Den tertiära strukturen hos ett protein är det sätt på vilket en polypeptidkedja viks i tredimensionellt rymd. Denna konformation uppstår på grund av bildandet av kemiska bindningar mellan aminosyraradikaler på avstånd från varandra. Denna process utförs med deltagande av cellens molekylära mekanismer och spelar en stor roll för att ge proteiner funktionell aktivitet.
Funktioner i den tertiära strukturen
Följande typer av kemiska interaktioner är karakteristiska för den tertiära strukturen hos proteiner:
- ionisk;
- väte;
- hydrofobisk;
- van der Waals;
- disulfid.
Alla dessa bindningar (förutom den kovalenta disulfiden) är dock mycket svaga, på grund av hur mycket de stabiliserar molekylens rumsliga form.
Faktum är att den tredje nivån av veckning av polypeptidkedjor är en kombination av olika element i den sekundära strukturen (α-helixar; β-veckade skikt ochloopar), som är orienterade i rymden på grund av kemiska interaktioner mellan sidoaminosyraradikaler. För att schematiskt indikera den tertiära strukturen av ett protein, indikeras α-helixar med cylindrar eller spirallinjer, vikta lager med pilar och slingor med enkla linjer.
Den tertiära konformationens natur bestäms av sekvensen av aminosyror i kedjan, så två molekyler med samma primära struktur under lika förhållanden kommer att motsvara samma variant av rumslig packning. Denna konformation säkerställer proteinets funktionella aktivitet och kallas nativ.
Under veckningen av proteinmolekylen kommer komponenterna i det aktiva centret närmare varandra, vilket i den primära strukturen kan avlägsnas avsevärt från varandra.
För enkelsträngade proteiner är den tertiära strukturen den slutliga funktionella formen. Komplexa multi-subunit proteiner bildar en kvartär struktur som kännetecknar arrangemanget av flera kedjor i förhållande till varandra.
Karakterisering av kemiska bindningar i den tertiära strukturen av ett protein
I stor utsträckning beror veckningen av polypeptidkedjan på förhållandet mellan hydrofila och hydrofoba radikaler. De förra tenderar att interagera med väte (en beståndsdel av vatten) och är därför på ytan, medan hydrofoba regioner tvärtom rusar till molekylens centrum. Denna konformation är energimässigt den mest gynnsamma. PÅresultatet är en kula med en hydrofob kärna.
Hydrofila radikaler, som ändå faller in i molekylens centrum, interagerar med varandra för att bilda jon- eller vätebindningar. Jonbindningar kan uppstå mellan motsatt laddade aminosyraradikaler, som är:
- katjoniska grupper av arginin, lysin eller histidin (har en positiv laddning);
- Karboxylgrupper av glutamin- och asparaginsyraradikaler (har negativ laddning).
Vätebindningar bildas genom interaktion mellan oladdade (OH, SH, CONH2) och laddade hydrofila grupper. Kovalenta bindningar (de starkaste i den tertiära konformationen) uppstår mellan SH-grupperna av cysteinrester och bildar de så kallade disulfidbryggorna. Typiskt är dessa grupper åtskilda i en linjär kedja och närmar sig varandra endast under staplingsprocessen. Disulfidbindningar är inte karakteristiska för de flesta intracellulära proteiner.
Konformationell labilitet
Eftersom bindningarna som bildar den tertiära strukturen av ett protein är mycket svaga, kan den brownska rörelsen hos atomer i en aminosyrakedja få dem att brytas och bildas på nya platser. Detta leder till en liten förändring i den rumsliga formen av enskilda sektioner av molekylen, men bryter inte mot proteinets naturliga konformation. Detta fenomen kallas konformationell labilitet. Den senare spelar en stor roll i cellulära processers fysiologi.
Proteinkonformation påverkas av dess interaktioner med andramolekyler eller förändringar i mediets fysikaliska och kemiska parametrar.
Hur den tertiära strukturen hos ett protein bildas
Processen att vika ett protein till dess ursprungliga form kallas vikning. Detta fenomen är baserat på molekylens önskan att anta en konformation med ett minimumvärde av fri energi.
Inget protein behöver intermediära instruktörer som bestämmer den tertiära strukturen. Läggningsmönstret är initi alt "inspelat" i sekvensen av aminosyror.
Men under normala förhållanden skulle det ta mer än en biljon år för att en stor proteinmolekyl ska anta en naturlig konformation som motsvarar den primära strukturen. Icke desto mindre, i en levande cell, varar denna process bara några tiotals minuter. En sådan betydande minskning av tiden tillhandahålls av deltagandet i veckningen av specialiserade hjälpproteiner - foldaser och chaperones.
Vikningen av små proteinmolekyler (upp till 100 aminosyror i en kedja) sker ganska snabbt och utan deltagande av mellanhänder, vilket visades genom in vitro-experiment.
Foldningsfaktorer
Hjälpproteiner som är involverade i vikning delas in i två grupper:
- foldaser - har katalytisk aktivitet, krävs i en mängd som är betydligt sämre än substratets koncentration (liksom andra enzymer);
- chaperones - proteiner med en mängd olika verkningsmekanismer som behövs i en koncentration som är jämförbar med mängden veckat substrat.
Båda typerna av faktorer deltar i vikning, men ingår inte islutprodukt.
Gruppen av foldaser representeras av 2 enzymer:
- Protein disulfide isomerase (PDI) - kontrollerar korrekt bildning av disulfidbindningar i proteiner med ett stort antal cysteinrester. Denna funktion är mycket viktig, eftersom kovalenta interaktioner är mycket starka, och i händelse av felaktiga kopplingar skulle proteinet inte kunna omarrangera sig och anta en naturlig konformation.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - ger en förändring i konfigurationen av radikaler belägna på sidorna av prolin, vilket ändrar karaktären på böjningen av polypeptidkedjan i detta område.
Foldaser spelar således en korrigerande roll i bildandet av den tertiära konformationen av proteinmolekylen.
Chaperones
Chaperones kallas annars värmechock- eller stressproteiner. Detta beror på en signifikant ökning av deras utsöndring under negativa effekter på cellen (temperatur, strålning, tungmetaller, etc.).
Chaperones tillhör tre proteinfamiljer: hsp60, hsp70 och hsp90. Dessa proteiner har många funktioner, inklusive:
- Skydd av proteiner från denaturering;
- uteslutning av interaktionen mellan nysyntetiserade proteiner med varandra;
- förhindrar bildandet av felaktiga svaga band mellan radikaler och deras labialisering (korrigering).
Därmed bidrar ledsagare till det snabba förvärvet av den energimässigt korrekta konformationen, utesluter slumpmässig uppräkning av många alternativ och skyddar ännu inte mognaproteinmolekyler från onödig interaktion med varandra. Dessutom tillhandahåller ledsagare:
- vissa typer av proteintransport;
- återveckningskontroll (återställning av den tertiära strukturen efter dess förlust);
- upprätthålla ett oavslutat vikningsläge (för vissa proteiner).
I det senare fallet förblir chaperonemolekylen bunden till proteinet i slutet av veckningsprocessen.
Denaturering
Brott mot den tertiära strukturen hos ett protein under påverkan av någon faktor kallas denaturering. Förlusten av den naturliga konformationen uppstår när ett stort antal svaga bindningar som stabiliserar molekylen bryts. I detta fall förlorar proteinet sin specifika funktion, men behåller sin primära struktur (peptidbindningar förstörs inte under denaturering).
Under denaturering sker en rumslig ökning av proteinmolekylen, och hydrofoba områden kommer igen till ytan. Polypeptidkedjan får konformationen av en slumpmässig spiral, vars form beror på vilka bindningar av proteinets tertiära struktur som har brutits. I denna form är molekylen mer mottaglig för effekterna av proteolytiska enzymer.
Faktorer som bryter mot den tertiära strukturen
Det finns ett antal fysiska och kemiska influenser som kan orsaka denaturering. Dessa inkluderar:
- temperatur över 50 grader;
- strålning;
- ändring av mediets pH;
- tungmetalls alter;
- vissa organiska föreningar;
- tvättmedel.
Efter att den denaturerande effekten upphört kan proteinet återställa den tertiära strukturen. Denna process kallas renaturering eller återveckning. Under in vitro-förhållanden är detta endast möjligt för små proteiner. I en levande cell utförs återveckning av ledsagare.
