Den tertiære strukturen til et protein er måten en polypeptidkjede er foldet i tredimensjon alt rom. Denne konformasjonen oppstår på grunn av dannelsen av kjemiske bindinger mellom aminosyreradikaler fjernt fra hverandre. Denne prosessen utføres med deltakelse av cellens molekylære mekanismer og spiller en stor rolle i å gi proteiner funksjonell aktivitet.
Funksjoner ved tertiærstrukturen
Følgende typer kjemiske interaksjoner er karakteristiske for den tertiære strukturen til proteiner:
- ionisk;
- hydrogen;
- hydrofobisk;
- van der Waals;
- disulfid.
Alle disse bindingene (bortsett fra det kovalente disulfidet) er imidlertid svært svake på grunn av hvor mye de stabiliserer den romlige formen til molekylet.
Faktisk er det tredje nivået av folding av polypeptidkjeder en kombinasjon av ulike elementer i den sekundære strukturen (α-helikser; β-foldede lag ogloops), som er orientert i rommet på grunn av kjemiske interaksjoner mellom sideaminosyreradikaler. For å skjematisk indikere den tertiære strukturen til et protein, er α-helikser indikert med sylindre eller spirallinjer, foldede lag med piler og løkker med enkle linjer.
Naturen til den tertiære konformasjonen bestemmes av sekvensen av aminosyrer i kjeden, så to molekyler med samme primærstruktur under like forhold vil tilsvare samme variant av romlig pakking. Denne konformasjonen sikrer den funksjonelle aktiviteten til proteinet og kalles naturlig.
Under foldingen av proteinmolekylet kommer komponentene i det aktive senteret nærmere hverandre, som i primærstrukturen kan fjernes betydelig fra hverandre.
For enkelttrådede proteiner er den tertiære strukturen den endelige funksjonelle formen. Komplekse multi-underenhetsproteiner danner en kvaternær struktur som karakteriserer arrangementet av flere kjeder i forhold til hverandre.
Karakterisering av kjemiske bindinger i tertiærstrukturen til et protein
I stor grad skyldes foldingen av polypeptidkjeden forholdet mellom hydrofile og hydrofobe radikaler. Førstnevnte har en tendens til å samhandle med hydrogen (et bestanddel av vann) og er derfor på overflaten, mens hydrofobe områder tvert imot skynder seg til sentrum av molekylet. Denne konformasjonen er energimessig den mest gunstige. PÅresultatet er en kule med en hydrofob kjerne.
Hydrofile radikaler, som likevel faller inn i sentrum av molekylet, samhandler med hverandre for å danne ion- eller hydrogenbindinger. Ionebindinger kan oppstå mellom motsatt ladede aminosyreradikaler, som er:
- kationiske grupper av arginin, lysin eller histidin (har positiv ladning);
- Karboksylgrupper av glutamin- og asparaginsyreradikaler (har negativ ladning).
Hydrogenbindinger dannes ved interaksjon mellom uladede (OH, SH, CONH2) og ladede hydrofile grupper. Kovalente bindinger (de sterkeste i den tertiære konformasjonen) oppstår mellom SH-gruppene av cysteinrester, og danner de såk alte disulfidbroene. Vanligvis er disse gruppene adskilt i en lineær kjede og nærmer seg hverandre kun under stableprosessen. Disulfidbindinger er ikke karakteristiske for de fleste intracellulære proteiner.
Konformasjonslabilitet
Siden bindingene som danner tertiærstrukturen til et protein er veldig svake, kan den brownske bevegelsen til atomer i en aminosyrekjede føre til at de brytes og dannes på nye steder. Dette fører til en liten endring i den romlige formen til individuelle seksjoner av molekylet, men bryter ikke med den opprinnelige konformasjonen til proteinet. Dette fenomenet kalles konformasjonslabilitet. Sistnevnte spiller en stor rolle i fysiologien til cellulære prosesser.
Proteinkonformasjon påvirkes av dens interaksjoner med andremolekyler eller endringer i mediets fysiske og kjemiske parametere.
Hvordan den tertiære strukturen til et protein dannes
Prosessen med å brette et protein til dets opprinnelige form kalles folding. Dette fenomenet er basert på ønsket til molekylet om å adoptere en konformasjon med en minimumsverdi av fri energi.
Ingen protein trenger mellomlærere som bestemmer tertiærstrukturen. Leggemønsteret er i utgangspunktet "registrert" i sekvensen av aminosyrer.
Men under normale forhold vil det ta mer enn en billion år for at et stort proteinmolekyl skal få en naturlig konformasjon som tilsvarer den primære strukturen. Likevel, i en levende celle, varer denne prosessen bare noen få titalls minutter. En slik betydelig reduksjon i tid er gitt av deltakelsen i folding av spesialiserte hjelpeproteiner - foldaser og chaperones.
Brettingen av små proteinmolekyler (opptil 100 aminosyrer i en kjede) skjer ganske raskt og uten deltagelse av mellomledd, noe som ble vist ved in vitro-eksperimenter.
Foldingsfaktorer
Hjelpeproteiner involvert i folding er delt inn i to grupper:
- foldaser - har katalytisk aktivitet, kreves i en mengde som er betydelig lavere enn konsentrasjonen av substratet (som andre enzymer);
- chaperones - proteiner med en rekke virkningsmekanismer, nødvendig i en konsentrasjon som kan sammenlignes med mengden foldet substrat.
Begge typer faktorer deltar i folding, men er ikke inkludert isluttprodukt.
Gruppen av foldaser er representert av 2 enzymer:
- Protein disulfide isomerase (PDI) - kontrollerer riktig dannelse av disulfidbindinger i proteiner med et stort antall cysteinrester. Denne funksjonen er veldig viktig, siden kovalente interaksjoner er veldig sterke, og i tilfelle feilkoblinger vil proteinet ikke være i stand til å omorganisere seg selv og få en naturlig konformasjon.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - gir en endring i konfigurasjonen av radikaler lokalisert på sidene av prolin, noe som endrer arten av bøyningen av polypeptidkjeden i dette området.
Foldaser spiller således en korrigerende rolle i dannelsen av den tertiære konformasjonen av proteinmolekylet.
Chaperones
Chaperones kalles ellers varmesjokk eller stressproteiner. Dette skyldes en betydelig økning i deres sekresjon under negative effekter på cellen (temperatur, stråling, tungmetaller, etc.).
Chaperones tilhører tre proteinfamilier: hsp60, hsp70 og hsp90. Disse proteinene utfører mange funksjoner, inkludert:
- Beskyttelse av proteiner mot denaturering;
- ekskludering av interaksjonen mellom nysyntetiserte proteiner med hverandre;
- hindre dannelsen av ukorrekte svake bånd mellom radikaler og deres labialisering (korreksjon).
Dermed bidrar chaperones til rask tilegnelse av den energisk riktige konformasjonen, ekskluderer tilfeldig oppregning av mange alternativer og beskytter som ennå ikke er modneproteinmolekyler fra unødvendig interaksjon med hverandre. I tillegg gir ledsagere:
- noen typer proteintransport;
- refolding-kontroll (gjenoppretting av tertiærstrukturen etter tap);
- opprettholde en uferdig brettetilstand (for noen proteiner).
I sistnevnte tilfelle forblir chaperone-molekylet bundet til proteinet på slutten av foldeprosessen.
Denaturering
Brudd på den tertiære strukturen til et protein under påvirkning av noen faktorer kalles denaturering. Tapet av den native konformasjonen oppstår når et stort antall svake bindinger som stabiliserer molekylet brytes. I dette tilfellet mister proteinet sin spesifikke funksjon, men beholder sin primære struktur (peptidbindinger blir ikke ødelagt under denaturering).
Under denaturering skjer det en romlig økning i proteinmolekylet, og hydrofobe områder kommer igjen til overflaten. Polypeptidkjeden får konformasjonen av en tilfeldig spiral, hvis form avhenger av hvilke bindinger av proteinets tertiære struktur som er brutt. I denne formen er molekylet mer mottakelig for effekten av proteolytiske enzymer.
Faktorer som bryter med tertiærstrukturen
Det er en rekke fysiske og kjemiske påvirkninger som kan forårsake denaturering. Disse inkluderer:
- temperatur over 50 grader;
- stråling;
- endring av pH i mediet;
- tungmetalls alter;
- noen organiske forbindelser;
- vaskemidler.
Etter at den denaturerende effekten er avsluttet, kan proteinet gjenopprette tertiærstrukturen. Denne prosessen kalles renaturering eller refolding. Under in vitro-forhold er dette bare mulig for små proteiner. I en levende celle utføres omfolding av ledsagere.
