Tercijarna struktura proteina je način na koji se polipeptidni lanac presavija u trodimenzionalnom prostoru. Ova konformacija nastaje zbog stvaranja kemijskih veza između aminokiselinskih radikala udaljenih jedan od drugog. Ovaj proces se provodi uz sudjelovanje molekularnih mehanizama stanice i igra veliku ulogu u davanju proteina funkcionalne aktivnosti.
Značajke tercijarne strukture
Sljedeće vrste kemijskih interakcija karakteristične su za tercijarnu strukturu proteina:
- ionic;
- vodik;
- hidrofobni;
- van der Waals;
- disulfid.
Sve ove veze (osim kovalentnog disulfida) su vrlo slabe, međutim, zbog količine stabiliziraju prostorni oblik molekule.
U stvari, treća razina savijanja polipeptidnih lanaca je kombinacija različitih elemenata sekundarne strukture (α-heliksa; β-nabranih slojeva ipetlje), koje su orijentirane u prostoru zbog kemijskih interakcija između bočnih radikala aminokiselina. Da bi shematski označili tercijarnu strukturu proteina, α-zavojnice su označene cilindrima ili spiralnim linijama, presavijeni slojevi strelicama, a petlje jednostavnim linijama.
Priroda tercijarne konformacije određena je slijedom aminokiselina u lancu, pa će dvije molekule s istom primarnom strukturom pod jednakim uvjetima odgovarati istoj varijanti prostornog pakiranja. Ova konformacija osigurava funkcionalnu aktivnost proteina i naziva se nativnim.
Tijekom savijanja proteinske molekule, komponente aktivnog centra se zbližavaju, koje se u primarnoj strukturi mogu značajno udaljiti jedna od druge.
Za jednolančane proteine, tercijarna struktura je konačni funkcionalni oblik. Složeni proteini s više podjedinica tvore kvartarnu strukturu koja karakterizira raspored nekoliko lanaca u odnosu jedan na drugi.
Karakterizacija kemijskih veza u tercijarnoj strukturi proteina
U velikoj mjeri, savijanje polipeptidnog lanca je posljedica omjera hidrofilnih i hidrofobnih radikala. Prvi imaju tendenciju interakcije s vodikom (sastavni element vode) i stoga su na površini, dok hidrofobna područja, naprotiv, jure prema središtu molekule. Ova konformacija je energetski najpovoljnija. NArezultat je globula s hidrofobnom jezgrom.
Hidrofilni radikali, koji ipak padaju u središte molekule, međusobno djeluju tvoreći ionske ili vodikove veze. Ionske veze mogu se pojaviti između suprotno nabijenih radikala aminokiselina, a to su:
- kationske skupine arginina, lizina ili histidina (imaju pozitivan naboj);
- Karboksilne skupine radikala glutaminske i asparaginske kiseline (imaju negativan naboj).
Vodikove veze nastaju interakcijom nenabijenih (OH, SH, CONH2) i nabijenih hidrofilnih skupina. Kovalentne veze (najjače u tercijarnoj konformaciji) nastaju između SH skupina cisteinskih ostataka, tvoreći takozvane disulfidne mostove. Obično su te skupine razmaknute u linearnom lancu i približavaju se jedna drugoj samo tijekom procesa slaganja. Disulfidne veze nisu karakteristične za većinu intracelularnih proteina.
Conformational lability
Budući da su veze koje tvore tercijarnu strukturu proteina vrlo slabe, Brownovo kretanje atoma u lancu aminokiselina može uzrokovati njihovo pucanje i stvaranje na novim mjestima. To dovodi do male promjene u prostornom obliku pojedinih dijelova molekule, ali ne narušava nativnu konformaciju proteina. Taj se fenomen naziva konformacijska labilnost. Potonji igra veliku ulogu u fiziologiji staničnih procesa.
Na konformaciju proteina utječu njegove interakcije s drugimamolekule ili promjene u fizičkim i kemijskim parametrima medija.
Kako nastaje tercijarna struktura proteina
Proces savijanja proteina u njegov izvorni oblik naziva se savijanje. Ovaj se fenomen temelji na želji molekule da usvoji konformaciju s minimalnom vrijednošću slobodne energije.
Nikakvim proteinima nisu potrebni posredni instruktori koji će odrediti tercijarnu strukturu. Uzorak polaganja u početku se "zapisuje" u slijedu aminokiselina.
Međutim, u normalnim uvjetima, da bi velika proteinska molekula usvojila nativnu konformaciju koja odgovara primarnoj strukturi, bilo bi potrebno više od trilijuna godina. Ipak, u živoj stanici taj proces traje samo nekoliko desetaka minuta. Tako značajno smanjenje vremena osigurava sudjelovanje u savijanju specijaliziranih pomoćnih proteina - foldaza i chaperona.
Savijanje malih proteinskih molekula (do 100 aminokiselina u lancu) događa se prilično brzo i bez sudjelovanja posrednika, što su pokazali in vitro eksperimenti.
Sklopivi faktori
Pomoćni proteini uključeni u savijanje podijeljeni su u dvije skupine:
- foldaze - imaju katalitičku aktivnost, potrebne su u količini znatno nižoj od koncentracije supstrata (kao i drugi enzimi);
- chaperones - proteini s različitim mehanizmima djelovanja, potrebni u koncentraciji usporedivoj s količinom presavijenog supstrata.
Obje vrste faktora sudjeluju u preklapanju, ali nisu uključenekonačni proizvod.
Skupinu nabora predstavljaju 2 enzima:
- Protein disulfid izomeraza (PDI) - kontrolira ispravno stvaranje disulfidnih veza u proteinima s velikim brojem cisteinskih ostataka. Ova funkcija je vrlo važna, budući da su kovalentne interakcije vrlo jake, a u slučaju pogrešnih veza, protein se ne bi mogao preurediti i poprimiti nativnu konformaciju.
- Peptidil-prolyl-cis-trans-izomerase - osigurava promjenu konfiguracije radikala koji se nalaze na stranama prolina, što mijenja prirodu zavoja polipeptidnog lanca u ovom području.
Dakle, foldaze igraju korektivnu ulogu u formiranju tercijarne konformacije proteinske molekule.
Chaperones
Chaperoni se inače nazivaju proteini toplinskog šoka ili stresa. To je zbog značajnog povećanja njihovog lučenja tijekom negativnih učinaka na stanicu (temperatura, zračenje, teški metali, itd.).
Chaperones pripadaju tri obitelji proteina: hsp60, hsp70 i hsp90. Ovi proteini obavljaju mnoge funkcije, uključujući:
- Zaštita proteina od denaturacije;
- isključivanje međusobne interakcije novosintetiziranih proteina;
- sprečavanje stvaranja netočnih slabih veza između radikala i njihove labijalizacije (korekcije).
Dakle, pratioci doprinose brzom stjecanju energetski ispravne konformacije, isključujući nasumično nabrajanje mnogih opcija i štiteći još nezreleproteinske molekule od nepotrebne interakcije jedna s drugom. Osim toga, pratitelji pružaju:
- neke vrste transporta proteina;
- refolding control (obnova tercijarne strukture nakon njenog gubitka);
- održavanje nedovršenog savijanja (za neke proteine).
U potonjem slučaju, molekula pratioca ostaje vezana za protein na kraju procesa savijanja.
Denaturacija
Kršenje tercijarne strukture proteina pod utjecajem bilo kojeg čimbenika naziva se denaturacija. Gubitak nativne konformacije nastaje kada se razbije veliki broj slabih veza koje stabiliziraju molekulu. U tom slučaju protein gubi svoju specifičnu funkciju, ali zadržava svoju primarnu strukturu (peptidne veze se ne razaraju tijekom denaturacije).
Tijekom denaturacije dolazi do prostornog povećanja proteinske molekule, a hidrofobna područja ponovno izlaze na površinu. Polipeptidni lanac poprima konformaciju nasumične zavojnice, čiji oblik ovisi o tome koje su veze tercijarne strukture proteina prekinute. U ovom obliku, molekula je osjetljivija na učinke proteolitičkih enzima.
Čimbenici koji krše tercijarnu strukturu
Postoji niz fizičkih i kemijskih utjecaja koji mogu uzrokovati denaturaciju. To uključuje:
- temperatura iznad 50 stupnjeva;
- zračenje;
- promjena pH medija;
- soli teških metala;
- neki organski spojevi;
- deterdženti.
Nakon prestanka denaturirajućeg učinka, protein može obnoviti tercijarnu strukturu. Taj se proces naziva renaturacija ili ponovno savijanje. U uvjetima in vitro, to je moguće samo za male proteine. U živoj ćeliji, ponovno sklapanje osiguravaju pratioci.
