Part IIELEMENTARY INTERACTIONSIN AN

Part II
ELEMENTARY INTERACTIONS
IN AND AROUND PROTEINS
LECTURE 2
Amino acids that build up polypeptide chains (Fig. 2.1) can have either the L or the D steric form.
The forms L and D are mirror-symmetric: the massive side residue side chain (R) and the H-atom, positioned at the “-carbon (C“) of the amino acid, exchange places in these forms (arrows show atoms projected into the plane):
Glycine (Gly), with only a hydrogen atom as a side chain, has no difference between the L- or D-form.
Protein chains are built up only from L-residues. Only these are gene-coded. D-residues (sometimes observed in peptides) are not encoded during matrix protein synthesis but synthesized by special enzymes. Spontaneous racemization (L ^ D transition) is not observed in proteins. It never occurs during biosynthesis but often accompanies chemical synthesis of peptides, and its elimination is highly laborious.
In the protein chain, amino acids are linked by peptide bonds between C- and N-atoms (Fig. 2.2).
In protein structure an important role is played by the planar rigid structure of the whole peptide unit:
Its planar character is provided by the so-called sp2-hybridization of electrons of the N- and C'-atoms. “Hybridization” of electron orbitals is a purely quantum effect. sp2-hybridization turns one spherical s-orbital and two “8-shaped” p-orbitals into three extended (from the nucleus) sp2-orbitals. These three orbitals involve the atom in three covalent bonds pertaining to one plane (-•

Kết quả (Việt) 1:

Part IIELEMENTARY INTERACTIONSIN AND AROUND PROTEINSLECTURE 2Amino acids that build up polypeptide chains (Fig. 2.1) can have either the L or the D steric form.The forms L and D are mirror-symmetric: the massive side residue side chain (R) and the H-atom, positioned at the “-carbon (C“) of the amino acid, exchange places in these forms (arrows show atoms projected into the plane):Glycine (Gly), with only a hydrogen atom as a side chain, has no difference between the L- or D-form.Protein chains are built up only from L-residues. Only these are gene-coded. D-residues (sometimes observed in peptides) are not encoded during matrix protein synthesis but synthesized by special enzymes. Spontaneous racemization (L ^ D transition) is not observed in proteins. It never occurs during biosynthesis but often accompanies chemical synthesis of peptides, and its elimination is highly laborious.In the protein chain, amino acids are linked by peptide bonds between C- and N-atoms (Fig. 2.2).In protein structure an important role is played by the planar rigid structure of the whole peptide unit:Its planar character is provided by the so-called sp2-hybridization of electrons of the N- and C'-atoms. “Hybridization” of electron orbitals is a purely quantum effect. sp2-hybridization turns one spherical s-orbital and two “8-shaped” p-orbitals into three extended (from the nucleus) sp2-orbitals. These three orbitals involve the atom in three covalent bonds pertaining to one plane (-•<). A covalent bond is created by a “delocalized” electron cloud covering the bound atoms.The peptide group is rigid owing to an additional bond formed by p-electrons from the N- and C'-atoms uninvolved in sp2-hybridization. These electrons of N-, C-, and O-atoms also bond and “delocalize”, thereby creating an electron cloud that envelops all these atoms (that is why the bonds C7—N and C=^O are drawn as equal “partial” double bonds, —). And since the “8-shaped” p-orbitals are perpendicular to theFigure 2.2. Diagram (adapted from [12]) show¬ing a polypeptide chain with a side group (Ser; “i” is its number in the chain). The peptide units are outlined. The main-chain angles of rotation (f, f, a) and that of the side chain (x') are pre¬sented. Arrows show the direction of rotation of the part of the chain closest to the viewer about its remote part that increases the rotation angle.plane of the sp2-orbitals (- •<), the additional covalent bond of these perpendicular p-orbitalsblocks the rotation around the C—N bond.I would like to remind you that chemical bonds are caused mainly by delocalization of electrons, their transition from one atom to another. This follows from Heisenberg’s principle of uncertainty:Here Ap is the uncertainty in impulse of the particle, Ax is the uncertainty in its coordinate, and h = h/2n, where h is Planck’s constant. Since the direction of electron movement within the atom is unpredictable, Ap ^p = mv, where v is the velocity and m is the mass of the particle. Hence,Hence, owing to the delocalization, the energy of the particle decreases with increas¬ing Ax, and thereby the particle adopts a more stable state. As seen, light particles (electrons) are those mostly affected. This is how electron delocalization causes chemical bonding.The length of a chemical bond is close to the van der Waals radius of atoms, i.e., it amounts to 1-2 A (to be more exact, it is 1A for C—H, N—H and O—H bonds, about 1.2-1.3 A for C==O, C=O, C—N and C==C, 1.5 A for C—C and about 1.8 A forS—S).Typical values of covalent angles are approximately 120° and 109°. The former are at sp2-hybridized atoms like—C<, —N<, where three covalent bonds are directed from the center to the apexes of a planar triangle, and the latter are at sp3-hybridized atoms, like >C“<, where four bonds are directed from the center to the apexes of a tetrahedron, as well as at O< or S< atoms having two bonds each.Now let us consider typical values of vibrations, i.e., thermal vibrations of covalent bonds and angles. These can contribute to the flexibility of the protein chain.Vibrational frequencies manifest themselves in the infrared (IR) spectra of pro-teins. Typical frequencies are as follows: v ~ 7 x 1013 s-1 for vibrations of the H atom (for example, in the bond C—H; the corresponding IR light wavelength X = c/v ~ 5 ^m, where c is the speed of light, 300 000 km s-1). For vibrations of “heavy” atoms and groups (for example, in the bond CH3—CH3), v ~ 2 x 1013 s-1 (then X = c/v ~ 15 ^m).Are these vibrations excited at room temperature?To answer this question, we have to compare heat energy per degree of freedom (“heat quantum”, kT) with vibration energy. Let us estimate kT at “normal” tem-perature. Here, T is absolute temperature in Kelvin (T = 300 K at 27 °C, i.e., at about “room” temperature; K denotes Kelvin), and k (sometimes written as kB) is the Boltzmann constant (equal to « 2 cal mol-1 K, or 0.33 x 10-23 cal K-1 per particle, since one mole contains 6 x 1023 particles). Hence, at room temperature the “heat quantum” kT = 600 cal mol-1, or (600cal)/(6 x 1023 particles), i.e., 10-21 calories per particle.The frequency vT corresponding to this heat quantum can be derived from the well- known equation kT = hvT (where Planck’s constant h = 2nh = 6.6 x 10-34 Js = 1.6 x 10-34 cal s; let me remind you that 1 calorie is equal to 4.2 joules (J)]. So, the characteristic frequency of thermal motions, vT, is equal to 7 x 1012 s-1 at T = 300 K, i.e., at 27 °C.The “heat quantum” cannot induce vibrations with a higher frequency than its own.Thus, at room temperature, covalent bonds are “hard” and do not vibrate: their vibrational frequency v ~ 2 x 1013-7 x 1013 s-1, i.e., an order of magnitude higher than vT = 7 x 1012 s-1.However, vibrations of covalent bonds can be induced by infrared light; this under¬lies the IR spectroscopy of proteins. It is IR spectroscopy that provides information about the vibrations of atoms, covalent bonds and covalent angles. The properties of these vibrations are first derived from experiments on small molecules and then used for protein investigations.Covalent angles are less rigid than bond lengths, and therefore, they vibrate at room temperature; their vibrational frequency ranges from 1012 to 1013 s-1. However, their typical amplitude amounts only to 5°.Thus, covalent bond vibrations do not contribute to the flexibility of protein chain, and the contribution of vibrations of covalent angles is minor.Figure 2.5. Typical potential of rotation around a peptide bond between two sp2-hybridized atoms (O and N); p-orbital-bonding at 0° (or 180°) is shown in yellow on the right. For all (except pre-proline) peptide bonds, their energy (red curve) is higher at 0° than at 180° owing to the repulsion between massive C“-atoms at 0°. This difference in energy is small for the peptide bond preceding Pro (blue curve): Pro has not one but two C-atoms bonded to the N-atom. See below for the text and the figure illustrating the structural formula of proline.Figure 2.4. Typical potential of rotation around a single bond between two sp3-hybridized atoms: around H3C—CH3 (red curve) and CH2C—CH2C (blue curve). The major ener¬getic effect results from repulsion of electron clouds that is at a maximum in the “shaded” conformations (at 0°, 120° and 240°) and at a minimum in the “crossed” ones (at 60°, 180° and 300°). Repulsion of small H-atoms is negligible. However, repulsion of heavy C-atoms sur¬rounded by large electron clouds occurring around 0° (in the chain C—C—C—C) yields an additional energetic effect that distinguishes rotation around the (C—CH2)— (CH2—C) bond from that around the H3C—CH3 bond. For comparison, $ shows the magnitude of kT.
around H3C—CH3 amount to about 3kcalmol-1, and the typical range of thermal fluctuations about these minimums (i.e., deviations accompanied by energy increasing by kT) is 15-20°.
When more massive atoms are sp3-bonded instead of some H atoms, repulsion of these contributes to the barrier in the region where they become too close to one another. This is exemplified (see Fig. 2.4) by the rotation around the central bond in (C—CH2)— (CH2—C).
Figure 2.5 illustrates the typical variation of energy in the case of rotation around a peptide bond between two sp2-hybridized atoms (C7 and N). The angle of rotation
around this bond is denoted as m (Fig. 2.2). The potential is double (i.e., it has two maximums and two minimums within 360°) in accordance with the symmetry of rotation about the sp2— sp2 bond. The potential barriers are high owing to the involvement of additional p-electrons in the peptide bond (as discussed at the begin¬ning of this lecture). The potential minimums are at 0° and 180° (where the p-orbitals pulling together C7 and N atoms are at their closest), and its maximums are at 90° and 270° (where these p-orbitals are farthest apart and, hence, least connected with one another). High barriers mean that the typical range of thermal fluctuations of the angle of rotation around such bonds is small (5-10°).
It is noteworthy that repulsion of massive C“-atoms makes the cis conformation (m = 0°) rather unfavorable energetically; therefore, in proteins, almost all peptide groups are in the trans conformation (m = 180°).
An exception is the proline-preceding peptide bond. Pro is an imino but not an amino acid: its N atom has not two but three similar massive radicals (C7—,—C“HC2 and —CH2C, see Fig. 2.1), and therefore its trans conformation has only minor advantage as compared with the cis one.

In both globular and unfolded (i.e., fluctuating, lacking a fixed structure) peptides there are about 90% of trans and 10% of cis prolines. I would like to draw your atten-tion to this regularity - the more favorable some detail is in itself (individually), the more frequently this detail occurs in proteins. We will see it many times to come.
Las

Kết quả (Việt) 2:

Phần II
ELEMENTARY TƯƠNG TÁC
TRONG VÀ XUNG QUANH các protein
BÀI 2
(. Hình 2.1) axit amin mà xây dựng lên chuỗi polypeptide có thể có hoặc L hoặc các hình thức D steric.
Các hình thức L và D là gương đối xứng: các chuỗi bên phía dư lượng lớn ( R) và H-nguyên tử, vị trí ở "-carbon (C") của các axit amin, nơi trao đổi trong các hình thức (mũi tên thể hiện các nguyên tử phóng chiếu vào máy bay):
Glycine (Gly), với chỉ một nguyên tử hydro như một chuỗi bên, không có sự khác biệt giữa các L- hoặc D-form.
chuỗi Protein được xây dựng chỉ chiếm từ L-dư lượng. Chỉ là những gen mã hóa. D-cặn bã (đôi khi quan sát thấy trong các peptide) không được mã hóa trong quá trình tổng hợp protein matrix nhưng tổng hợp bằng enzyme đặc biệt. Raxemic hóa tự phát (L ^ D chuyển đổi) là không quan sát thấy trong các protein. Nó không bao giờ xảy ra trong quá trình sinh tổng hợp nhưng thường đi kèm với sự tổng hợp hóa học của peptide, và loại bỏ nó là rất mất thời gian.
Trong chuỗi protein, axit amin có liên kết peptide giữa C và N-nguyên tử (Hình. 2.2).
Trong cấu trúc protein của một quan trọng vai trò được chơi bởi các cấu trúc cứng nhắc phẳng của các đơn vị toàn peptide:
nhân vật phẳng của nó được cung cấp bởi cái gọi là sp2-lai tạo các electron của N-và C'-nguyên tử. "Lai" của các quỹ đạo electron là một hiệu ứng lượng tử hoàn toàn. sp2-lai quay một s-quỹ đạo hình cầu và hai "8 chữ" p-orbital thành ba kéo dài (từ nhân) sp2-quỹ đạo. Ba quỹ đạo liên quan đến các nguyên tử trong ba liên kết cộng hóa trị liên quan đến một mặt phẳng (- • <). Một liên kết hóa trị được tạo ra bởi một đám mây điện tử "delocalized" bao gồm các nguyên tử bị ràng buộc.
Các nhóm peptide là cứng nhắc do một trái phiếu bổ sung hình thành bởi p-electron từ N-và C'-nguyên tử không liên quan trong sp2-lai. Những electron của N, C, và O-nguyên tử cũng trái phiếu và "delocalize", do đó tạo ra một đám mây electron bao trùm tất cả các nguyên tử (đó là lý do tại sao các trái phiếu C7-N và C = ^ O được rút ra là bình đẳng "một phần "kết đôi, -). Và kể từ khi "8 chữ" p-orbital vuông góc với
hình 2.2. Diagram (chuyển thể từ [12]) show¬ing một chuỗi polypeptide với một nhóm phụ (Ser; "i" là số của nó trong chuỗi). Các đơn vị peptide được vạch ra. Các góc độ chính chuỗi quay (f, f, a) và của các chuỗi bên (x ') được pre¬sented. Mũi tên thể hiện hướng quay của các phần của chuỗi gần người xem về một phần từ xa của nó làm tăng góc quay.
Mặt phẳng của sp2-orbital (- • <), các liên kết hóa trị bổ sung của các p-orbital vuông góc với
khối xoay quanh trái phiếu C-N.
Tôi muốn nhắc nhở bạn rằng liên kết hóa học gây ra chủ yếu bởi delocalization của electron, quá trình chuyển đổi từ một nguyên tử khác. Điều này sau từ nguyên lí bất định Heisenberg:
Đây Ấp là sự không chắc chắn trong xung lượng của hạt, Ax là sự không chắc chắn trong phối hợp, và h = h của nó / 2n, trong đó h là hằng số Planck. Kể từ khi hướng chuyển động electron trong nguyên tử là không thể đoán trước, Ấp ^ p = mv, trong đó v là vận tốc và m là khối lượng của hạt. Do đó,
do đó, nhờ vào sự delocalization, năng lượng của các hạt giảm theo increas¬ing Ax, và do đó các hạt thông qua một trạng thái ổn định hơn. Như đã thấy, các hạt ánh sáng (electron) là những người chủ yếu bị ảnh hưởng. Đây là cách electron delocalization gây ra liên kết hóa học.
Chiều dài của một liên kết hóa học là gần với van der Waals bán kính nguyên tử, tức là, nó lên tới 1-2 A (chính xác hơn, nó là 1A cho C-H, N -H và O-H trái phiếu, khoảng 1,2-1,3 A cho C == O, C = O, C-N và C == C, 1,5 A cho C-C và khoảng 1,8 A FORs-S).
Giá trị tiêu biểu của góc độ kết đồng hóa trị khoảng 120 ° và 109 °. Các cựu đang ở nguyên tử sp2-lai như-C <, -N <, nơi ba liên kết cộng hóa trị được chỉ đạo từ trung ương đến các đỉnh của một tam giác phẳng, và sau này là ở nguyên tử sp3-lai, như> C "<, nơi bốn trái phiếu được chỉ đạo từ trung ương đến các đỉnh của một tứ diện, cũng như tại O <hoặc S <nguyên tử có hai liên kết mỗi.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét giá trị đặc trưng của dao động, tức là, dao động nhiệt của các liên kết hóa trị và góc độ. Đây có thể đóng góp vào sự linh hoạt của các chuỗi protein.
Tần số dao động tự biểu hiện trong vùng hồng ngoại (IR) phổ của pro-teins. Tần số điển hình như sau: v ~ 7 x 1013 s-1 cho các dao động của nguyên tử H (ví dụ, trong các trái phiếu C-H, ánh sáng hồng ngoại tương ứng với bước sóng X = c / v ~ 5 ^ m, trong đó c là tốc độ của ánh sáng, 300 000 km s-1). Đối với những rung động của các nguyên tử và các nhóm "nặng" (ví dụ, trong các trái phiếu CH3-CH3), v ~ 2 x 1013 s-1 (sau đó X = c / v ~ 15 ^ m).
Là những rung động kích thích ở nhiệt độ phòng?
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải so sánh năng lượng nhiệt trên mỗi mức độ tự do ("lượng tử nhiệt", kT) với năng lượng rung động. Hãy để chúng tôi ước tính kT tại "bình thường" tem-perature. Ở đây, T là nhiệt độ tuyệt đối trong Kelvin (T = 300 K ở 27 ° C, tức là ở về "room" nhiệt độ; K biểu thị Kelvin), và k (đôi khi được viết như kB) là hằng số Boltzmann (bằng «2 cal mol-1 K, hoặc 0,33 x 10-23 cal K-1 mỗi hạt, vì một nốt ruồi chứa 6 x 1023 hạt). Do đó, ở nhiệt độ phòng "lượng tử nhiệt" kT = 600 cal mol-1, hoặc (600cal) / (6 x 1023 hạt), tức là, 10-21 calo mỗi hạt.
Các vT tần số tương ứng với lượng tử nhiệt này có thể được bắt nguồn từ hiệu nổi tiếng phương trình kT = HVT (nơi hằng số Planck h = 2nh = 6,6 x 10-34 Js = 1,6 x 10-34 cal s;. hãy để tôi nhắc nhở bạn rằng 1 calorie bằng 4,2 joules (J)] Vì vậy, , các đặc tính tần số của chuyển động nhiệt, vT, bằng 7 x 1012 s-1 tại T = 300 K, tức là ở 27 ° C.
Các "lượng tử nhiệt" không có thể gây ra rung động với một tần số cao hơn của riêng mình.
Vì vậy, ở nhiệt độ phòng, liên kết hóa trị là "cứng" và không rung:. tần số rung động của họ v ~ 2 x 1013-7 x 1013 s-1, tức là, một đơn đặt hàng của các cường độ cao hơn so với vT = 7 x 1012 s-1
Tuy nhiên, rung động của liên kết hóa trị có thể được gây ra bởi ánh sáng hồng ngoại, điều này under¬lies các phổ IR của protein Nó là phổ IR cung cấp thông tin về sự rung động của các nguyên tử, liên kết hóa trị và góc kết cộng hóa trị Các tính chất của những rung động đầu tiên được bắt nguồn từ các thí nghiệm.. . trên các phân tử nhỏ và sau đó được sử dụng để điều tra protein
góc kết hóa trị ít cứng nhắc hơn so với độ dài trái phiếu, và do đó, chúng rung ở nhiệt độ phòng; tần số rung động của họ trong khoảng 1012-1013 s-1. Tuy nhiên, số lượng biên độ điển hình của họ chỉ để 5 °.
Như vậy, rung động liên kết hóa trị không đóng góp vào sự linh hoạt của các chuỗi protein, và sự đóng góp của các rung động của các góc kết cộng hóa trị là nhỏ.
Hình 2.5. Tiềm năng tiêu biểu của vòng quay xung quanh một peptit giữa hai nguyên tử sp2-lai (O và N); p-orbital-liên kết ở 0 ° (hay 180 °) được thể hiện trong màu vàng bên phải. Đối với tất cả (trừ pre-proline) trái phiếu peptide, năng lượng (đường cong màu đỏ) là cao hơn ở 0 ° hơn ở 180 ° do sự đẩy giữa khổng lồ C "-atoms ở 0 °. Sự khác biệt trong năng lượng này là nhỏ đối với các trái phiếu peptide trước Pro (đường cong màu xanh): Pro không chỉ một mà hai nguyên tử C liên kết với các nguyên tử N. Xem dưới đây cho chữ và hình minh họa các công thức cấu tạo của proline.
Hình 2.4. Tiềm năng tiêu biểu của vòng quay xung quanh một liên kết đơn giữa hai nguyên tử sp3-lai: khoảng H3C-CH3 (đường cong màu đỏ) và CH2C-CH2C (đường cong màu xanh). Những kết quả chính ener¬getic hiệu lực từ lực đẩy của đám mây electron được là lớn nhất trong "bóng mờ" conformations (0 °, 120 ° và 240 °) và ở mức tối thiểu trong "vượt qua" những người thân (ở 60 °, 180 ° và 300 °). Lực đẩy của nhỏ H-nguyên tử là không đáng kể. Tuy nhiên, lực đẩy của các nguyên tử nặng C-sur¬rounded bởi các đám mây electron lớn xảy ra khoảng 0 ° (trong chuỗi C-C-C-C) mang lại một hiệu quả năng lượng bổ sung mà phân biệt xoay quanh (C-CH 2) - (CH2- C) trái phiếu từ đó xung quanh trái phiếu H3C-CH3. Để so sánh, $ cho thấy tầm quan trọng của KT.
Xung quanh số tiền H3C-CH3 để về 3kcalmol-1, và phạm vi điển hình của sự biến động nhiệt về những mức tối thiểu (tức là độ lệch đi kèm với năng lượng tăng kT) là 15-20 °.
Khi có nhiều nguyên tử khổng lồ là sp3-ngoại quan thay vì một số nguyên tử H, lực đẩy của những góp phần vào việc rào cản trong khu vực nơi chúng trở nên quá gần nhau. Điều này được minh hoạ (xem hình 2.4.) Bởi sự quay xung quanh trái phiếu trung ương (C-CH 2) -. (CH2-C)
Hình 2.5 minh họa sự thay đổi điển hình của năng lượng trong trường hợp xoay quanh một peptit giữa hai sp2- nguyên tử lai tạp (C7 và N). Các góc quay
xung quanh trái phiếu này được ký hiệu là m (Hình. 2.2). Tiềm năng là tăng gấp đôi (tức là, nó có hai hạn tối đa và tối thiểu hai trong vòng 360 °) phù hợp với các đối xứng quay về trái phiếu sp2 sp2-. Các rào cản tiềm năng đang cao do sự tham gia của phụ p-electron trong liên kết peptide (như đã thảo luận ở begin¬ning bài giảng này). Minimums tiềm năng đang ở 0 ° và 180 ° (nơi các p-orbital kéo nhau C7 và N nguyên tử đang ở gần nhất của họ), và lớn nhất của nó là ở 90 ° và 270 ° (nơi các p-orbital ở xa nhau, và do đó , ít nhất là kết nối với nhau). Hàng rào cao có nghĩa là phạm vi điển hình của sự biến động nhiệt của các góc quay xung quanh trái phiếu như vậy là nhỏ (5-10 °).
Đáng chú ý là lực đẩy của C lớn "-atoms làm cho các cấu cis (m = 0 °) chứ không thuận lợi hăng hái; do đó, trong protein, gần như tất cả các nhóm peptide là trong cấu trans (m = 180 °).
Một ngoại lệ là các peptit proline-trước. Pro là một imino nhưng không phải là một axit amin: nguyên tử N của nó có phải là hai mà là ba gốc lớn tương tự (C7 -, - C "HC2 và -CH2C, xem hình 2.1.), Và do đó cấu trans của mình có lợi thế duy nhất nhỏ so với một cis. Trong cả hai hình cầu và mở ra (tức là, dao động, thiếu một cấu trúc cố định) peptide có khoảng 90% của trans và 10% của prolines cis. Tôi muốn vẽ atten-tion của bạn đều đặn này - một số chi tiết thuận lợi hơn là bản thân nó (cá nhân), thường xuyên hơn các chi tiết này xảy ra trong các protein. Chúng ta sẽ thấy nó nhiều lần tới. Las