Aminorūgštys, baltymai, susilankstymas ir struktūra

Baltymo struktūra yra daugiau nei formulė

Baltymai, be kitų vaidmenų ląstelėje, dalyvauja katalizėje, pernašoje ir teikia struktūrinę atramą. Jų sąveikos priklauso nuo cheminių grupių išsidėstymo ir aplinkos. Vienodos elementinės sudėties nepakanka konkrečiai sekai, susilanksčiusiai organizacijai ar subvienetų sąrankai apibūdinti.

Čia pateiktuose pavyzdžiuose glicinas yra H₂N–CH₂–COOH, o alaninas H₂N–CH(CH₃)–COOH. Tai pasirinkti neutralūs α-aminorūgščių NH₂/COOH atvaizdai. Glicino centrinis anglies atomas turi du vandenilio atomus; alaninas turi metilo šoninę grandinę. Šiuose apskaitos pavyzdžiuose alanino konfigūracija aiškiai paliekama nenurodyta.

Vandenyje gali būti svarbios protonuotos ir deprotonuotos grupės. Bendrojo nulinio krūvio formulė nepasirenka tarp neįkrautų NH₂/COOH ir vidinį krūvį turinčių NH₃⁺/COO⁻ galų. Prieš interpretuodami brėžinį ar formalųjį krūvį nurodykite vaizdavimo būdą.

Peptidinė jungtis pašalina formalią vandens sudėtį

Pasirinkite įprastai α-jungtimi sujungtą Gly–Ala su neužblokuotais NH₂ ir COOH galais. Jo sutrumpinta ryšių struktūra yra H₂N–CH₂–C(=O)–NH–CH(CH₃)–C(=O)OH. Pirmoji liekana yra N gale, o antroji C gale. Glicino α-karboksilo anglies atomas amidiniu ryšiu sujungtas su alanino α-amino azotu.

Sudėjus gliciną C₂H₅NO₂ ir alaniną C₃H₇NO₂ gaunama C₅H₁₂N₂O₄. Atimkite vieną H₂O sudėtį pasirinktai peptidinei jungčiai, kad gautumėte C₅H₁₀N₂O₃. Formali suminė reakcija yra glicinas + alaninas → Gly–Ala + H₂O; šioms pasirinktoms būsenoms išlieka atomai, bendras krūvis ir bendras elektronų skaičius.

Atvirkštinė seka Ala–Gly turi tą pačią molekulinę formulę, bet kitokią liekanų jungimosi tvarką. Ši apskaita neįrodo savaiminės reakcijos vandenyje ir neaprašo ląstelinės baltymų sintezės. Tikras mechanizmas naudoja savus substratus, aktyvinimą ir papildomus dalyvius; formalios sudėties subalansavimas jo nenustato.

Liekanų skaičiai nenurodo sekos

Pasirinkite įprastai α-jungtimis sujungtus tripeptidus Ala–Gly–Ala ir Ala–Ala–Gly, abu su neužblokuotais neutraliais NH₂/COOH galais ir nenurodytomis alanino konfigūracijomis. Abu turi po du alanino ir vieną glicino sudėties vienetą su dviem peptidinėmis jungtimis. Taigi 2C₃H₇NO₂+C₂H₅NO₂−2H₂O duoda C₈H₁₅N₃O₄.

Abi sekos prasideda Ala, bet Ala–Gly–Ala baigiasi Ala, o Ala–Ala–Gly baigiasi Gly. Jų antrosios ir trečiosios liekanų padėtys skiriasi. Vienoda formulė nereiškia vienodų spektrų, pusiausvirosios organizacijos ar biologinės funkcijos.

Pirminė struktūra apibūdina aminorūgščių išsidėstymo seką. Antrinė struktūra apima vietinius pagrindinės grandinės išsidėstymus, pavyzdžiui, α spirales ir β klostes. Tretinė organizacija susijusi su polipeptido trimate sandara, o ketvirtinė organizacija – su susijungusiais subvienetais. Šiems aprašams reikia daugiau informacijos nei formulės ar trumpo liekanų skaičiaus.

Vidutinis krūvis yra populiacijos vidurkis

Panagrinėkite atskirą hipotetinį amfolitą su trimis formomis H₂A⁺, HA ir A⁻, kurių formaliojo krūvio skaičiai yra +1, 0 ir −1. Priskirkite pK_a1=2.00, pK_a2=9.00 ir kontroliuojamą pH, naudodami idealius koncentracijų ryšius. Santykiniai svoriai yra w₊=10^(pK_a1−pH), w₀=1 ir w₋=10^(pH−pK_a2). Padalykite iš W=w₊+1+w₋, kad gautumėte dalis.

Kai pH=5.50, įkrautų formų svoriai vienodi, abu 10⁻³·⁵. Kiekvienos įkrautos formos dalis yra apie 0.000316028; vidurinės formos dalis apie 0.999367944. Vidutinis krūvis z̄=f₊−f₋ šiame priskirtame simetriniame modelyje tiksliai lygus nuliui. Tai nereiškia, kad kiekvienos molekulės krūvis nulinis ar kad vidurinė forma neturi vidinių įkrautų grupių.

Kai pH=7.00, svoriai yra 0.0000100, 1 ir 0.0100. Dalys yra apytiksliai 0.000009900892, 0.990089207 ir 0.009900892. Jų suma lygi vienetui, o vidutinis krūvis −0.009890991. Grafikas vaizduoja tą patį trijų būsenų modelį. Jis nesuteikia tikro baltymo izoelektrinio taško: tikroms šoninėms grandinėms, vietinėms aplinkoms ir papildomoms būsenoms reikia atskiros apskaitos.

Dviejų būsenų laisvosios energijos modelis pateikia būsenų dalis

Aiškiai priskirtai grįžtamajai dviejų makrobūsenų pusiausvyrai susilanksčiusią būseną žymėkite F, o išsivyniojusią U. Tegul ΔG_UF=G_U−G_F apima numatyto ansamblio įnašus, todėl p_U/p_F=exp(−ΔG_UF/RT). Šios efektinės makrobūsenų laisvosios energijos apima būsenų kartotinumą; jos nėra vien dviejų atskirų brėžinių energijos.

Išgalvokite ΔG_UF=+5.00 kJ mol⁻¹, kai temperatūra 300 K. Paverčiant į 5000 J mol⁻¹ gaunamas santykis 0.134722355. Kadangi p_F+p_U=1, susilanksčiusios formos dalis yra 0.881272847, o išsivyniojusios 0.118727153. Teigiamas skirtumas pasirinktomis sąlygomis palankesnis F.

Šios dalys nenurodo susilankstymo kelio, laiko konstantos ar barjero. Jos taip pat neįrodo, kad kiekvienas baltymas turi tik dvi būsenas ar vieną pastovią standžią struktūrą. Papildomoms konformacijoms, asociacijai, agregacijai ir kintančioms sąlygoms gali reikėti kito modelio.

Stebimai funkcijai reikia tinkamos molekulinės organizacijos

Peptidiniai ryšiai suteikia kovalentinį sujungimą; nekovalentiniai kontaktai ir, atitinkamuose baltymuose, papildomos kovalentinės jungtys prisideda prie organizacijos. Vietinis pagrindinės grandinės vandenilinis ryšys spiralėse ir klostėse nėra pakeičiamas pačiu peptidiniu ryšiu. Sąveikos vieta taip pat gali priklausyti nuo kelių liekanų ar subvienetų išsidėstymo.

Struktūrai susieti su funkcija reikia įrodymų apie tikrąją seką, chemines modifikacijas, partnerius ir sąlygas. Mūsų trumpi peptidai ir priskirti būsenų pasiskirstymo modeliai moko apskaitos ir išvadų darymo; tai nėra išmatuotos baltymų struktūros ar ląstelinės funkcijos tyrimai. Atskirkite sudėtį, seką, protonavimą, pusiausvirąjį būsenų pasiskirstymą ir kinetinę elgseną.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Raskite neutralią formalią α-jungtimis sujungto Gly–Gly–Ala formulę su neužblokuotais NH₂/COOH galais ir nenurodyta alanino konfigūracija.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   C₇H₁₃N₃O₄.

   2C₂H₅NO₂+C₃H₇NO₂−2H₂O išlaiko pasirinktą atomų sudėtį. Tai neaprašo sintezės mechanizmo.

2. Palyginkite Ala–Gly–Gly ir Gly–Gly–Ala pagal tą patį α-jungčių ir galų susitarimą. Pateikite formulę ir abiejų galinių liekanų tapatybes.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Abiejų C₇H₁₃N₃O₄; pirmojo N gale Ala / C gale Gly, antrojo N gale Gly / C gale Ala.

   Sudėtis vienoda, o liekanų jungimosi tvarka ir galinių liekanų tapatybės skiriasi.

3. Trijų būsenų modelyje, kai kontroliuojamas pH=9.00, raskite dalis ir vidutinį krūvį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Dalys apie 4.99999975×10⁻⁸, 0.499999975 ir 0.499999975; z̄=−0.499999925.

   Svoriai yra 10⁻⁷, 1 ir 1. Išlaikykite labai mažą teigiamos formos dalį: vidurkis artimas −0.5, bet nėra tiksliai −0.5.

4. Kitam priskirtam dviejų būsenų ansambliui, kai G_U−G_F=−3.00 kJ mol⁻¹ ir temperatūra 300 K, raskite susilanksčiusios ir išsivyniojusios formų dalis.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   p_F=0.230991066 ir p_U=0.769008934.

   Santykis exp[+3000/(R×300)]=3.32917175 palankesnis U; jį normalizavus gaunamos dalys. Kinetinė išvada iš to neišplaukia.

Ką verta įsidėmėti

• Atskirai nurodykite peptido seką, α-jungtis, galus ir protonavimą.
• Vien neutrali formulė nepasirenka neįkrautų ar cviterjoninių grupių.
• Liekanų sudėtis ir jų išsidėstymo seka gali perteikti skirtingą informaciją.
• Vidutinis krūvis gaunamas iš normalizuotų cheminių formų dalių.
• Priskirtos pusiausvirosios laisvosios energijos pateikia būsenų dalis, o ne kelius ar spartas.