Proteiinin tertiäärinen rakenne on tapa, jolla polypeptidiketju laskostuu kolmiulotteisessa tilassa. Tämä konformaatio johtuu kemiallisten sidosten muodostumisesta kaukana toisistaan olevien aminohapporadikaalien välille. Tämä prosessi suoritetaan solun molekyylimekanismien osallistuessa ja sillä on v altava rooli proteiinien toiminnallisen toiminnan antamisessa.
Tertiäärisen rakenteen piirteet
Seuraavan tyyppiset kemialliset vuorovaikutukset ovat ominaisia proteiinien tertiääriselle rakenteelle:
- ioninen;
- vety;
- hydrofobinen;
- van der Waals;
- disulfidi.
Kaikki nämä sidokset (kovalenttista disulfidia lukuun ottamatta) ovat kuitenkin erittäin heikkoja, koska ne stabiloivat molekyylin avaruudellista muotoa.
Itse asiassa polypeptidiketjujen laskostumisen kolmas taso on yhdistelmä sekundaarirakenteen eri elementtejä (α-heliksit, β-laskostetut kerrokset jasilmukat), jotka ovat suuntautuneet avaruuteen sivuaminohapporadikaalien välisten kemiallisten vuorovaikutusten vuoksi. Proteiinin tertiaarisen rakenteen osoittamiseksi kaavamaisesti α-heliksit on osoitettu sylintereillä tai kierreviivoilla, taitetut kerrokset nuolilla ja silmukat yksinkertaisilla viivoilla.
Tertiäärisen konformaation luonne määräytyy ketjun aminohappojen sekvenssin mukaan, joten kaksi molekyyliä, joilla on sama primäärirakenne yhtäläisissä olosuhteissa, vastaavat samaa tilapakkauksen varianttia. Tämä konformaatio varmistaa proteiinin toiminnallisen aktiivisuuden ja sitä kutsutaan natiiviksi.
Proteiinimolekyylin laskostumisen aikana aktiivisen keskuksen komponentit tulevat lähemmäksi toisiaan, jotka primäärirakenteessa voivat irrota merkittävästi toisistaan.
Yksijuosteisille proteiineille tertiäärinen rakenne on lopullinen toiminnallinen muoto. Monimutkaiset monialayksikköproteiinit muodostavat kvaternaarisen rakenteen, joka luonnehtii useiden ketjujen järjestystä toisiinsa nähden.
Kemiallisten sidosten karakterisointi proteiinin tertiäärirakenteessa
Polypeptidiketjun laskostuminen johtuu suurelta osin hydrofiilisten ja hydrofobisten radikaalien suhteesta. Ensin mainituilla on taipumus olla vuorovaikutuksessa vedyn (veden ainesosan) kanssa ja siksi ne ovat pinnalla, kun taas hydrofobiset alueet päinvastoin ryntäävät molekyylin keskustaan. Tämä rakenne on energeettisesti edullisin. ATtuloksena on pallo, jossa on hydrofobinen ydin.
Hydrofiiliset radikaalit, jotka kuitenkin putoavat molekyylin keskelle, ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen ioni- tai vetysidoksia. Ionisidoksia voi esiintyä vastakkaisesti varautuneiden aminohapporadikaalien välillä, joita ovat:
- arginiinin, lysiinin tai histidiinin kationiset ryhmät (joilla on positiivinen varaus);
- Glutamiini- ja asparagiinihapporadikaalien karboksyyliryhmät (joilla on negatiivinen varaus).
Vetysidokset muodostuvat varautumattomien (OH, SH, CONH2) ja varautuneiden hydrofiilisten ryhmien vuorovaikutuksessa. Kovalenttiset sidokset (voimakkaimmat tertiäärisessä konformaatiossa) syntyvät kysteiinitähteiden SH-ryhmien välillä muodostaen niin sanottuja disulfidisiltoja. Tyypillisesti nämä ryhmät ovat erillään toisistaan lineaarisessa ketjussa ja lähestyvät toisiaan vain pinoamisprosessin aikana. Disulfidisidokset eivät ole ominaisia useimmille solunsisäisille proteiineille.
Konformationaalinen labiliteetti
Koska proteiinin tertiaarisen rakenteen muodostavat sidokset ovat erittäin heikkoja, atomien Brownin liike aminohappoketjussa voi saada ne katkeamaan ja muodostumaan uusiin paikkoihin. Tämä johtaa lievään muutokseen molekyylin yksittäisten osien tilamuodossa, mutta ei riko proteiinin natiivia konformaatiota. Tätä ilmiötä kutsutaan konformaatiolabiliteetiksi. Jälkimmäisellä on v altava rooli soluprosessien fysiologiassa.
Proteiinin konformaatioon vaikuttaa sen vuorovaikutus muiden kanssamolekyylejä tai muutoksia väliaineen fysikaalisissa ja kemiallisissa parametreissa.
Kuinka proteiinin tertiäärinen rakenne muodostuu
Prosessia, jossa proteiini laskostetaan alkuperäiseen muotoonsa, kutsutaan laskostumiseksi. Tämä ilmiö perustuu molekyylin haluun omaksua konformaatio, jossa vapaan energian vähimmäisarvo on.
Mikään proteiini ei tarvitse välittäviä ohjaajia, jotka määrittävät kolmannen asteen rakenteen. Munituskuvio on aluksi "tallennettu" aminohappojen sekvenssiin.
Normaaleissa olosuhteissa kestäisi kuitenkin yli biljoona vuotta, jotta suuri proteiinimolekyyli omaksuisi alkuperäistä rakennetta vastaavan natiivin konformaation. Siitä huolimatta elävässä solussa tämä prosessi kestää vain muutamia kymmeniä minuutteja. Tällaisen merkittävän ajan lyhenemisen tarjoaa erikoistuneiden apuproteiinien - foldaasien ja chaperonien - osallistuminen laskostukseen.
Pienten proteiinimolekyylien (jopa 100 aminohappoa ketjussa) laskostuminen tapahtuu melko nopeasti ja ilman välittäjien osallistumista, mikä on osoitettu in vitro -kokeilla.
Taittotekijät
Taittumiseen osallistuvat apuproteiinit jaetaan kahteen ryhmään:
- foldaasit - niillä on katalyyttistä aktiivisuutta, niitä tarvitaan huomattavasti substraatin pitoisuutta alhaisempi määrä (kuten muutkin entsyymit);
- chaperones - proteiinit, joilla on erilaisia toimintamekanismeja ja joita tarvitaan pitoisuudessa, joka on verrattavissa laskostetun substraatin määrään.
Molemmat tekijät osallistuvat taittoon, mutta eivät sisälly siihenlopputuote.
Foldaasien ryhmää edustaa 2 entsyymiä:
- Proteiinidisulfidi-isomeraasi (PDI) - ohjaa disulfidisidosten oikeaa muodostumista proteiineissa, joissa on suuri määrä kysteiinijäämiä. Tämä toiminto on erittäin tärkeä, koska kovalenttiset vuorovaikutukset ovat erittäin vahvoja, ja virheellisten yhteyksien sattuessa proteiini ei pystyisi järjestäytymään uudelleen ja ottamaan alkuperäistä konformaatiota.
- Peptidyyli-prolyyli-cis-trans-isomeraasi - aikaansaa muutoksen proliinin sivuilla sijaitsevien radikaalien konfiguraatiossa, mikä muuttaa polypeptidiketjun mutkan luonnetta tällä alueella.
Siksi foldaaseilla on korjaava rooli proteiinimolekyylin tertiäärisen konformaation muodostumisessa.
Seurueet
Kaperoneja kutsutaan muuten lämpöshokki- tai stressiproteiineiksi. Tämä johtuu niiden erittymisen merkittävästä lisääntymisestä soluun kohdistuvien negatiivisten vaikutusten aikana (lämpötila, säteily, raskasmetallit jne.).
Chaperones kuuluvat kolmeen proteiiniperheeseen: hsp60, hsp70 ja hsp90. Nämä proteiinit suorittavat monia toimintoja, mukaan lukien:
- Proteiinien suojaaminen denaturaatiolta;
- vastasyntetisoitujen proteiinien keskinäisen vuorovaikutuksen poissulkeminen;
- estää väärien heikkojen sidosten muodostumisen radikaalien välillä ja niiden labialisoitumisen (korjauksen).
Siten chaperonit myötävaikuttavat energeettisesti oikean rakenteen nopeaan saavuttamiseen, suljet pois monien vaihtoehtojen satunnaisen luetteloimisen ja suojaavat vielä kypsiäproteiinimolekyylit tarpeettomasta vuorovaikutuksesta toistensa kanssa. Lisäksi saattajat tarjoavat:
- tietyt proteiininkuljetukset;
- uudelleentaittoohjaus (tertiäärisen rakenteen palauttaminen sen menettämisen jälkeen);
- keskeisen taittotilan säilyttäminen (joillekin proteiineille).
Jälkimmäisessä tapauksessa chaperonimolekyyli pysyy sitoutuneena proteiiniin laskostumisprosessin lopussa.
Denaturaatio
Proteiinin tertiäärisen rakenteen rikkomista minkä tahansa tekijän vaikutuksesta kutsutaan denaturaatioksi. Natiivin konformaation menetys tapahtuu, kun suuri määrä heikkoja sidoksia, jotka stabiloivat molekyyliä, katkeavat. Tässä tapauksessa proteiini menettää erityistehtävänsä, mutta säilyttää primäärirakenteensa (peptidisidokset eivät tuhoudu denaturaation aikana).
Denaturaation aikana proteiinimolekyylissä tapahtuu avaruudellista kasvua, ja hydrofobisia alueita tulee jälleen pintaan. Polypeptidiketju saa satunnaisen kierteen konformaation, jonka muoto riippuu siitä, mitkä proteiinin tertiaarisen rakenteen sidokset ovat katkenneet. Tässä muodossa molekyyli on herkempi proteolyyttisten entsyymien vaikutuksille.
Tertiääristä rakennetta rikkovat tekijät
On olemassa useita fysikaalisia ja kemiallisia vaikutuksia, jotka voivat aiheuttaa denaturoitumista. Näitä ovat:
- lämpötila yli 50 astetta;
- säteily;
- väliaineen pH:n muuttaminen;
- raskasmetallisuolat;
- jotkut orgaaniset yhdisteet;
- pesuaineet.
Denaturoivan vaikutuksen päätyttyä proteiini voi palauttaa tertiaarisen rakenteen. Tätä prosessia kutsutaan renaturaatioksi tai uudelleenlaskostukseksi. In vitro -olosuhteissa tämä on mahdollista vain pienille proteiineille. Elävässä solussa uudelleenlaskostuksen tarjoavat chaperons.
