دانلود مقاله پروتئین ها و انواع ساختار های آن

مقدمه : پروتئین ها فراوان ترین ماکرو ملکول های بیولوژیک هستند که در تمامی سلول ها و تمامی قسمت های سلولی یافت می شوند.

پروتئین ها همچنین دارای تنوع زیادی می باشند.

هزاران نوع پروتئین مختلف با اندازه های متفاوت از پپتیدهای نسبتاً کوچک تا پلیمرهای بزرگ دارای وزن های مولکولی در حد میلیون ممکن است در یک سلول یافت شوند.

به علاوه، پروتئین ها اعمال بسیار متنوع بیولوژیک را انجام داده و مهمترین محصولات نهایی مسیرهای اطلاعاتی می باشند.

پروتئین ها ابزار مولکولی هستند که از طریق آنها اطلاعات ژنتیکی بیان می گردند شروع بررسی ماکرو ملکول های بیولوژیک یا پروتئین ها، که نامشان از کلمه یونانی (protos) به معنی «اولین» یا «جلوترین» گرفته شده است، مناسب می باشد.

کلید ساختمان هزاران پروتئین مختلف، زیر واحدهای مونومری نسبتاً ساده آنها می باشد، تمامی پروتئین ها، شامل پروتئین های موجود در قدیمی ترین رده های باکتریایی تا پیچیده ترین اشکال حیات از 20 اسید آمینه یکسان ساخته شده اند که با توالی های مشخص خطی به طریق کووالال به یکدیگر متصل می باشند.

از آنجایی که هر کدام از این اسیدهای آمینه دارای زنجیر جانبی با خصوصیات شیمیایی متفاوت می باشند، این گروه 20 ملکولی پیش ساز را می توان به عنوان الفبای زبانی دانست که ساختمان پروتئین با آن نوشته می شود.

چیزی که بیشتر قابل ملاحظه می باشد این است که سلول ها می توانند با اتصال همین 20 اسید آمینه با ترکیبات و توالی های بسیار متنوع، پروتئین هایی را تولید نمایند که ویژگی ها و فعالیت های فوق العاده متنوعی دارند.

موجودات مختلف می توانند با استفاده از این بلوک‌های ساختمانی محصولات بسیار متفاوتی نظیر آنزیم ها- هورمون ها- آنتی بادی ها- انتقال دهنده ها- عضله- پروتئین عدسی چشم- پر- تار عنکبوت- شاخ کرگدن- پروتئین‌های شیر، آنتی بیوتیک ها- سموم قارچی و تعداد زیادی از مواد دیگر با فعالیت های بیولوژیک متفاوت ایجاد نمایند.

از میان این محصولات پروتئینی، آنزیم ها تنوع بیشتری داشته و اختصاصی تر می باشند.

در واقع تمامی واکنش های سلولی توسط آنزیم ها کاتالیزی گردند.

خلاصه: هر پروتئینی دارای یک ساختمان بی همتای سه بعدی است که انعکاسی از فعالیت آن می‌باشد.

ساختمان پروتئین توسط واکنش های متقابل ضعیف پایدار می گردد.

واکنش های متقابل آبگریز بیشترین نقش را در پایداری شکل کردی اکثر پروتئین های محلول دارد، پیوندهای هیدروژنی و واکنش های متقابل یونی، در ساختمان اختصاصی به حد مطلوب می‌رسند که بیشترین پایداری ترمودینامیکی را دارد.

ماهیت پیوندهای کووالال در زنجیر پلی پپتیدی، فشارهایی را به ساختمان آن تحمیل می‌نماید.

پیوند پپتیدی دارای خصوصیات یک پیوند دوگانه نسبی است که کل گروه پپتیدی را در یک کونفیگوراسیون صحنه ای سخت قرار می دهد.

پیوندهای می توان به تونیت با نمایش داد.

در صورتی که مقادیر زوایای تمامی ریشه های اسید آمینه موجود در یک قطعه پپتیدی مشخص باشد.

ساختمان دوم آن را می توان کاملاً تعیین نمود.

ساختمان سوم، ساختمان سه بعدی کامل در یک زنجیر پلی پپتیدی را می توان با بررسی ساختمان های معمول پایداری شناخت که نام های متغیری نظیرساختمان های فوق دوم موتیف ها یا خمیدگی ها به آنها داده می شود.

موتیف ها از اشکال ساده تا انواع بسیار پیچیده متفاوت می باشد، به طور کلی هزاران ساختمان پروتئینی شناخته شده، همایش یافته و ایجاد تنها چند صد موتیف می نماید که بعضی از آنها بسیار معمول می باشد.

نواحی از پلی پپتیدها که می توانند به طور مستقل تا گردند را دومن گویند.

پروتئین های کوچک عموماً دارای یک دومن واحد می باشند.

در حالیکه پروتئین های بزرگ ممکن است چندین دومن داشته باشند.

دوکلاس عمومی پروتئین ها شامل پروتئین های فیبری و کروی وجود دارد.

پروتئین های فیبری که اساساً جهت اعمال ساختمانی می باشند.

دارای عناصر ساده تکراری ساختمان دوم بوده و مدل هایی برای مطالعات اولیه پروتئین ها بوده اند.

با استفاده از اطلاعات به دست آمده از پروتئین های فیبری- دو ساختمان دوم اصلی- شامل مارپیچ و کنفورماسیون قابل شناسایی است.

هر دو این ساختمان ها به وسیله وجود حداکثر پیوندهای هیدروژنی ممکن بین پیوندهای پپتیدی موجود در یک اسکلت پلی پپتیدی مشخص می شوند.

پایداری این ساختمان ها در داخل یک پروتئین، تحت تأثیر محتوی اسید آمینه های آنها و همچنین موقعیت نسبی ریشه های اسیدهای آمینه موجود در توالی آنها می باشد.

نوع دیگری از ساختمان دوم که در پروتئین ها معمول می باشد پیچ است.

در پروتئین های فیبری نظیر کراتین ها و کلاژن، یک نوع ساختمان دوم غالب می باشد.

زنجیرهای پلی پپتیدی به صورت ابرفنرهایی به شکل طناب ایجاد دستجات بزرگتری را نموده که قدرت زیادی دارند.

صفحات فیبروئین ابریشم در کنار یکدیگر قرار گرفته تا ایجاد یک ساختمان قوی ولی قابل انعطاف نمایند.

پروتئین های کروی دارای ساختمانی های سوم پیچیده تری هستند که اغلب دارای چندین نوع ساختمان دوم در یک زنجیر پلی پپتیدی می باشند.

اولین ساختمان پروتئین کروی که با استفاده از روش های انکسار اشعهx- تعیین گردد، میوگلوبین بود.

این ساختمان تأیید نمود که ساختمان دوم (مارپیچ) پیش بینی شده، در پروتئین ها وجود دارد؛ ریشه های اسیدآمینه آبگریز در داخل پروتئین قرار دارند، پروتئین های کروی متراکم هستند.

به تحقیق بعدی بر روی ساختمان بسیاری از پروتئین های کروی، این نتیجه گیری‌ها را حمایت نمود و همچنین نشان داد که تنوع زیادی می تواند در ساختمان سوم وجود داشته باشد.

ساختمان های پیچیده پروتئین‌های کروی را می توان با بررسی تحت ساختمان های آنها، شامل موتیف ها و دومن ها، تجزیه و تحلیل نمود.

در پایگاه های اطلاعاتی ساختمان پروتئین، ساختمان ها معمولاً به چهار کلاس، شامل همه، همه تقسیم می‌شوند.

پروتئین های اختصاصی موجود در هر کلاس بر اساس داشتن ارتباط در توالی، ساختمان و عملکرد، به صورت خانواده ها یا فوق خانواده هایی گروه بندی می شوند.

ساختمان چهارم اشاره به واکنش متقابل بین زیرواحدهای پروتئین های چند زیرواحدی مولتیمری یا همایش های پروتئینی بزرگتر می نمایند.

بعضی از پروتئین‌های مولتیمری دارای واحدهای تکراری هستند که از یک زیرواحد یا یک گروه زیرواحدها، به نام پروتومر، تشکیل شده اند.

پروتومرها معمولاً از طریق تقارن چرخشی و مارپیچی با یکدیگر ارتباط دارند.

بهترین پروتئین مولتیمری مطالعه شده، هموگلوبین می باشد.

ساختمان سه بعدی پروتئین ها را می توان با استفاده از مواد یا شرایطی که واکنش های متقابل ضعیف را مختل می نمایند، طی فرآیندی به نام دناتوراسیون، از بین برد.

دناتوراسیون سبب از بین رفتن فعالیت پروتئین شده که ارتباط بین ساختمان و فعالیت را نشان می دهد.

بعضی از پروتئین های دناتوره شده (مثلاً ریبونوکلئاز) می توانند به طور خودبه خودی به پروتئین دارای فعالیت بیولوژیک رناتوره گردند که نشان دهنده نقش توالی اسیدهای آمینه در تعیین ساختمان سوم پروتئین می باشد.

تاشدن پروتئین ها در داخل سلول ها ممکن است طی مسیرهای مختلف صورت پذیرد، ابتدا نواحی از ساختمان دوم و سوم ممکن است ایجاد شده و به دنبال آن تا شدن به ساختمان‌های فوق دوم انجام شود.

همایش های بزرگ ترکیبات واسط تاشده- سریعاً به یک کونفورماسیون طبیعی واحد تبدیل می شوند.

در مورد بسیاری از پروتئین ها، تا شدن توسط چاپرون های Hsp70 و توسط چاپرونین تسهیل می گردد.

تشکیل پیوند دی سولفیدی و ایزومریزاسیون سیس- ترانس پیوندهای پپتیدی پرولین، توسط آنزیم های اختصاصی کاتالیز می گردند.

اسیدهای آمینه، پپتید ها و پروتئین ها : 20 اسید آمینه استانداردی که معمولاً در ساختمان پروتئین ها وجود دارند.

حاوی یک گروه- کربوکسیل، یک گروه - آمینو و یک گروهR متفاوت می باشند.

اتم کربن تمامی اسیدهای آمینه به استثنای گلیسین نامتقارن بوده و بنابراین حداقل به دو شکل ایزومرفضایی وجود دارند.

تنها ایزومرهای فضاییL که با کونفیگوراسیون مطلق مولکول مرجعL- گلیسرآلدئید ارتباط دارند، در پروتئین ها یافت می شوند.

اسیدهای امینه بر اساس قطبیت و بار (در7PH ) گروههای R خود، طبقه بندی می شوند.

کلاس غیرقطبی و آلیفاتیک شامل آلانین، گلیسین، ایزولوسین، لوسین ، متیونین، ترئونین و والین می باشد.

فنیل آلانین، تریپتوفان و تیروزین دارای زنجیرهای جانبی آروماتیک بوده و نسبتاً آبگریز هستند.

کلاس قطبی و بدون بار شامل آسپاراژین و سیستئین، گلوتامین، پرولین، سرین و ترئونین می باشد.

اسیدهای آمینه دارای بار منفی (اسیدی) شامل آسپارتات، گلوتامات بوده و انواع دارای بار مثبت (بازی) شامل آرژینین، هیستیدین و لیزین هستند.

اسیدهای آمینه غیراستاندارد نیز وجود دارند که ممکن است جزئی از پروتئین ها (حاصل تغییر ریشه های اسیدآمینه استاندارد بعد از سنتز پروتئین) بوده یا به صورت متابولیتهای آزاد عمل نمایند.

اسیدهای آمینه منوآمینومنوکربوکسیلیک (با گروه های R غیرقابل یونیزاسیون)، درPH پایین اسیدهای دی پروتیک (NCH (R) COOH) هستند.

با افزایشPH، یک پروتون از گروه کربوکسیل جدا شده و ایجاد یک مولکول دوقطبی یا زویتریون NCH(R)COO- می گردد که از نظر الکتریکی خنثی می باشد.

با افزایش بیشتر PH ، دومین پروتون نیز از دست رفته و تولید مولکول یونی H2NCH (R)COO- می گردد.

اسیدهای امینه دارای گروه‌های R قابل یونیزاسیون، برحسب PKa,PH گروهR، ممکن است شکل یونی دیگری را نیز داشته باشند.

بنابراین اسیدهای آمینه از نظر ویژگی های اسیدی- بازی متفاوت می‌باشند.

اسیدهای آمینه می توانند به طور کووالان از طریق پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل شده و ایجاد پپتیدهاو پروتئین ها را بنماید.

به طور کلی، سلول ها دارای هزاران پروتئین مختلف هستند که هر کدام دارای عملکرد یا فعالیت بیولوژیک متفاوتی می باشند.

پروتئین ها می‌توانند از نظر طول زنجیر پلی پپتیدی بسیار متنوع بوده و دارای 100 تا چندین هزار ریشه اسید آمینه باشند.

هر چند بعضی از پپتیدهای موجود در طبیعت تنها دارای چند اسید آمینه هستند.

بعضی پروتئین ها از چندین زنجیره پلی پپتیدی به نام زیر واحد تشکیل شده اند که به یکدگر متصل می باشند.

هیدرولیز پروتئین های ساده تنها منجر به تولید اسیدهای آمینه می‌گردد؛ پروتئین های کونژوگه دارای اجزاء دیگری، نظیر یک یون فلزی یا کروه پروستتیک آلی می باشند.

به طور کلی، چهار سطح شناخته شده ساختمان پروتینی وجود دارد.

ساختمان اول اشاره به توالی اسیدهای آمینه ای و موقعیت پیوندهای دی سولفیدی می نماید.

ساختمان دوم، ارتباط فضایی بین اسیدهای آمینه مجاور را در قطعات پلی پپتیدی نشان می دهد.

ساختمان سوم، کونفورماسیون سه بعدی کل زنجیر پلی پپتیدی است.

ساختمان چهارم، نیز ارتباط فضایی زنجیرهای متعدد پلی پپتیدی (زیرواحدی) یک پروتئین را مطرح می نماید.

پروتئین ها با در نظر گرفتن تفاوت های موجود در بین آنها، تخلیص می گردند.

پروتئین ها را می توان به طور انتخابی با افزودن بعضی املاح راسب نمود.

انواع متعددی از روش های کروماتوگرافی وجود دارد که بر اساس تفاوت در اندازه تمایلات اتصالی بار و سایر ویژگی‌ها عمل می کنند.

الکتروفورز می تواند پروتئین ها را بر اساس جرم یا بار جدا نماید.

تمامی روش های تخلیص نیاز به روش هایی برای اندازه‌گیری یا ارزیابی پروتئین مورد نظر در حضور سایر پروتئین ها دارند.

تفاوت در عملکرد پروتئینی حاصل تفاوت هایی در ترکیب و توالی اسید آمینه ای آنها می‌باشد، توالی اسید آمینه ای با قطعه قطعه نمودن پلی پپتیدها به پپتیدهای کوچکتر با استفاده از معرف های شناخته شده ای که پیوندهای پپتیدی اختصاصی را می شکنند، تعیین توالی اسید آمینه ای هر قطعه با روش تخریبی اتوماتیک ادمن و سپس مرتب نمودن قطعات با یافتن توالی های همپوشان بین قطعات حاصل از معرف های مختلف استنتاج می‌گردد.

توالی یک پروتئین را همچنین می توان از توالی نوکلئوتیدی ژن مربوط به آن در DNA استنتاج نمود.

مقایسه توالی اسیدآمینه ای یک پروتئین با هزاران توالی شناخته شده، اغلب اطلاعاتی در مورد ساختمان، عملکرد، موقعیت و تکامل آن پروتئین فراهم می آورد.

پروتئین ها و پپتیدهای کوتاه (با طول تا 100 ریشه) را می توان به طریق شیمیایی سنتز نمود.

این پپتید در حالی که به یک پایه جامد اتصال دارد، با افزودن یک اسیدآمینه در هر زمان ساخته می شود.

ساختمان سه بعدی پروتئین ها : اسکلت کووالان یک پروتئین شاخص از هزاران پیوند پپتیدی تشکیل شده است از آنجایی که چرخش آزاد حول بسیاری از این پیوندها ممکن می باشد، این پروتئین می تواند تعداد نامحدودی کونفورماسیون به خود بگیرد.

هر چند هر کدام از پروتئین ها دارای عملکرد شیمیایی یا ساختمانی اختصاصی بوده که قویاً مطرح می نماید که هر کدام دارای یک ساختمان سه بعدی بی همتا هستند .

تا اواخر دهه 1920 ،‌چندین پروتئین ، از جمله هموگلوبین (وزن مولکولی 500 ،‌64) و آنزیم اوره آز (وزن مولکولی 000/483 ) به شکل کریستالی درآمدند.

با توجه به اینکه دسته های منظم پروتئین های موجود در یک کریستال عموماً تنها زمانی می توانند تشکیل گردند که واحدهای مولکولی موجود در آنها مشابه باشند، کریستالیزه شدن بسیاری از پروتئین ها دلیل محکمی برای این واقعیت است که حتی پروتئین های بسیار بزرگ، موجودیت های شیمیایی منحصر و با ساختمان های بی همتا می باشند.

این نتیجه گیری تفکر پیرامون پروتئین ها و اعمال آنها را متحول نمود.

در این قسمت ساختمان سه بعدی پروتئین ها ، با تأکید بر پنج موضوع ، مورد بررسی قرار می گیرد.

اول ساختمان سه بعدی یک پروتئین توسط توالی اسید آمینه ای آن تعیین می گردد.

دوم عملکرد یک پروتئین بستگی به ساختمان آن دارد.

سوم ، یک پروتئین جدا شده دارای یک ساختمان بی همتا،‌یا تقریباً بی همتا ، می باشد.

چهارم، واکنش های متقابل غیرکواالان ،‌مهمترین نیروهایی هستند که ساختمان اختصاصی یک پروتئین را حفظ می نمایند.

بالاخره در میان تعداد زیاد ساختمان های پروتئینی بی همتا، می‌توان بعضی از الگوهای ساختمانی مشترک را شناسایی نمود که به سازماندهی شناخت ما از معماری پروتئین کمک می نمایند.

این مطالب نباید طوری در نظر گرفته شوند که پروتئین ها دارای ساختمان های سه بعدی ساکن و بدون تغییر هستند.

اغلب عملکرد پروتئینی، مستلزم تبدیل متقابل بین دو یا چند شکل ساختمانی است.

ارتباط بین توالی اسید آمینه ای یک پروتئین و ساختمان سه بعدی آن، معمای پیچیده است که به تدریج منجر به ایجاد فن آوری های جدیدی شد که در بیوشیمی امروزی مورد استفاده قرار می گیرند.

با به کارگیری اصول پایه شیمی و فیزیک میتوان الگوهای موجود در پیچ و خم بیوشیمیایی ساختمان پروتئین را یافت و شناخت.

مروری کلی بر ساختمان پروتئین : آرایش فضایی اتم های موجود در یک پروتئین را کونفورماسیون گویند.

کونفورماسیون های ممکن یک پروتئین شامل هر وضعیت ساختمانی است که بدون شکسته شدن پیوندهای کووالان قابل حصول هستند.

تغییر در کونفورماسیون ،‌برای مثال در اثر چرخش حول پیوندهای یگانه ایجاد می گردد.

از میان کونفورماسیون های متعددی که از نظر تئوری در یک پروتئین حاوی صدها پیوند یگانه ممکن است یک یا چند نوع آن عموماً در شرایط بیولوژیک غالب می باشد.

کونفورماسیونی که تحت یک سری شرایط وجود دارد، معمولاً نوعی است که از نظر ترمودینامیک پایدارترین بوده و کمترین انرژی آزاد گیبس (G) را دارد .

پروتئین هایی که در هر کدام از وضعیت های تاشده وظیفه دار خود وجود دارند را پروتئین های طبیعی گویند.

چه اصولی پایدارترین کونفورماسیون یک پروتئین را تعیین می نمایند؟‌شناخت کونفورماسیون پروتئینی را میتوان مرحله به مرحله از بحث ساختمان اول تا ساختمانهای دوم،‌سوم و چهارم، بدست آورد.

لازم است به این روش مرسوم، تأکید جدیدی بر ساختمان مافوق دوم اضافه گردد که شامل یک سری الگوهای شناخته شده تا شدن پروتئینی قابل طبقه بندی است و زمینه سازماندهی مهمی را برای این کوشش پیچیده فراهم می آورد.

کونفورماسیون پروتئینی بیشتر توسط واکنش های متقابل ضعیف تثبت می گردد در زمینه ساختمان پروتئینی، اصطلاح پایداری را میتوان به صورت تمایل در حفظ ساختمان طبیعی تعریف نمود.

پروتئین های طبیعی تنها دارای ثبات مرزی هستد؛ ای که حالات تاشده و تا نشده را از یکدیگر جدا می نماید، در پروتئین های شاخص و در تحت شرایط فیزیولوژیک ، در دامنه تنها 20 تا kJ/mol 65 قرار دارد.

از نظر تئوری، یک زنجیر پلی پپتیدی خاص میتواند کونفورماسیون های بی شمار مختلفی را کسب نماید و در نتیجه،‌ حالت تا نشده یک پروتئین،‌با درجه بالای آنتروپی کونفورماسیونی مشخص می گردد.

این آنتروپی و پیوندهای هیدروژنی متعدد بین گروههای متعدد موجود در زنجیر پلی پپتیدی و حلال (آب)، تمایل دارند که حالت تانشده را حفظ نمایند.

واکنش های متقابل شیمیایی که ضد این واکنش ها عمل نموده و سبب پایدرای شکل طبیعی می گردند، شامل پیوندهای دی سولفیدی و واکنش های متقابل ضعیف(غیر کووالان) ، یعنی پیوندهای هیدروژنی و واکنش های متقابل آبگریز و یونی می باشند.

درک نقش این واکنشهای متقابل ضعیف بخصوص در شناخت نحوه تاشدن زنجیرهای پلی پپتیدی در ایجاد ساختمانهای دوم و سوم و همچنین ترکیب با سایر پروتئین ها در ایجاد ساختمانهای چهارم، اهمیت دارد.

برای شکستن یک پیوند کووالان حدود 200 تا kJ/mol 460 انرژی مورد نیاز می باشد، در حلایکه واکنشهای متقابل ضعیف را میتوان تنها با 4 تا kJ/mol 30 از بین برد.

پیوندهای کوالان منحصر که در ایجاد کونفورماسیون طبیعی پروتئین ها نقش دارند، همانند پیوندهای دی سولفیدی متصل کننده قسمتهای مجزا یک زنجیر پلی پپتیدی، به طور آشکار قویتر از تک تک واکنشهای متقابل ضعیف می باشند؛ با این وجود واکنشهای متقابل ضعیف، به علت کثرت،‌دارای اهمیت بیشتری به عنوان نیروی تثبیت کننده در ساختمان پروتئین هستند.

به طور کلی، کونفورماسیون پروتئینی که کمترین انرژی آزاد (یعنی پایداترین کونفورماسیون) را دارد کونفورماسیونی است که بیشترین تعداد واکنشهای متقابل ضعیف در آن مشاهده میگردد.

پایداری یک پروتئین تنها جمع انرژی های آزاد حاصل از تشکیل بسیاری از واکنشهای متقابل ضعیف موجود در آن نمی باشد.

قبل از تا شدن هر گروه ایجاد کننده پیوند هیدروژنی موجود در یک زنجیر تا شده پلی پپتیدی ،‌با مولکولهای آب ایجاد پیوند هیدروژنی می نماید،‌و برای هر پیوند هیدروژنی که در یک پروتئین ایجاد می شود، یک پیوند هیدروژنی ( با قدرت مشابه) بین همان گروه و آب شکسته می‌شود.

پایداری خالص حاصل از ایجاد یک واکنش متقابل ضعیف، یا تفاوت انرژی های آزاد حالات تا شده و تا نشده،‌ممکن است نزدیک به صفر باشد.

بنابراین برای شرح علت مساعد بودن کونفورماسیون طبیعی یک پروتئین، لازم است به مسائل دیگر توجه گردد.

دیدیم که نقش واکنشهای متقابل ضعیف در پایداری پروتئینی را میتوان براساس ویژگیهای آب شناخت.

آب خالص دارای شبکه ای از ملکولهای H2O همراه با اتصالات هیدروژنی می باشد.

هیچ مولکول دیگری، پتانسیل ایجاد پیوندهای هیدروژنی آب را ندارد و سایر ملکولهای موجود در یک محلول آبی پیوند هیدروژنی آب را از بین می برند.

وقتی آب یک ملکول آبگریز را احاطه می نماید، آرایش مطلوب پیوندهای هیدروژنی در یک قشر شدیداً سازمان یافته یا لایه انحلالی ملکول های آب در مجاورت نزدیک آن ایجاد میگردد.

افزایش نظم مولکولهای آب موجود در این لایه انحلالی همراه با یک کاهش نامساعد در آنتروپی آب است.

هر چند وقتی گروههای غیرقطبی در کنار یکدیگر قرار می گیرند، بعلت اینکه هیچدام از این گروهها تمام سطح خود را در معرض محلول قرار نمی دهند، وسعت لایه انحلالی کاهش می یابد.

حاصل افزایش مساعد در آنتروپی می باشد.

این اصطلاح آنتروپی ، نیروی پیش برنده ترمودینامیکی اصلی برای به هم پیوستن گروههای آبگریز در یک محلول آبی است.

به همین دلیل، زنجیره های جانبی آبگریز اسیدهای آمینه تمایل دارند که در داخل پروتئین و دور از آب جمع شوند.

در شرایط فیزیولوژیک، تشکیل پیوندهای هیدروژنی و واکنشهای متقابل یونی در یک پروتئین به میزان زیادی حاصل این اثر آنتروپیک است.

گروههای قطبی عموماً می توانند ایجاد پیوندهای هیدروژنی با آب نموده و بنابراین در آب محلول هستند.

هر چند، تعداد پیوندهای هیدروژنی در هر واحد جرم عموماً برای آب خالص بیش از هر مایع یا محلول دیگری بوده و محدودیتهایی برای انحلال حتی قطبی ترین ملکولها وجود دارد، زیرا وجود آنها منجر به کاهش خالص در میزان ایجاد پیوند هیدروژنی در هر واحد جرم می گردد.

بنابرین، یک قشر انحلالی ساخته شده از مولکولهای آب نیز به میزانی در اطراف ملکولهای قطبی ایجاد میشود.

اگر چه انرژی حاصل از تشکیل یک پیوند هیدروژنی داخل ملکولی یا واکنش متقابل یونی بین دو گروه قطبی در یک ماکروملکول، تا حدود زیادی با حذف چنین واکنشهای متقابلی بین همان گروهها و آب جبران می گردد، آزادسازی ملکولهای آب سازمان یافته در هنگام تشکیل واکنش داخل ملکولی، یک نیروی پیشبرنده آنتروپیک برای تا شدن فراهم می آورد.

از این رو، بیشتر تغییر خالص انرژی آزادی که در هنگام تشکیل واکنشهای متقابل ضعیف در داخل یک پروتئین رخ می دهد، از افزایش آنتروپی در محلول آبی اطراف حاصل از دفن سطوح آبگریز فراهم میگردد.

این افزایش آنتروپی بیش از دست رفتن زیاد آنتروپی کونفورماسیونی در هنگام تبدیل شدن یک پلی پپتید به یک کونفورماسیون تا شده می باشد.

واکنش های آبگریز به طور آشکار در تثبیت یک کونفورماسیون پروتئینی دارای اهمیت می باشند، درون یک پروتئین عموماً یک هسته شدیداً متراکم از زنجیرهای جانبی آبگریز اسیدهای آمینه وجود دارد.

وجود پارتنرهای مناسب برای ایجاد پیوندهای هیدروژنی یا واکنشهای متقابل یونی بین هر گروه قطبی یا باردار در درون پروتئین، نیز مهم می باشد.

بنظر می رسد که یک پیوند هیدروژنی نقش کمی را در پایداری یک ساختمان طبیعی دارد، ولی وجود گروههای باردار یا ایجاد کننده پیوند هیدروژنی بدون پارتنر در داخل هسته آبگریز یک پروتئین ،‌آنقدر می تواند ناپایدار کننده باشد که کونفورماسیون های دارای چنین گروهی با یک پارتنر در محلول اطراف، میتواند بیش از تفاوت در تغییر انرژی آزاد بین حالات تا شده و تانشده باشد.

به علاوه پیوندهای هیدروژنی بین گروههای موجود در پروتئین ها،‌به طور تعاونی ایجاد می شوند.

تشکیل یک پیوند هیدروژنی ،‌تشکیل پیوندهای دیگر را تسهیل می نماید.

نقش کلی پیوندهای هیدروژنی و سایر واکنشهای متقابل غیرکووالان در تثبیت کونفورماسیون پروتئینی هنوز در حال ارزیابی است.

واکنش متقابل گروههای دارای بار مخالف که ایجاد یک جفت یونی (پل نمکی) می کنند، نیز ممکن است یک اثر تثبیت کننده بر روی یک یا چند کونفورماسیون طبیعی بعضی از پروتئین ها داشته باشد.

اکثر الگوهای ساختمانی که در این قسمت به آنها پرداخته میشود، دو قاعده ساده را مطرح می نمایند: (1)ریشه های آبگریز بیشتر در داخل پروتئنی و به دور از آب قرار گرفته و (2) تعداد پیوندهای هیدروژنی موجود در داخل پروتئین به حداکثر میرسد.

پروتئین های نامحلول و پروتئین های موجود در داخل غشاء ها به علت عملکرد و محیط اطراف خود، از قواعدی پیروی می کنند که قدری متفاوت بوده ،‌ولی با این حال باز هم واکنشهای متقابل ضعیف عناصر مهم ساختمانی هستند.

پیوند پپتیدی محکم بوده و در یک صفحه قرار دارد : پیوندهای کووالان نیز اثر مهمی بر روی کونفورماسیون یک پروتئین دارند.

در اواخر دهه 1930 ، لینوس پائولینگ و رابرت گوری، یک سری مطالعات را انجام دادند که منتهی به پایه اطلاعاتی کنونی ما در مورد ساختمان پروتئین شد.

آنها با بررسی دقیق پیوند پپتیدی آغاز نمودند.

کربن های ریشه های اسید آمینه مجاور توسط سه پیوند کووالان،‌ با نظم از یکدیگر جدا می گردند.

مطالعات انکسار اشعه x- بر روی کریستال اسیدهای آمینه و دی پپتیدها و تری پپتیدهای ساده نشان داد که پیوند C-N پپتیدی قدری کوتاه تر از پیوند C-N موجود در یک آمین ساده بوده و اتم های موجود در یک پیوند پپتیدی در یک صفحه قرار دارند.

این موضوع یک رزونانس یا اشتراک نسبی دو جفت الکترون را بین اکسیژن کربونیل و نیتروژن آمیدی نشان داد (شکل –a 1) .

اکسیژن کربنیل دراای بار نسبی منفی و نیتروژن آمیدی دارای بار نسبی مثبت بوده و بدین ترتیب ایجاد یک دوقطبی الکتریکی کوچک می نمایند.

شش اتم گروه پپتیدی طوری در یک صفحه قرار می گیرند که اتم اکسیژن گروه کربونیل و اتم هیدروژن نیتروژن آمیدی نسبت به یکدیگر دارای وضعیت ترانس می باشند.

با استفاده از این یافته ها ،‌پائولینگ و کوری نتیجه گرفتند که پیوندهای C-N به علت داشتن خصوصیت نسبی پیوند دوگانه، نمی‌توانند به طور آزاد چرخش نمایند.

هر چند ،چرخش حول پیوندهای ممکن می باشد.

بنابراین اسکلت یک زنجیر پلی پپتیدی را می توان بصورت یک سری صفحات سخت تصور نمود که بین صفحات متوالی آن نقطه مشترکی برای چرخش حول وجود دارد(شکل b -1 ) .

این پیوندهای پپتیدی سخت، دامنه کونفورماسیون های احتمالی یک زنجیر پلی پپتیدی را محدود می سازند.

به طورقراردادی، زوایای پیوندی حاصل از چرخش حول را با برای پیوند N- و برای -C نمایش می دهند.

مجدداً به طور قراردادی،‌وقتی پلی پپتید در کونفورماسیون کاملا امتداد یافته باشد، هر دو زاویه و برابر 180 بوده و تمامی گروههای پپتیدی در یک صفحه قرار می گیرند (شکل b -1).

اساساً ، زوایای و میتوانند هر مقداری را بین 180- و 180+ داشته باشند، ولی بسیاری از این مقادیر به علت تداخل فضایی بین اتم های موجود در اسکلت پلی پپتیدی و زنجیرهای جانبی مشاهده نمی گردند.

به همین دلیل،‌کونفورماسیونی که در آن هر دو زاویه و برابر 0 می باشند (شکل c-1) ،‌وجود ندارد این حالت تنها به عنوان یک نقطه مرجع برای شرح زوایای چرخش مورد استفاده قرار می گیرد.

مقادیر مجاز و زمانی به طریق گرافیک نشان داده می شود که در مقابل در یک نمودار راماخاندران رسم گردد (شکل 2)؛‌این نمودار توسط راماخاندران معرفی شده است.

شکل 1:گروه پپتیدی مسطح .

(a ) هر پیوند پپتیدی به علت وجود رزونانس و عدم چرخش، دارای بعضی خصوصیات پیوند دوگانه می باشد.

(b) سه پیوند سبب جدایی کربنهای متوالی متصل به یکدیگر میگردد.

پیوند میتوانند با زوایایی بچرخند که به ترتیب با و نمایش داده میشوند.

پیوند پپتیدی C-N فاقد آزادی چرخش میباشد.

سایر پیوندهای یگانه موجود در اسکلت پلی پپتیدی ممکن است برحسب اندازه و بار گروههای R ، دارای محدودیت چرخش باشند.

(c) به طور قراردادی ، وقتی دو پیوند پپتیدی مجاور یک کربن در یک صفحه بوده و به صورت نشان داده شده قرار گیرند ، هر دو زاویه و برابر تعریف میگردد.

همپوشانی فضایی بین یک اکسیژن کربونیل و یک اتم هیدروژن آمینو ، مانع از ایجاد این کنفورماسیون در یک پروتئین میشود.

برای نمایش پیوندهای پپتیدی موجود در بین اتمها ، گوی هایی که هر یک از این اتمها را نشان میدهد، کوچکتر از شعاع واندروالس مقیاس خود نشان داده شده اند.

یک برابر 1/0 نانومتر میباشد.

شکل 2 : نمودار راماخاندران برای ریشه های –L آلانین – کونفورماسیون های پپتیدها توسط مقادیر زوایای و تعریف میشوند.

کونفورماسیون هایی ممکن در نظر گرفته میشوند که با محاسبات انجام شده براساس شعاع های واندروالس و زوایای پیوند شناخته شده،‌فاقد یا دارای تداخلات فضایی کمی باشند.

ناحیه ای که دارای سایه خاکستری تیره می باشد.

کونفورماسیون هایی را نشان می دهد که فاقد همپوشانی فضایی بوده و بنابراین کاملا مجاز می باشند، رنگ خاکستری متوسط کونفورماسیون هایی را نشان می دهد که به خاطر تماس های اتمی نامساعد، در محدوده دو انتها دیده میشوند؛ ناحیه مشخص شده با سایه خاکستری کمرنگ، کونفورماسیون هایی را نشان می دهد که در صورت وجود یک انعطاف پذیری محدود در زوایای پیوندی، ممکن می باشد.

عدم تقارن این نمودار از شیمی فضایی L ریشه های اسید آمینه حاصل می شود.

نمودار سایر ریشه های –L اسید آمینه دارای زنجیر جانبی غیرمنشعب تقریباً مشابه می باشد.

دامنه مجاز ریشه های اسید آمینه شاخه دار، نظیر Thr , Iie , Val قدری کمتر از Ala است.

ریشه Gly که کمتر دارای ممانعت فضایی است، دامنه وسیعتری از کونفورماسیون های ممکن را نشان می دهد این دامنه در مورد Pro بسیار محدود می باشد.

زیرا بواسطه زنجیر جانبی حلقوی، زاویه محدود به و است.

ساختمان دوم پروتئین : اصطلاح ساختمان دوم اشاره به کونفورماسیون موضعی قسمتی از پلی پپتید می نماید.

بحث ساختمان دوم بیشتر در مورد الگوهای تاشدن منظم مشترک اسکلت پلی پپتیدی کاربرد دارد.

چند نوع ساختمان دوم پایدار بوده و در پروتئین های مختلف دیده می شود.

برجسته ترین این ساختمانها،‌کونفورماسیون های می باشد که در قسمت بعدی شرح داده میشوند.

با استفاده از اصول شیمیایی پایه و چند مشاهده تجربی، پائولینگ وکوری، وجود این ساختمانهای دوم را در سال 1951 ، چندین سال قبل از روشن شدن کامل اولین ساختمان پروتئینی ، پیش بینی کردند.

مارپیچ یک ساختمان دوم معمول پروتئینی است : پائولینگ و کوری از اهمیت پیوندهای هیدروژنی در جهت گیری گروههای شیمیایی قطبی، نظیر گروههای C=O و N-H پیوند پپتیدی، آگاه بودند.

آنها همچنین نتایج آزمایشات ویلیام استبوری را داشتند که در دهه 1930 ، مطالعات اولیه اشعه x- را بر روی پروتئین ها رهبری نمود.

استبوری نشان داد که پروتئین سازنده مو و تیغ های جوجه تیغی (پروتئنی فیبری کراتین) دارای ساختمان منظمی است که هر 15/5 تا 20/5 تکرار می گردد.

(، آنگستروم،‌به افتخار آندرس آنگستروم فیزیکدان،‌برابر nm 1/0 ، یک واحد SI نبوده ولی به طور وسیعی توسط زیست شناسان ساختمانی برای بیان فاصله های اتمی مورد استفاده قرار می گیرد).

پائولینگ و کوری با این اطلاعات و اطلاعات خود را در مورد پیوند پپتیدی و به کمک مدلهای دقیقاً ساخته شده، کونفورماسیون های محتمل ملکولهای پروتئینی را تعیین نمودند.

ساده ترین آرایش زنجیر پلی پپتیدی دارای چنین پیوندهای پپتیدی سختی (ولی سایر پیوندهای یگانه دارای چرخش آزاد می باشند)، یک ساختمان مارپیچی می باشد که پائولینگ و کوری آن را مارپیچ نامیدند (شکل 3).

در این ساختمان، اسکلت پلی پپتیدی حول یک محور فرضی به طور محکم پیچیده شده است که این محور به طور طولی در میان مارپیچ کشیده شده و گروههای R ریشه های اسید آمینه به سمت خارج اسکلت مارپیچ بیرون زده اند.

واحد تکراری،‌یک چرخش مارپیچ می باشد که حدود 4/5 در طول محور طولی امتداد یافته است؛ این میزان قدری بیش از تکرار دوره ای است که استبوری در هنگام بررسی کراتین ها با اشعه x- ملاحظه نمود.

ریشه های اسید آمینه موجود در مارپیچ دارای کونفورماسیون هایی با برابر تا و برابر بوده و هر پیچ مارپیچ از 6/3 اسید آمینه تشکیل شده است.

چرخش مارپیچی موجود درتمامی پروتئین ها از نوع راست گردان می‌باشد (کادر 1).

ثابت شده است‌که مارپیچ ، ‌ساختمان غالب موجود در - کراتین ها می باشد.

به طور کلی، حدود یک چهارم تمامی ریشه های اسید آمینه ای موجود در پلی پپتیدها به شکل مارپیچ های وجوددارند،‌ولی میزان دقیق آن از یک پروتئین به پروتئین تفاوت زیادی دارد.

شکل 3 : چهار مدل برای نمایش خصوصیات مختلف ساختمان مارپیچ (a) تشکیل یک مارپیچ راست گردان .

صفحات پیوندهای پپتیدی سخت،‌موازی با محور طولی مارپیچ می باشند که در اینجا بصورت یک میله عمودی نشان داده شده است.

(b) مدل گوی و میله یک مارپیچ راست گردان که پیوندهای هیدروژنی درون زنجیری را نشان می دهد.

واحد تکراری یک چرخش مارپیچ با 6/3 ریشه می باشد.

(c) مارپیچ از یک انتها و به سمت پایین محور طولی مشاهده می گردد.

به موقعیت گروههای R توجه کنید که با گوی ارغوانی نشان داده شده اند.

این مدل گوی و میله که برای تأکید آرایش مارپیچی بکار میرود.

منجر به تصور کاذب میان تهی بودن مارپیچ می گردد.

زیرا این گوی ها شعاع های واندروالس هر اتم را منعکس می نمایند.

همانطور که در مدل فضا پرکن (d) نشان داده شده است، اتم های موجود در مرکزمارپیچ در تماس نزدیک با یکدیگر می باشند.

چرا مارپیچ ساده از بسیاری دیگر از کونفورماسیون های ممکن ایجاد میگردد؟

تاحدودی پاسخ این است که یک مارپیچ استفاده مطلوب را از پیوندهای هیدروژنی درونی را می نماید.

این ساختمان توسط پیوند هیدروژنی موجود در بین اتم هیدروژن متصل به اتم نیتروژن الکترونگاتیو یک پیوند پپتیدی و اتم اکسیژن کربونیل الکترونگاتیو اسید آمینه چهارم موجود در سمت انتهای آمینو آن پیوند هیدروژنی ،‌ایجاد می گردد (شکل b -3).

در داخل مارپیچ ، هر پیوند پپتیدی (به استثناء انواع موجود در نزدیکی هر انتهای مارپیچ) در ایجاد چنین پیوندهای هیدروژنی شرکت می نمایند.

هر پیچ متوالی مارپیچ توسط سه تا چهار پیوند هیدروژنی در مجاورت پیچ های دیگر قرار می گیرد.

تمامی این پیوندهای هیدروژنی با یکدیگر ، پایداری قابل توجه کل ساختمان مارپیچی را ایجاد می نمایند.