirea de „deamidare”.

hidroxilare

Reziduurile de prolină pot fi hidrolizate la ambii atomi, cum ar fi lizina (la un atom). Hidroxiprolina este o componentă critică a colagenului , care devine instabilă odată cu pierderea sa. Reacția de hidroxilare este catalizată de o enzimă care necesită acid ascorbic (vitamina C), a cărei lipsă poate duce la diferite boli conjunctive tisulare, cum ar fi scorbutul .

metilare

Multe reziduuri de proteine pot fi metilate, în special grupurile pozitive de lizină și arginină . Metilarea acestor situri este utilizată pentru a regla proteinele care leagă acidul nucleic . Reziduurile de lizină pot fi metilate individual, dublu sau chiar triplu. Cu toate acestea, metilarea nu modifică sarcina pozitivă pe lanțul lateral.

acetilare

Acetilarea amino-lizinei este analogă chimic cu acetilarea N-terminală. Cu toate acestea, funcțional, acetilarea reziduurilor de lizină este utilizată pentru a regla legarea proteinelor de acizii nucleici. Anularea sarcinii pozitive pe lizină slăbește atracția electrostatică pentru acizii nucleici (încărcați negativ).

sulfatare

Tirozinele pot fi sulfatate pe ele $\mathrm {O^{\eta }}$ ${\ displaystyle \ mathrm {O ^ {\ eta}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {O ^ {\ eta}}}$ atomi. Mai degrabă neobișnuit, această modificare are loc în aparatul Golgi , nu în reticulul endoplasmatic . Similar cu tirozinele fosforilate, tirozinele sulfatate sunt utilizate pentru recunoașterea specifică, de exemplu, în receptorii de chemokine de pe suprafața celulei. Ca și în cazul fosforilării, sulfarea adaugă sarcini negative la un sit anterior neutru.

prenilare și palmitoilare $\mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{14}-CH_{3}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {-C (= O) - \ left (CH_ {2} \ right) _ {14} -CH_ {3}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {-C (= O) - \ left (CH_ {2} \ right) _ {14} -CH_ {3}}}$

La atomii pot fi adăugați grupări izoprenil hidrofobe (de exemplu grupuri farnesil, geranil și geranilgeranil) și grupări palmitoil. $\mathrm {S^{\gamma }}$ ${\ displaystyle \ mathrm {S ^ {\ gamma}}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {S ^ {\ gamma}}}$ a reziduurilor de cisteină pentru a ancora proteinele pe membranele celulare . Spre deosebire de ancorele GPI și miristol, aceste grupuri nu sunt neapărat adăugate la terminale.

carboxilare

O modificare relativ rară, care adaugă o grupă carboxilat (și, prin urmare, o dublă sarcină negativă) la lanțul lateral al unui glutamat, producând un reziduu Gla, este utilizată pentru a consolida legătura cu ioni metalici precum calciu .

ADP-ribozilare

Grupul ADP-ribozil poate fi transferat la diferite tipuri de lanțuri laterale prezente în proteine, cu efecte eterogene. Aceste modificări sunt produse de toxinele puternice ale diferitelor bacterii, cum ar fi Vibrio cholerae , Corynebacterium diphtheriae și Bordetella pertussis .

ubiquitinare și SUMOilation

Mai multe proteine, dintre care ubiquitina este cea mai comună, pot fi atașate, prin capătul C-terminal, la grupul de amoniu al lanțului lateral al unei lizine prezente pe alte proteine; această legătură reprezintă un semnal pentru degradarea complexului proteină-ubiquitină.

Cele mai multe dintre modificările enumerate sunt post - translațională , adică acestea apar după ce proteina a fost sintetizată pe ribozomului , în cadrul reticulului endoplasmatic , o subcelulară organelle a celulei eucariote .

Multe alte reacții chimice (de exemplu, cianilarea ) au fost realizate în laborator, deși nu au fost găsite în sistemele biologice.

Modificări ale structurii primare

Pe lângă cele spuse mai sus, cea mai importantă modificare a structurii primare este clivajul proteic (vezi: Protează ). Proteinele sunt adesea sintetizate ca precursori inactivi; în mod tipic, un segment terminal N sau C blochează situsul activ al acestor peptide, inhibând funcția acestora. Aceste proteine sunt activate prin tăierea acestor segmente inhibitoare.

Unele proteine au, de asemenea, puterea de a se auto-tăia. De obicei, o grupare hidroxil a unei serine (rareori treonină) sau gruparea tiol a unui reziduu de cisteină atacă carbonul carboxilic care precede întreruperea, formând un intermediar tetraedric (denumit hidroxizazolidină (Ser / Thr) sau o „hidroxitioazolidină dacă este derivat din cisteină). Acest intermediar tinde apoi să se stabilizeze în forma amidă, expulzând grupul atacat, deoarece forma amidă este favorizată termodinamic (probabil datorită rezonanței puternice care stabilizează legătura peptidică). Cu toate acestea, interacțiuni suplimentare pot face forma amidei mai puțin stabilă; în acest caz gruparea amino este expulzată, formând astfel o legătură ester (ser / thr) sau un tioester (cys) care înlocuiește legătura peptidică. Această reacție este o deplasare NO acil .

Legătura ester / tioester poate fi ruptă în diferite moduri:

Hidroliză simplă care împarte polipeptida, unde grupa amino eliberată devine noul N terminal. Acest lucru a fost observat în maturarea glicozilasparginazei.
O eliminare beta poate, de asemenea, împărți lanțul, dar în acest caz se formează o grupare piruvil la noul capăt N. Această grupă poate fi utilizată pentru a atașa cofactori catalitici covalent la unele enzime, în special decarboxilaze ca în S-adenson-metionină decarboxilază (SAMDC). Reacția exploatează puterea de atragere a electronilor a grupării piruvil.
Transesterificare intramoleculară, cu formarea unei peptide „ramificate”. În peptidele astfel obținute, noua legătură esterică este ruptă, formând un nou terminal C la nivelul unei asparagine.
Transesterificarea intermoleculară cu transfer peptidic de la o proteină la alta, așa cum se vede în proteinele Hedgehog cu auto-procesare.

Istoria structurii primare a proteinelor

Ipoteza că proteinele erau lanțuri liniare de α-aminoacizi a fost propusă simultan de doi oameni de știință la aceeași conferință, a 74-a ședință a Societății Oamenilor de Știință și Medici germani , care a avut loc la Karlsbad în 1902 . Franz Hofmeister și-a prezentat ipoteza dimineața, pe baza unor reacții la proteine; după câteva ore a fost urmat de Hermann Emil Fischer , care adunase un număr mare de dovezi chimice în favoarea aceluiași model.

Prima ipoteză asupra structurii primare a proteinelor a fost avansată în 1882 de chimistul francez E. Gimaux.

În ciuda acestor date și a demonstrațiilor ulterioare că proteinele digerate au fost formate numai din oligopeptide , ideea că proteinele sunt polimeri neramificați de aminoacizi nu a fost imediat acceptată. Unii oameni de știință renumiți, cum ar fi William Astbury , s-au îndoit că legăturile covalente erau suficient de puternice pentru a ține împreună molecule atât de lungi. Herman Staudinger s-a confruntat cu aceleași prejudecăți când în 1920 și - a dat seama că cauciucul era compus din macromolecule .

Ca urmare, au fost avansate ipoteze alternative. Ipoteza proteinelor coloidale a afirmat că proteinele erau soluții coloidale de molecule mai mici. Această ipoteză a fost depusă în anii 1920 după măsurători cu ultracentrifugare Svedberg , care au arătat că proteina avea o greutate moleculară bine definită și reproductibilă, și experimentele de electroforeză ale lui Arne Tiselius , care au arătat că proteinele sunt molecule unice.

O a doua ipoteză a fost cea a ciclonului avansat de Dorothy Wrinch . Această ipoteză susținea că legătura peptidică oscila între 2 forme; unul liniar și unul ciclic obținut prin reamenajarea grupei amidice descrise prin reacție: C = O + NH $\rightarrow$ ${\ displaystyle \ rightarrow}$ $\ sageata dreapta$ C (OH) -N care ar permite lanțului să se îndoaie reproducând o nouă structură tridimensională. Alte structuri primare pentru proteinele au fost propuse de alți cercetători, cum ar fi Emil Abderhalden lui diketopiperzine modelului și Troensegaard lui pirol - piperidina modelul în 1942. Aceste modele, cu toate acestea, nu a avut niciodată credibilitate și au fost respinse definitiv atunci când Frederick Sanger secvențiat cu succes " insulina si Max Perutz cu John Kendrew au demonstrat prin cristalografie structurile hemoglobinei și mioglobinei .

Relațiile structurii primare cu cea secundară și terțiară

Structura primară a unui polimer biologic determină în mare măsură structura tridimensională cunoscută sub numele de terțiar , dar plierea proteinelor și a acizilor nucleici este atât de complexă încât, cunoscând doar structura primară, nu este adesea posibil să o identificăm chiar și pe cea secundară ca fiind formarea bucle și spirale. Cu toate acestea, cunoscând structura peptidelor din aceeași familie sau cu secvențe similare (care pot fi obținute și cu software adecvat, cum ar fi BLAST ), se poate deduce cel mai probabil tip de structură terțiară. Familiile de secvențe se disting adesea prin sisteme de grupare sau genomică structurală ; acestea sunt proiecte care au ca scop crearea unui set de structuri reprezentative pentru a acoperi cât mai mult spațiu de secvență posibil pentru a studia orice peptidă.

Structuri primare în alte molecule

De fapt, se poate spune că fiecare heteropolimer liniar are o structură primară folosind analogia termenilor cu proteinele, dar această terminologie este rar utilizată. De exemplu, cu ARN , care are și o structură secundară complexă, ne limităm să ne referim mai des la secvență , precum și la ADN (care în acest caz formează de obicei o dublă spirală liniară cu o structură secundară simplă). Alți polimeri biologici, cum ar fi polizaharidele, pot fi considerați ca având o structură primară, deși această terminologie nu este, de asemenea, utilizată în mod normal în acest caz.

Bibliografie

Iwai K și Ando T. (1967) „N $\rightarrow$ ${\ displaystyle \ rightarrow}$ $\ sageata dreapta$ Rearanjare O acil ", Methods Enzymol. , 11 , 263-282.
Perler FB, Xu MQ și Paulus H. (1997) "Protein Splicing și autoproteoliză mecanisme", Curr. Opin. Chem. Biol. , 1 , 292-299.
Paulus H. „Baza chimică a îmbinării proteinelor”, Chem. Soc. Rev. , 27 , 375-386.
Hofmeister F. (1902) Naturwiss. Rundschau , 17 , 529-545.
Fischer E. (1902) Autoreferat. Chem. Ztg. , 26 , 93.
Troensegaard N. (1942) Über die Struktur des Proteinmoleküls: eine chemische Untersuchung. E. Munksgaard, Køpenhavn (Copenhaga).
Sanger F. (1952) „Aranjamentul aminoacizilor în proteine”, Adv. Protein Chem. , 7 , 1-67.
Fruton JS. (1979) „Teoriile timpurii ale structurii proteinelor”, Ann. NY Acad. Sci. , 325 , 1-18.
Wieland T și Bodanszky M (1991) Lumea peptidelor , Springer Verlag. ISBN 0-387-52830-X

Elemente conexe

linkuri externe

( RO ) IUPAC Gold Book, „structură primară” , pe goldbook.iupac.org .

Portalul de biologie

Portalul chimiei