III.4.2. Structura proteinelor.

Proteinele sunt cele mai numeroase și variate molecule prezente în celulele vii.

Datorită numeroaselor structuri posibile ale proteinelor, acestea au o mare varietate de funcții (enzime, hormoni, proteine structurale, de transport etc.)

Din punct de vedere al naturii grupelor funcționale, proteinele sunt poliamide. Ele au grupări peptidice (CO-NH), care conțin o legătură peptidică (C-N).

Structurile și formele spațiale ale proteinelor sunt determinate în mare măsură de:

• Numărul de resturi de aminoacizi, de natura acestora și de ordinea în care se succed în structura proteinei.
• Interacțiile intramoleculare și intermoleculare dintre grupele funcționale sau resturile de radicali prezente în lanțul macromolecular.

Pentru a-și putea îndeplini funcțiile biologice, proteinele se pliază în una sau mai multe conformații spațiale specifice determinate de o serie de interacțiuni non-covalente, cum ar fi: legături de hidrogen, legături ionice, forțe Van der Waals și aranjarea hidrofobă. Pentru a înțelege funcțiile proteinelor la nivel molecular, este necesar să se determine structura lor tridimensională.

Există patru nivele de organizare structurală a proteinelor : primară, secundară, terțiară și cuaternară. Aceste structuri imprimă o anumită funcție fiziologică pe care le au acestea în organismele vii.

Structura primară a unei proteine se referă la secvența aminoacizilor din lanțul polipeptidic și este definită prin numărul, tipul și succesiunea aminoacizilor din structura catenei polipeptidice a lanțului macromolecular.

Secvența unei proteine este unică pentru acea proteină și definește structura și funcția proteinei.

De exemplu, o tripeptidă care conține resturi de α-alanină (Ala), lisină (Lis) și acid glutamic (Glu) prezintă șase structuri, în funcție de succesiunea celor trei aminoacizi.

Structura primară a unei proteine este determinată genetic (adică secvenţa acesteia este codificată de către o genă) și este responsabilă de structurile ulterioare ale proteinei și, implicit, de proprietățile ei. Fiecare proteină are secvenţa ei unică de aminoacizi, determinată de secvenţa nucleotidică a genei.

Cele două capete ale lanțului polipeptidic sunt denumite capăt carboxil-terminal (capăt C-terminal) și capăt amino-terminal (capăt N-terminal) pe baza naturii grupului funcțional liber de la fiecare extremitate a catenei principale. Numărarea rezidurilor începe întotdeauna la capătul N-terminal (guparea NH2), unde gruparea amino nu este implicată într-o legătură peptidică.

Structura secundară se referă la forma şi la lungimea lanţurilor polipeptidice, proprietăţi induse de legăturile de hidrogen intramoleculare (formate de atomul de hidrogen legat de atomul de azot amidic, între două porțiuni ale aceleiași catene).

În funcție de numărul legăturilor de hidrogen intramoleculare, lanțurile polipeptidice nu sunt drepte, ci pliate sau răsucite. Au o aranjare într-o formă mai compactă, stabilizată de legături de hidrogen, determinând o orientare relativă a aminoacizilor în secvența polipeptidică.

Există trei tipuri principale de structură secundară:

- alfa-helixul - structură helicoidală (spirală) la care legătura de hidrogen se formează între atomii legăturii peptidice (între grupa C=O a unui aminoacid și grupa N-H a aminoacidului al IV-lea ce urmează mai departe în catenă). Această orientare a legăturilor de H determină orientarea radicalilor (lanțurile laterale) spre exteriorul helixului și perpendicular pe axul său, iar lanțurile principale (polipeptidice) se răsucesc elicoidal în jurul propriei axe, formând o elice.

- helixul colagenului – este o spirală de stânga, fără legături de H, stabilizată de asocierea a trei spirale care formează spirala triplă a colagenului (proteina țesutului conjunctiv).

- beta-structura apare în urma alinierii unei polipeptide de-a lungul alteia, stabilizată de legături de H între grupele C=O și N-H ale diferitelor regiuni ale lanțului polipetidic sau între două polipeptide diferite.

Structura terțiară este determinată de modul de legare a lanțurilor polipetidice între ele și este rezultatul interacțiilor dintre resturile de aminoacizi din catenele polipetidice.

Stabilizarea structurii terțiare a proteinelor are loc datorită interacțiunii între radicalii aminoacizilor localizați departe unul de altul în secvența polipetidică.

Între radicali se formează :

- Legături van der Waals între resturile hidrocarbonate, radicalii alchil (legături electrostatice slabe care se stabilesc între radicalii hidrofobi).

- Legături de H determinate de grupele carboxil (-COOH) ale aminoacizilor dicarboxilici.

- Legături covalente de tip S-S prin unirea a două grupe –SH din cisteină.

- Atracții electrostatice între ionii H₃N⁺ și COO^-

În funcție de forma moleculei în spațiu putem avea:

- Proteine globulare (sferoproteine), care sunt implicate în diferite funcții metabolice din organism. De exemplu, enzimele catalizează reacțiile biochimice, hormonii reglează funcțiile organismului, hemoglobina transportă oxigenul. Ca exemple de proteine globulare avem : gluteinele, globulinele, albuminele etc.

- Proteine fibrilare (scleroproteinele),care au rolul în formarea cadrelor structurale ale corpului, cum ar fi țesutul conjunctiv, cartilajul, ligamentele, vasele de sânge, plămânii, uterul, părul etc. Exemple de proteine fibroase : colagenul, elastina, actina, miozina, keratina etc.

🔦 Observații

- Principala diferență între proteinele fibroase și globulare este că proteinele fibroase sunt formate din catene lungi și înguste, în timp ce proteinele globulare au o formă rotundă compactă. Mai mult, proteinele fibroase au o funcție structurală în organism, în timp ce proteinele globulare au un rol funcțional.

- Multe proteine deja la nivel terțiar pot să își manifeste activitatea biologică, fiind capabile să-și îndeplinească funcțiile.

Structura cuaternară este structura tridimensională constând din asocierea a două sau mai multe lanțuri polipeptidice individuale (protomeri), care operează ca o singură unitate funcțională (oligomer/multimer).

Multimerul rezultat este stabilizat de aceleași interacțiuni non-covalente și legături disulfurice, ca în structura terțiară.

Proteinele care au structura cuaternară sunt hemoglobina, ADN polimeraza şi canalele ionice, dar şi nucleozomi şi nanotubuli, care sunt complexe multiproteice.

Vederea 3 D a hemoglobinei prezintă 4 subunităţi roşu şi galben (două lanțuri alfa și două lanțuri beta), iar unitatea hemică e verde.