Terciarna struktura proteina je način, na katerega se polipeptidna veriga zloži v tridimenzionalnem prostoru. Ta konformacija nastane zaradi tvorbe kemičnih vezi med aminokislinskimi radikali, ki so oddaljeni drug od drugega. Ta proces se izvaja s sodelovanjem molekularnih mehanizmov celice in ima veliko vlogo pri zagotavljanju funkcionalne aktivnosti beljakovin.
Značilnosti terciarne strukture
Naslednje vrste kemičnih interakcij so značilne za terciarno strukturo beljakovin:
- ionic;
- vodik;
- hidrofobno;
- van der Waals;
- disulfid.
Vse te vezi (razen kovalentnega disulfida) so zelo šibke, vendar zaradi količine stabilizirajo prostorsko obliko molekule.
Pravzaprav je tretja stopnja zlaganja polipeptidnih verig kombinacija različnih elementov sekundarne strukture (α-vijačnice; β-nagubane plasti inzanke), ki so orientirane v prostoru zaradi kemičnih interakcij med stranskimi aminokislinskimi radikali. Za shematično označevanje terciarne strukture proteina so α-vijači označene z cilindri ali spiralnimi črtami, zložene plasti s puščicami in zanke s preprostimi črtami.
Narava terciarne konformacije je določena z zaporedjem aminokislin v verigi, tako da bosta dve molekuli z enako primarno strukturo pod enakimi pogoji ustrezali isti varianti prostorskega pakiranja. Ta konformacija zagotavlja funkcionalno aktivnost proteina in se imenuje nativna.
Med zlaganjem proteinske molekule se komponente aktivnega centra zbližajo, ki jih je v primarni strukturi mogoče bistveno odstraniti druga od druge.
Za enoverižne beljakovine je terciarna struktura končna funkcionalna oblika. Kompleksni proteini z več podenotami tvorijo kvartarno strukturo, ki označuje razporeditev več verig med seboj.
Karakterizacija kemičnih vezi v terciarni strukturi beljakovin
V veliki meri je zlaganje polipeptidne verige posledica razmerja hidrofilnih in hidrofobnih radikalov. Prvi so nagnjeni k interakciji z vodikom (sestavni element vode) in so zato na površini, medtem ko hidrofobne regije, nasprotno, hitijo v središče molekule. Ta konformacija je energetsko najbolj ugodna. ATrezultat je globula s hidrofobnim jedrom.
Hidrofilni radikali, ki padejo v središče molekule, medsebojno delujejo in tvorijo ionske ali vodikove vezi. Ionske vezi se lahko pojavijo med nasprotno nabitimi aminokislinskimi radikali, ki so:
- kationske skupine arginina, lizina ali histidina (imajo pozitiven naboj);
- Karboksilne skupine radikalov glutaminske in asparaginske kisline (imajo negativen naboj).
Vodikove vezi nastanejo z interakcijo nenabitih (OH, SH, CONH2) in nabitih hidrofilnih skupin. Kovalentne vezi (najmočnejše v terciarni konformaciji) nastanejo med SH skupinami cisteinskih ostankov, ki tvorijo tako imenovane disulfidne mostove. Običajno so te skupine razmaknjene v linearni verigi in se približujejo le med postopkom zlaganja. Disulfidne vezi niso značilne za večino znotrajceličnih beljakovin.
konformacijska labilnost
Ker so vezi, ki tvorijo terciarno strukturo proteina, zelo šibke, lahko Brownovo gibanje atomov v verigi aminokislin povzroči, da se le-ti zlomijo in nastanejo na novih mestih. To vodi do rahle spremembe prostorske oblike posameznih delov molekule, vendar ne krši naravne konformacije proteina. Ta pojav se imenuje konformacijska labilnost. Slednji igra veliko vlogo v fiziologiji celičnih procesov.
Na konformacijo beljakovin vplivajo njene interakcije z drugimimolekule ali spremembe fizikalnih in kemijskih parametrov medija.
Kako nastane terciarna struktura beljakovin
Proces zlaganja proteina v njegovo izvorno obliko se imenuje zlaganje. Ta pojav temelji na želji molekule, da sprejme konformacijo z minimalno vrednostjo proste energije.
Nobena beljakovina ne potrebuje vmesnih inštruktorjev, ki bodo določili terciarno strukturo. Vzorec polaganja je sprva "zapisan" v zaporedju aminokislin.
Vendar bi v normalnih pogojih, da bi velika beljakovinska molekula sprejela nativno konformacijo, ki ustreza primarni strukturi, bi trajalo več kot bilijon let. Kljub temu v živi celici ta proces traja le nekaj deset minut. Tako znatno skrajšanje časa zagotavlja sodelovanje pri zlaganju specializiranih pomožnih beljakovin - foldaz in spremljevalcev.
Zlaganje majhnih beljakovinskih molekul (do 100 aminokislin v verigi) poteka precej hitro in brez sodelovanja posrednikov, kar so pokazali poskusi in vitro.
zgibni faktorji
Pomožne beljakovine, ki sodelujejo pri zlaganju, so razdeljene v dve skupini:
- foldaze - imajo katalitično aktivnost, potrebne so v količini, ki je bistveno nižja od koncentracije substrata (kot drugi encimi);
- chaperones - proteini z različnimi mehanizmi delovanja, potrebni v koncentraciji, primerljivi s količino zloženega substrata.
Pri zlaganju sodelujeta obe vrsti dejavnikov, vendar nista vključenikončni izdelek.
Skupino foldaz predstavljata 2 encima:
- Protein disulfid izomeraza (PDI) - nadzoruje pravilno tvorbo disulfidnih vezi v beljakovinah z velikim številom cisteinskih ostankov. Ta funkcija je zelo pomembna, saj so kovalentne interakcije zelo močne in v primeru napačnih povezav se protein ne bi mogel preurediti in prevzeti nativno konformacijo.
- Peptidil-prolil-cis-trans-izomeraza - zagotavlja spremembo konfiguracije radikalov, ki se nahajajo na straneh prolina, kar spremeni naravo upogiba polipeptidne verige na tem področju.
Tako imajo foldaze korektivno vlogo pri tvorbi terciarne konformacije proteinske molekule.
Chaperones
Chaperoni se sicer imenujejo proteini toplotnega šoka ali stresa. To je posledica občutnega povečanja njihovega izločanja ob negativnih učinkih na celico (temperatura, sevanje, težke kovine itd.).
Chaperoni spadajo v tri družine beljakovin: hsp60, hsp70 in hsp90. Te beljakovine opravljajo številne funkcije, vključno z:
- Zaščita beljakovin pred denaturacijo;
- izključitev medsebojnega delovanja na novo sintetiziranih beljakovin;
- preprečevanje nastajanja nepravilnih šibkih vezi med radikali in njihove labializacije (korekcija).
Tako spremljevalci prispevajo k hitremu pridobivanju energetsko pravilne konformacije, izključujejo naključno naštevanje številnih možnosti in ščitijo še nezrelebeljakovinskih molekul zaradi nepotrebne interakcije med seboj. Poleg tega spremljevalci zagotavljajo:
- nekatere vrste transporta beljakovin;
- refolding control (obnova terciarne strukture po njeni izgubi);
- ohranjanje nedokončanega stanja zlaganja (za nekatere beljakovine).
V zadnjem primeru molekula spremljevalca ostane vezana na beljakovino na koncu postopka zlaganja.
Denaturacija
Kršitev terciarne strukture proteina pod vplivom kakršnih koli dejavnikov se imenuje denaturacija. Do izgube naravne konformacije pride, ko se pretrga veliko število šibkih vezi, ki stabilizirajo molekulo. V tem primeru protein izgubi svojo specifično funkcijo, vendar ohrani svojo primarno strukturo (peptidne vezi se med denaturacijo ne uničijo).
Med denaturacijo pride do prostorskega povečanja beljakovinske molekule in hidrofobna področja ponovno pridejo na površje. Polipeptidna veriga pridobi konformacijo naključne tuljave, katere oblika je odvisna od tega, katere vezi terciarne strukture proteina so bile pretrgane. V tej obliki je molekula bolj občutljiva na učinke proteolitičnih encimov.
Dejavniki, ki kršijo terciarno strukturo
Obstajajo številni fizikalni in kemični vplivi, ki lahko povzročijo denaturacijo. Ti vključujejo:
- temperatura nad 50 stopinj;
- sevanje;
- spreminjanje pH medija;
- soli težkih kovin;
- nekatere organske spojine;
- detergenti.
Po prenehanju denaturacijskega učinka lahko protein obnovi terciarno strukturo. Ta proces se imenuje renaturacija ali ponovno zlaganje. V pogojih in vitro je to mogoče le za majhne beljakovine. V živi celici za ponovno zlaganje poskrbijo spremljevalci.
