Name: how protein shape controls function
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 15 s
Channel: JoVE

חלבונים הם פולימרים של חומצות אמינו, הקשורות זו לזו באמצעות קשרים פפטידיים. רוב החלבונים מתקפלים למבנים תלת ממדיים ספציפיים, היוצרים את הפעילות שלהם. מבנה חלבון נחלק לארבע קטגוריות:ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני.הרצף הלינארי של חומצות אמינו בחלבון הוא המבנה הראשוני שלו. רצפים אלה נקראים בסדר של יצירת הפולימר מקצה-N, הקצה של חומצת האמינו החופשית, לקצה-C, הקצה של הקרבוקסיל החופשי. מבנים משניים נוצרים באמצעות קשרי מימן בין החמצן מקבוצת הקרבוניל של חומצת אמינו אחת והמימן מקבוצת אמינו של חומצה אחרת.מבנים משניים נפוצים כוללים סלילי אלפא וגיליונות ביתא מקופלים. מבנים אלה וכן מבנים מקשרים אחרים כגון פיתולי-ביתא, יוצרים אינטראקציות נוספות המובילות למבנה התלת ממדי של חלבון, המוכר כמבנה השלישוני. יצירת מבנה שלישוני מתרחשת כתוצאה מאינטראקציות בין קבוצות R של חומצות האמינו.קבוצות R עם מטענים מנוגדים יכולות ליצור קשרים יוניים, וגופרית בשני ציסטינים יכולה ליצור גשר דיסולפיד קוולנטי. גורמים תורמים אחרים כוללים אינטראקציות הידרופוביות בין שרשראות בצד ההידרופובי וקשרי מימן בין שרשראות בצד המקוטב. בנוסף לכך, יש חלבונים היוצרים מבנים רבעוניים, חיבורים של שתי שרשראות פוליפפטיד או יותר.לדוגמה, המוגלובין הוא חלבון שנוצר מארבע תת יחידות, שני אלפא ושני ביתא. מדענים יכולים להשתמש במבנה של חלבון כדי לחזות את התפקוד שלו ואת מיקומו בתא. לחלבונים בציטופלזמה של התא יש חומצות אמינו הידרופיליות על פני השטח שלהם, היוצרות אינטראקציה עם המים בציטופלזמה והם בעלי ליבה היפדרופובית.לעומת זאת, לחלבונים הקיימים בקרומי התא לעיתים קרובות יש חומצות אמינו הידרופוביות על פני השטח, היוצרות אינטראקציות עם גליצרופוספוליפידים בקרום ובעלות ליבות הידרופיליות.

<ol>
	<li>נלסון, ד 'ל', וקוקס, מ. מ. (2008). עקרונות לנינגר בביוכימיה (מהדורה 5). ו.ה. פרימן. עמ' 113-140</li>
	<li>מבנה גבישי של המוגלובין T State עם חמצן קשור בכל ארבעת Haems.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J מול Biol 256: 775</li>
</ol>

חלבון ומבנה החלבון

<div style="direction:rtl">חלבונים הם אחת המולקולות האורגניות הנפוצות ביותר במערכות חיות ויש להן מגוון הפונקציות המגוון ביותר מבין כל המקרומולקולות. חלבונים עשויים להיות מבניים, מווסתים, מתכווצים או מגינים. הם עשויים לשמש בהובלה, אחסון או ממברנות; או שהם עשויים להיות רעלנים או אנזימים. המבנים שלהם, כמו הפונקציות שלהם, משתנים מאוד. עם זאת, כולם הם פולימרים של חומצות אמינו המסודרים ברצף ליניארי. צורת החלבון היא קריטית לתפקודו. לדוגמה, אנזים יכול לקשור מצע ספציפי באתר הפעיל שלו. אם האתר הפעיל הזה משתנה בגלל שינויים מקומיים או שינויים במבנה החלבון הכולל, ייתכן שהאנזים לא יוכל להיקשר למצע. כדי להבין כיצד החלבון מקבל את צורתו או הקונפורמציה הסופית שלו, עלינו להבין את ארבע הרמות של מבנה החלבון: ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני. מבנה ראשוני הרצף הייחודי של חומצות אמינו בשרשרת פוליפפטידים הוא המבנה העיקרי שלה. לדוגמה, להורמון הלבלב אינסולין יש שתי שרשראות פוליפפטידיות, A ו-B, והן מקושרות ביניהן על ידי קשרי דיסולפיד. חומצת האמינו של הקצה N של שרשרת A היא גליצין; ואילו חומצת האמינו של הקצה C היא אספרגין. רצפי חומצות האמינו בשרשרת A ו-B ייחודיים לאינסולין. הגן המקודד לחלבון קובע בסופו של דבר את הרצף הייחודי לכל חלבון. שינוי ברצף הנוקלאוטידים של אזור המקודד של הגן עלול להוביל להוספת חומצת אמינו שונה לשרשרת הפוליפפטיד הגדלה, ולגרום לשינוי במבנה ובתפקוד החלבון. באנמיה חרמשית, לשרשרת המוגלובין β יש תחליף חומצת אמינו יחיד, הגורם לשינוי במבנה ובתפקוד החלבון. באופן ספציפי, ולין בשרשרת β מחליף את חומצת האמינו חומצה גלוטמית. בגלל השינוי הזה של חומצת אמינו אחת בשרשרת, מולקולות ההמוגלובין יוצרות סיבים ארוכים המעוותים את תאי הדם האדומים הדו-קעורים, או דמויי הדיסק, וגורמים להם לקבל צורת סהר או "מגל", מה שסותם את כלי הדם. זה יכול להוביל לאינספור בעיות בריאותיות חמורות כגון קוצר נשימה, סחרחורת, כאבי ראש וכאבי בטן עבור אלה שנפגעו ממחלה זו. מבנה משני הקיפול המקומי של הפוליפפטיד באזורים מסוימים מוליד את המבנה המשני של החלבון. הנפוצים ביותר הם מבני הגיליון α-סליל ו-β-קפלים. שני המבנים מוחזקים על ידי קשרי מימן. קשרי המימן נוצרים בין אטום החמצן בקבוצת הקרבוניל בחומצת אמינו אחת לבין חומצת אמינו אחרת שנמצאת בארבע חומצות אמינו רחוקות יותר לאורך השרשרת. לכל סיבוב סליל בסליל אלפא יש 3.6 שיירי חומצות אמינו. קבוצות ה-R של הפוליפפטיד (קבוצות הווריאנטים) בולטות החוצה משרשרת סליל-α. ביריעת הקפלים β, קשר מימן בין אטומים על עמוד השדרה של שרשרת הפוליפפטיד יוצר את ה"קפלים". קבוצות ה-R מחוברות לפחמנים ומתרחבות מעל ומתחת לקפלי הקפל. מקטעי הקפלים מתיישרים במקביל או באנטי מקביל זה לזה, ונוצרים קשרי מימן בין אטום המימן החיובי בחלקו בקבוצת האמינו לבין אטום החמצן השלילי בחלקו בקבוצת הקרבוניל של עמוד השדרה הפפטיד. מבני α-סליל ו-β,-קפלים נמצאים ברוב החלבונים הכדוריים והסיביים, והם ממלאים תפקיד מבני חשוב. מבנה שלישוני המבנה התלת מימדי הייחודי של הפוליפפטיד הוא המבנה השלישוני שלו. מבנה זה נובע בחלקו מאינטראקציות כימיות הפועלות על שרשרת הפוליפפטיד. בעיקר, האינטראקציות בין קבוצות R יוצרות את המבנה השלישוני התלת מימדי המורכב של החלבון. אופי קבוצות R בחומצות האמינו המעורבות יכול לנטרל את יצירת קשרי המימן שתיארנו עבור מבנים משניים סטנדרטיים. לדוגמה, קבוצות R בעלות מטענים דומים דוחות זו את זו, ואלה עם מטענים לא דומים נמשכות זו לזו (קשרים יוניים). כאשר מתרחש קיפול חלבון, קבוצות ה-R ההידרופוביות של חומצות האמינו הלא-קוטביות נמצאות בחלק הפנימי של החלבון; ואילו קבוצות R ההידרופיליות שוכנות מבחוץ. אינטראקציות בין שרשראות צד של ציסטאין יוצרות קישורי דיסולפיד בנוכחות חמצן, הקשר הקוולנטי היחיד שנוצר במהלך קיפול חלבון. כל האינטראקציות הללו, חלשות וחזקות, קובעות את צורתו התלת מימדית הסופית של החלבון. כאשר חלבון מאבד את צורתו התלת מימדית, ייתכן שהוא כבר לא מתפקד. מבנה רבעוני בטבע, חלק מהחלבונים נוצרים ממספר פוליפפטידים, או תת-יחידות, והאינטראקציה של תת-יחידות אלו יוצרת את המבנה הרבעוני. אינטראקציות חלשות בין יחידות המשנה עוזרות לייצב את המבנה הכללי. לדוגמה, לאינסולין (חלבון כדורי) יש שילוב של קשרי מימן ודיסולפיד הגורמים לו להתגבש בעיקר לצורת כדור. האינסולין מתחיל כפוליפפטיד בודד ומאבד כמה רצפים פנימיים בנוכחות של שינוי שלאחר תרגום לאחר יצירת קשרי הדיסולפיד שמחזיקים את השרשראות הנותרות יחד. למשי (חלבון סיבי), לעומת זאת, יש מבנה יריעה קפלי β שהוא תוצאה של קשר מימן בין שרשראות שונות. טקסט זה מותאם מ<a href="https://openstax.org/books/biology-2e/pages/3-4-proteins">Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins</a>.</div>

חלבונים הם אחת המולקולות האורגניות הנפוצות ביותר במערכות חיות, ויש להם את טווח הפונקציות המגוון ביותר מכל המקרומולקולות. חלבונים עשויים ...

Education

JoVE Core

Chemistry

כימיה

אחד

Biochemistry

ביוכימיה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

Protein and Protein Structure

how protein shape controls function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence.

A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or larger changes in protein structure alter that site, the enzyme may no longer bind the substrate. To understand how a protein reaches its final conformation, it helps to study four levels of structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary.

Primary structure is the unique amino acid sequence of a polypeptide chain. In insulin, the pancreatic hormone, there are two polypeptide chains, A and B, held together by disulfide bonds. The A chain begins with glycine at the N terminus and ends with asparagine at the C terminus. The gene that encodes a protein determines this sequence, so a change in the coding region can add a different amino acid and change protein structure and function. Sickle cell anemia shows this clearly. In the hemoglobin beta chain, valine replaces glutamic acid, and that single change leads hemoglobin to form long fibers that distort red blood cells into a sickle shape and clog blood vessels. This can cause breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain.

Secondary structure comes from local folding in parts of the polypeptide chain. The most common forms are the alpha helix and the beta-pleated sheet. Hydrogen bonds hold both forms in place. These bonds form between the oxygen in a carbonyl group on one amino acid and another amino acid four positions farther along the chain. In an alpha helix, each turn contains 3.6 amino acid residues, and the R groups point outward. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonds form along the backbone to create pleats. The R groups extend above and below the folds, and the strands can align parallel or antiparallel. These structures are common in globular and fibrous proteins, where they provide support.

Tertiary structure is the full three-dimensional shape of one polypeptide. Interactions among R groups are the main force behind this folding. Like charges repel, unlike charges attract through ionic bonds, and hydrophobic R groups tend to move into the protein interior while hydrophilic R groups stay outside. Cysteine side chains can also form disulfide linkages in the presence of oxygen, and this is the only covalent bond formed during protein folding. Together, these weak and strong interactions set the final shape. If a protein loses that shape, it may no longer work.

Some proteins also form quaternary structure. This happens when several polypeptide subunits join together. Weak interactions between the subunits help stabilize the overall protein. Insulin is one example of a globular protein with hydrogen and disulfide bonds that help it form a mostly ball-like shape. It begins as a single polypeptide and then loses some internal sequences during post-translational modification after the disulfide linkages form and hold the remaining chains together. Silk is another example, but it is a fibrous protein with a beta-pleated sheet structure created by hydrogen bonding between different chains.

How Protein Shape Controls Function

functional groups

Functional Groups in Organic Chemistry

Functional groups in organic chemistry are groups of atoms that give molecules specific properties. When these groups attach to a carbon skeleton, they can change how the molecule behaves. Some functional groups make a molecule hydrophilic, or water-attracting. Others make it hydrophobic, or water-repelling. Functional groups are a key part of organic chemistry and are also found in major biological molecules. They appear in carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Each functional...

structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

Lipids are nonpolar molecules that do not mix well with water. They are hydrophobic, which means “water fearing,” because they contain mostly nonpolar carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds. In cells, lipids store long-term energy as fats, help insulate plants and animals, and form protective water-repellent layers on feathers and fur. They are also part of cell membranes and serve as building blocks for many hormones. Common lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids. A...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water and Macromolecules

Cell chemistry includes water, organic molecules, and inorganic ions. These materials shape how cells store energy, build structures, and carry out life processes. Most cellular chemistry and metabolism happen in the watery cytoplasm. Water is a key part of the cell because it has special properties tied to its polarity. In a water molecule, hydrogen and oxygen form polar covalent bonds, so the molecule has no net charge but does have a slightly positive end and a slightly negative end. Oxygen...

dna base pairing

Chargaff’s Rules and DNA Pairing

Chargaff’s rules and DNA base pairing explain how DNA strands match up. In double-stranded DNA, adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C). Chargaff also found that A equals T, G equals C, and the total amount of purines (A and G) equals the total amount of pyrimidines (C and T). Watson and Crick later showed why these matches matter. A forms two hydrogen bonds with T, while G forms three hydrogen bonds with C. These pairings keep the DNA double helix a...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates as Energy and Storage Molecules

Carbohydrates are important energy sources in human and animal diets. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates. They help provide energy to the body, especially through glucose, a simple sugar found in starch and many staple foods. Carbohydrates are identified by the stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule. This means the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is usually 1:2:1. The name carbohydrate comes from this pattern,...

protein and protein structure

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence. A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or...

amino acids

Amino Acids and Protein Building

Amino acids are the building blocks of proteins. Each amino acid has the same basic structure. A central carbon atom, called the alpha carbon, is bonded to an amino group, a carboxyl group, and a hydrogen atom. Each amino acid also has an R group, or side chain, attached to the central carbon. The R group is different for every amino acid. It helps determine whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar. Scientists call these molecules amino acids because they contain both amino...

peptide bonds

Peptide Bond Formation and Shape

Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

nucleic acids

DNA and RNA: Genetic Instructions

DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

dna replication

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence. Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA...

from dna to protein

The Genetic Code and Codons

The genetic code and codons explain how cells turn DNA information into proteins. Genes first direct the sequence of mRNA, and mRNA then directs the sequence of amino acids that make up proteins. Specific proteins and RNAs carry out this decoding. Cells copy DNA into mRNA so the original DNA stays protected while the cell uses the message for protein synthesis. Copying DNA to RNA is relatively simple. One nucleotide is added to the mRNA strand for every nucleotide read on the DNA strand.

polymers

Polymer Chains and How They Form

Polymers are long chains of molecules made from repeating units called monomers. The word polymer comes from the Greek words "poly," meaning many, and "mer," meaning parts. Polymers can be found in nature, such as DNA and proteins, or made synthetically, such as plastics. A polymer’s shape helps define its properties. Some polymers form linear chains, while others are branched or arranged in complex networks. Functional groups on a polymer also affect how it behaves. The repeating units in a...

key terms and concepts

Explore how amino acid sequence, folding, and subunit interactions shape proteins. Learn the four levels of protein structure with insulin and sickle cell examples.

How Protein Shape Controls Function | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

How Protein Shape Controls Function

Description

Transcript