Первичная структура белка: аминокислотная последовательность.

Введение

Линейная последовательность аминокислот в пептиде или белке.

Первичная структура белка представляет собой линейную последовательность аминокислот в пептиде или белке. По соглашению, первичная структура белка описывается, начиная с аминотерминального (N) конца и заканчивая карбоксильным (C) концом. Биосинтез белков чаще всего осуществляется рибосомами в клетках. Пептиды также могут быть синтезированы в лабораторных условиях. Первичную структуру белка можно непосредственно секвенировать или определить на основе последовательностей ДНК.

Биологические

Аминокислоты полимеризуются посредством пептидных связей, образуя длинную цепь, от которой отходят различные боковые цепи аминокислот. В биологических системах белки образуются в процессе трансляции рибосомами клетки. Некоторые организмы также способны синтезировать короткие пептиды нерибосомальным пептидным синтезом, который часто использует аминокислоты, отличные от стандартного набора из 20, и может приводить к образованию циклических, модифицированных и сшитых пептидов.

Химические

Пептиды могут быть синтезированы химически с использованием различных лабораторных методов. Химические методы обычно синтезируют пептиды в обратном порядке (начиная с C-конца) по сравнению с биологическим синтезом белков (начиная с N-конца).

История

Предложение о том, что белки представляют собой линейные цепи α-аминокислот, было высказано почти одновременно двумя учеными на одной и той же конференции в 1902 году – на 74-м собрании Общества немецких ученых и врачей, проходившем в Карлсбаде. Франц Хофмайстер представил это предложение утром, основываясь на своих наблюдениях за биуретовой реакцией в белках. Через несколько часов его поддержал Эмиль Фишер, накопивший обширные химические данные в поддержку модели пептидной связи. Для полноты следует отметить, что предположение о том, что белки содержат амидные связи, было выдвинуто еще в 1882 году французским химиком Э. Гримо. Несмотря на эти данные и последующие доказательства того, что белки, подвергшиеся протеолитическому расщеплению, дают только олигопептиды, идея о том, что белки являются линейными, неразветвленными полимерами аминокислот, не была сразу принята. Некоторые авторитетные ученые, такие как Уильям Астбери, сомневались, что ковалентные связи достаточно прочны, чтобы удерживать вместе столь длинные молекулы; они опасались, что термическое движение разрушит такие протяженные структуры. Герман Штаудингер столкнулся с аналогичным скептицизмом в 1920-х годах, когда утверждал, что резина состоит из макромолекул. В результате возникло несколько альтернативных гипотез. Коллоидная гипотеза о белках утверждала, что белки представляют собой коллоидные агрегаты более мелких молекул. Эта гипотеза была опровергнута в 1920-х годах благодаря ультрацентрифужным измерениям Теодора Сведберга, показавшим, что белки имеют четко определенную и воспроизводимую молекулярную массу, и электрофоретическим измерениям Арне Тизелиуса, продемонстрировавшим, что белки являются отдельными молекулами. Другая гипотеза, циклольная гипотеза, предложенная Дороти Ринч, предполагала, что линейный полипептид подвергается химической циклольной перегруппировке C=O + HN C(OH)N, которая сшивает амидные группы его основной цепи, формируя двумерную структуру, подобную ткани. Различными исследователями были предложены и другие модели первичной структуры белков, такие как дикетопиперазиновая модель Эмиля Абдерхальдена и пиррол/пиперидиновая модель Тронсегаарда в 1942 году. Хотя этим альтернативным моделям не было уделено особого внимания, они были окончательно опровергнуты, когда Фредерику Сэнгеру удалось секвенировать инсулин, а Максу Перуцу и Джону Кендрю удалось определить кристаллическую структуру миоглобина и гемоглобина.

The proposal that proteins were linear chains of α amino acids was made nearly simultaneously by two scientists at the same conference in 1902, the 74th meeting of the Society of German Scientists and Physicians, held in Karlsbad. Franz Hofmeister made the proposal in the morning, based on his observations of the biuret reaction in proteins. Hofmeister was followed a few hours later by Emil Fischer, who had amassed a wealth of chemical details supporting the peptide bond model. For completeness, the proposal that proteins contained amide linkages was made as early as 1882 by the French chemist E. Grimaux. Despite these data and later evidence that proteolytically digested proteins yielded only oligopeptides, the idea that proteins were linear, unbranched polymers of amino acids was not accepted immediately. Some well respected scientists such as William Astbury doubted that covalent bonds were strong enough to hold such long molecules together; they feared that thermal agitations would shake such long molecules asunder. Hermann Staudinger faced similar prejudices in the 1920s when he argued that rubber was composed of macromolecules. Thus, several alternative hypotheses arose. The colloidal protein hypothesis stated that proteins were colloidal assemblies of smaller molecules. This hypothesis was disproved in the 1920s by ultracentrifugation measurements by Theodor Svedberg that showed that proteins had a well defined, reproducible molecular weight and by electrophoretic measurements by Arne Tiselius that indicated that proteins were single molecules. A second hypothesis, the cyclol hypothesis advanced by Dorothy Wrinch, proposed that the linear polypeptide underwent a chemical cyclol rearrangement C=O + HN C(OH) N that crosslinked its backbone amide groups, forming a two dimensional fabric. Other primary structures of proteins were proposed by various researchers, such as the diketopiperazine model of Emil Abderhalden and the pyrrol/piperidine model of Troensegaard in 1942. Although never given much credence, these alternative models were finally disproved when Frederick Sanger successfully sequenced insulin and by the crystallographic determination of myoglobin and hemoglobin by Max Perutz and John Kendrew.

Первичная структура в других молекулах

Любой линейный гетерополимер можно назвать обладающим "первичной структурой" по аналогии с использованием этого термина для белков, однако такое употребление встречается редко по сравнению с его чрезвычайно широким использованием применительно к белкам. В РНК, которая также обладает развитой вторичной структурой, линейную цепь оснований обычно называют просто "последовательностью", как и в ДНК (которая обычно формирует линейную двойную спираль с незначительной вторичной структурой). Другие биологические полимеры, такие как полисахариды, также можно рассматривать как имеющие первичную структуру, хотя это не является общепринятой практикой.

Отношение к вторичной и третичной структурам

Первичная структура биологического полимера в значительной степени определяет его трехмерную форму (третичную структуру). Последовательность аминокислот белка может быть использована для предсказания локальных характеристик, таких как сегменты вторичной структуры или трансмембранные области. Однако сложность сворачивания белка в настоящее время не позволяет предсказать третичную структуру белка, основываясь только на его последовательности. Знание структуры сходной гомологичной последовательности (например, члена того же семейства белков) позволяет с высокой точностью предсказать третичную структуру методом гомологического моделирования. Если доступна последовательность белка полной длины, можно оценить его общие биофизические свойства, такие как изоэлектрическая точка. Семейства последовательностей часто определяются методом кластеризации последовательностей, а проекты структурной геномики направлены на создание набора репрезентативных структур для охвата пространства последовательностей возможных нередунантных последовательностей.