Terciárna štruktúra proteínu je spôsob, akým je polypeptidový reťazec zložený v trojrozmernom priestore. Táto konformácia vzniká v dôsledku tvorby chemických väzieb medzi radikálmi aminokyselín, ktoré sú od seba vzdialené. Tento proces sa uskutočňuje za účasti molekulárnych mechanizmov bunky a zohráva obrovskú úlohu pri poskytovaní funkčnej aktivity proteínom.
Vlastnosti terciárnej štruktúry
Pre terciárnu štruktúru proteínov sú charakteristické nasledujúce typy chemických interakcií:
- ionic;
- vodík;
- hydrofóbny;
- van der Waals;
- disulfid.
Všetky tieto väzby (okrem kovalentného disulfidu) sú veľmi slabé, no vzhľadom na množstvo stabilizujú priestorový tvar molekuly.
Tretia úroveň skladania polypeptidových reťazcov je v skutočnosti kombináciou rôznych prvkov sekundárnej štruktúry (α-helixy; β-skladané vrstvy aslučky), ktoré sú orientované v priestore v dôsledku chemických interakcií medzi vedľajšími aminokyselinovými radikálmi. Na schematické znázornenie terciárnej štruktúry proteínu sú α-helixy označené valcami alebo špirálovými čiarami, zložené vrstvy šípkami a slučky jednoduchými čiarami.
Povaha terciárnej konformácie je určená sekvenciou aminokyselín v reťazci, takže dve molekuly s rovnakou primárnou štruktúrou za rovnakých podmienok budú zodpovedať rovnakému variantu priestorového usporiadania. Táto konformácia zabezpečuje funkčnú aktivitu proteínu a nazýva sa natívna.
Počas skladania molekuly proteínu sa zložky aktívneho centra približujú k sebe, ktoré sa v primárnej štruktúre môžu navzájom výrazne oddeliť.
Pre jednovláknové proteíny je terciárna štruktúra konečnou funkčnou formou. Komplexné proteíny s viacerými podjednotkami tvoria kvartérnu štruktúru, ktorá charakterizuje usporiadanie niekoľkých reťazcov vo vzťahu k sebe navzájom.
Charakteristika chemických väzieb v terciárnej štruktúre proteínu
Skladanie polypeptidového reťazca je do značnej miery spôsobené pomerom hydrofilných a hydrofóbnych radikálov. Prvé majú tendenciu interagovať s vodíkom (zložkovým prvkom vody), a preto sú na povrchu, zatiaľ čo hydrofóbne oblasti sa naopak ponáhľajú do stredu molekuly. Táto konformácia je energeticky najpriaznivejšia. ATvýsledkom je globula s hydrofóbnym jadrom.
Hydrofilné radikály, ktoré napriek tomu spadajú do stredu molekuly, medzi sebou interagujú a vytvárajú iónové alebo vodíkové väzby. Iónové väzby sa môžu vyskytovať medzi opačne nabitými aminokyselinovými radikálmi, ktoré sú:
- katiónové skupiny arginínu, lyzínu alebo histidínu (majú kladný náboj);
- Karboxylové skupiny radikálov kyseliny glutámovej a kyseliny asparágovej (majú záporný náboj).
Vodíkové väzby vznikajú interakciou nenabitých (OH, SH, CONH2) a nabitých hydrofilných skupín. Kovalentné väzby (najsilnejšie v terciárnej konformácii) vznikajú medzi SH skupinami cysteínových zvyškov a tvoria takzvané disulfidové mostíky. Typicky sú tieto skupiny od seba vzdialené v lineárnom reťazci a približujú sa k sebe iba počas procesu stohovania. Disulfidové väzby nie sú charakteristické pre väčšinu vnútrobunkových proteínov.
Konformačná labilita
Keďže väzby, ktoré tvoria terciárnu štruktúru proteínu, sú veľmi slabé, Brownov pohyb atómov v reťazci aminokyselín môže spôsobiť ich lámanie a tvorbu na nových miestach. To vedie k miernej zmene priestorového tvaru jednotlivých častí molekuly, ale nenarúša prirodzenú konformáciu proteínu. Tento jav sa nazýva konformačná labilita. Ten hrá obrovskú úlohu vo fyziológii bunkových procesov.
Konformácia bielkovín je ovplyvnená ich interakciami s ostatnýmimolekuly alebo zmeny fyzikálnych a chemických parametrov média.
Ako sa tvorí terciárna štruktúra proteínu
Proces skladania proteínu do jeho natívnej formy sa nazýva skladanie. Tento jav je založený na túžbe molekuly prijať konformáciu s minimálnou hodnotou voľnej energie.
Žiadny proteín nepotrebuje sprostredkovateľov, ktorí určia terciárnu štruktúru. Vzor znášania je spočiatku „zaznamenaný“v sekvencii aminokyselín.
Avšak za normálnych podmienok by to, aby veľká molekula proteínu prijala prirodzenú konformáciu zodpovedajúcu primárnej štruktúre, trvalo viac ako bilión rokov. Napriek tomu v živej bunke tento proces trvá len niekoľko desiatok minút. Takéto výrazné skrátenie času poskytuje účasť na skladaní špecializovaných pomocných proteínov - foldáz a chaperónov.
Skladanie malých molekúl bielkovín (až 100 aminokyselín v reťazci) prebieha pomerne rýchlo a bez účasti sprostredkovateľov, čo ukázali experimenty in vitro.
Skladacie faktory
Pomocné proteíny podieľajúce sa na skladaní sa delia do dvoch skupín:
- foldázy – majú katalytickú aktivitu, sú potrebné v množstve výrazne nižšom ako je koncentrácia substrátu (ako iné enzýmy);
- chaperóny - proteíny s rôznymi mechanizmami účinku, potrebné v koncentrácii porovnateľnej s množstvom zloženého substrátu.
Oba typy faktorov sa podieľajú na skladaní, ale nie sú zahrnutékonečný produkt.
Skupinu foldáz predstavujú 2 enzýmy:
- Proteíndisulfidizomeráza (PDI) - kontroluje správnu tvorbu disulfidových väzieb v proteínoch s veľkým počtom cysteínových zvyškov. Táto funkcia je veľmi dôležitá, pretože kovalentné interakcie sú veľmi silné a v prípade chybných spojení by sa proteín nebol schopný preskupiť a prijať natívnu konformáciu.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-izomeráza – zabezpečuje zmenu konfigurácie radikálov umiestnených na stranách prolínu, čím sa mení charakter ohybu polypeptidového reťazca v tejto oblasti.
Foldázy teda hrajú korekčnú úlohu pri tvorbe terciárnej konformácie molekuly proteínu.
Chaperones
Chaperóny sa inak nazývajú proteíny tepelného šoku alebo stresové proteíny. Je to spôsobené výrazným zvýšením ich sekrécie pri negatívnych vplyvoch na bunku (teplota, žiarenie, ťažké kovy atď.).
Chaperóny patria do troch proteínových rodín: hsp60, hsp70 a hsp90. Tieto proteíny vykonávajú mnoho funkcií, vrátane:
- Ochrana bielkovín pred denaturáciou;
- vylúčenie interakcie novosyntetizovaných proteínov medzi sebou;
- zabránenie vzniku nesprávnych slabých väzieb medzi radikálmi a ich labializácia (korekcia).
Saperóny teda prispievajú k rýchlemu získaniu energeticky správnej konformácie, vylučujúc náhodné vymenovanie mnohých možností a chránia ešte nezrelébielkovinové molekuly pred zbytočnou vzájomnou interakciou. Okrem toho sprievodcovia poskytujú:
- niektoré typy transportu bielkovín;
- kontrola opätovného skladania (obnovenie terciárnej štruktúry po jej strate);
- udržiavanie stavu nedokončeného zloženia (pre niektoré proteíny).
V druhom prípade zostáva molekula chaperónu naviazaná na proteín na konci procesu skladania.
Denaturácia
Porušenie terciárnej štruktúry proteínu pod vplyvom akýchkoľvek faktorov sa nazýva denaturácia. K strate natívnej konformácie dochádza vtedy, keď sa rozbije veľký počet slabých väzieb, ktoré stabilizujú molekulu. V tomto prípade proteín stráca svoju špecifickú funkciu, ale zachováva si svoju primárnu štruktúru (peptidové väzby sa pri denaturácii nezničia).
Počas denaturácie dochádza k priestorovému nárastu molekuly proteínu a hydrofóbne oblasti sa opäť dostávajú na povrch. Polypeptidový reťazec nadobúda konformáciu náhodného zvitku, ktorého tvar závisí od toho, ktoré väzby terciárnej štruktúry proteínu boli porušené. V tejto forme je molekula citlivejšia na účinky proteolytických enzýmov.
Faktory porušujúce terciárnu štruktúru
Existuje množstvo fyzikálnych a chemických vplyvov, ktoré môžu spôsobiť denaturáciu. Patria sem:
- teplota nad 50 stupňov;
- žiarenie;
- zmena pH média;
- soli ťažkých kovov;
- niektoré organické zlúčeniny;
- detergenty.
Po ukončení denaturačného efektu môže proteín obnoviť terciárnu štruktúru. Tento proces sa nazýva renaturácia alebo refolding. V podmienkach in vitro je to možné len pre malé proteíny. V živej bunke prekladanie zabezpečujú sprievodcovia.
