Den tertiære struktur af et protein er den måde, hvorpå en polypeptidkæde foldes i tredimensionelt rum. Denne konformation opstår på grund af dannelsen af kemiske bindinger mellem aminosyreradikaler fjernt fra hinanden. Denne proces udføres med deltagelse af cellens molekylære mekanismer og spiller en stor rolle i at give proteiner funktionel aktivitet.
Funktioner i den tertiære struktur
Følgende typer kemiske interaktioner er karakteristiske for den tertiære struktur af proteiner:
- ionisk;
- brint;
- hydrofobisk;
- van der Waals;
- disulfid.
Alle disse bindinger (bortset fra det kovalente disulfid) er dog meget svage på grund af den mængde, de stabiliserer molekylets rumlige form.
Faktisk er det tredje niveau af foldning af polypeptidkæder en kombination af forskellige elementer i den sekundære struktur (α-helixer; β-foldede lag ogloops), som er orienteret i rummet på grund af kemiske interaktioner mellem sideaminosyreradikaler. For skematisk at angive den tertiære struktur af et protein er α-helixer angivet med cylindre eller spirallinjer, foldede lag med pile og løkker med simple linjer.
Arten af den tertiære konformation bestemmes af sekvensen af aminosyrer i kæden, så to molekyler med den samme primære struktur under lige betingelser vil svare til den samme variant af rumlig pakning. Denne konformation sikrer proteinets funktionelle aktivitet og kaldes native.
Under foldningen af proteinmolekylet kommer komponenterne i det aktive center tættere på hinanden, som i den primære struktur kan fjernes væsentligt fra hinanden.
For enkeltstrengede proteiner er den tertiære struktur den endelige funktionelle form. Komplekse multi-underenhedsproteiner danner en kvaternær struktur, der karakteriserer arrangementet af flere kæder i forhold til hinanden.
Karakterisering af kemiske bindinger i den tertiære struktur af et protein
I vid udstrækning skyldes foldningen af polypeptidkæden forholdet mellem hydrofile og hydrofobe radikaler. Førstnævnte har en tendens til at interagere med brint (et bestanddel af vand) og er derfor på overfladen, mens hydrofobe områder tværtimod skynder sig til midten af molekylet. Denne konformation er energimæssigt den mest gunstige. PÅresultatet er en kugle med en hydrofob kerne.
Hydrofile radikaler, som ikke desto mindre falder ind i midten af molekylet, interagerer med hinanden og danner ion- eller hydrogenbindinger. Ionbindinger kan forekomme mellem modsat ladede aminosyreradikaler, som er:
- kationiske grupper af arginin, lysin eller histidin (har en positiv ladning);
- Carboxylgrupper af glutamin- og asparaginsyreradikaler (har en negativ ladning).
Brintbindinger dannes ved interaktion mellem uladede (OH, SH, CONH2) og ladede hydrofile grupper. Kovalente bindinger (de stærkeste i den tertiære konformation) opstår mellem SH-grupperne af cysteinrester og danner de såkaldte disulfidbroer. Typisk er disse grupper adskilt i en lineær kæde og nærmer sig kun hinanden under stablingsprocessen. Disulfidbindinger er ikke karakteristiske for de fleste intracellulære proteiner.
Konformationel labilitet
Da bindingerne, der danner den tertiære struktur af et protein, er meget svage, kan den brownske bevægelse af atomer i en aminosyrekæde få dem til at bryde og dannes nye steder. Dette fører til en lille ændring i den rumlige form af individuelle sektioner af molekylet, men krænker ikke den native konformation af proteinet. Dette fænomen kaldes konformationel labilitet. Sidstnævnte spiller en enorm rolle i fysiologien af cellulære processer.
Proteinstruktur er påvirket af dets interaktioner med andremolekyler eller ændringer i mediets fysiske og kemiske parametre.
Hvordan den tertiære struktur af et protein dannes
Processen med at folde et protein til dets oprindelige form kaldes foldning. Dette fænomen er baseret på molekylets ønske om at antage en konformation med en minimumsværdi af fri energi.
Ingen protein behøver mellemliggende instruktører, som bestemmer den tertiære struktur. Læggemønsteret "registreres" i sekvensen af aminosyrer.
Men under normale forhold ville det tage mere end en billion år for et stort proteinmolekyle at antage en naturlig konformation svarende til den primære struktur. Ikke desto mindre varer denne proces i en levende celle kun et par ti minutter. En sådan betydelig reduktion i tid er tilvejebragt af deltagelsen i foldning af specialiserede hjælpeproteiner - foldaser og chaperones.
Foldningen af små proteinmolekyler (op til 100 aminosyrer i en kæde) sker ret hurtigt og uden deltagelse af mellemled, hvilket blev vist ved in vitro-eksperimenter.
Foldningsfaktorer
Hjælpeproteiner involveret i foldning er opdelt i to grupper:
- foldaser - har katalytisk aktivitet, er påkrævet i en mængde, der er væsentligt ringere end koncentrationen af substratet (som andre enzymer);
- chaperones - proteiner med en række forskellige virkningsmekanismer, nødvendige i en koncentration, der kan sammenlignes med mængden af foldet substrat.
Begge typer faktorer deltager i foldning, men er ikke inkluderet islutprodukt.
Gruppen af foldaser er repræsenteret af 2 enzymer:
- Protein disulfide isomerase (PDI) - kontrollerer den korrekte dannelse af disulfidbindinger i proteiner med et stort antal cysteinrester. Denne funktion er meget vigtig, da kovalente interaktioner er meget stærke, og i tilfælde af fejlagtige forbindelser vil proteinet ikke være i stand til at omarrangere sig selv og antage en naturlig konformation.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - giver en ændring i konfigurationen af radikaler placeret på siderne af prolin, hvilket ændrer arten af bøjningen af polypeptidkæden i dette område.
Foldaser spiller således en korrigerende rolle i dannelsen af den tertiære konformation af proteinmolekylet.
Chaperones
Chaperones kaldes ellers varmechok eller stressproteiner. Dette skyldes en betydelig stigning i deres sekretion under negative virkninger på cellen (temperatur, stråling, tungmetaller osv.).
Chaperones tilhører tre proteinfamilier: hsp60, hsp70 og hsp90. Disse proteiner udfører mange funktioner, herunder:
- Beskyttelse af proteiner mod denaturering;
- udelukkelse af interaktionen af nysyntetiserede proteiner med hinanden;
- forhindrer dannelsen af ukorrekte svage bånd mellem radikaler og deres labialisering (korrektion).
Således bidrager chaperoner til den hurtige tilegnelse af den energisk korrekte kropsbygning, udelukker tilfældig opregning af mange muligheder og beskytter endnu ikke modneproteinmolekyler fra unødvendig interaktion med hinanden. Derudover sørger chaperoner for:
- nogle typer proteintransport;
- genfoldningskontrol (genoprettelse af den tertiære struktur efter dens tab);
- vedligeholde en ufærdig foldningstilstand (for nogle proteiner).
I sidstnævnte tilfælde forbliver chaperone-molekylet bundet til proteinet ved slutningen af foldningsprocessen.
Denaturering
Krænkelse af den tertiære struktur af et protein under påvirkning af faktorer kaldes denaturering. Tabet af den native konformation opstår, når et stort antal svage bindinger, der stabiliserer molekylet, brydes. I dette tilfælde mister proteinet sin specifikke funktion, men bevarer sin primære struktur (peptidbindinger ødelægges ikke under denaturering).
Under denaturering sker der en rumlig stigning i proteinmolekylet, og hydrofobe områder kommer igen til overfladen. Polypeptidkæden får konformationen af en tilfældig spole, hvis form afhænger af hvilke bindinger af proteinets tertiære struktur, der er blevet brudt. I denne form er molekylet mere modtageligt for virkningerne af proteolytiske enzymer.
Faktorer, der krænker den tertiære struktur
Der er en række fysiske og kemiske påvirkninger, der kan forårsage denaturering. Disse omfatter:
- temperatur over 50 grader;
- stråling;
- ændring af mediets pH;
- tungmetals alte;
- nogle organiske forbindelser;
- vaskemidler.
Efter afslutningen af den denaturerende effekt kan proteinet genoprette den tertiære struktur. Denne proces kaldes renaturering eller genfoldning. Under in vitro-betingelser er dette kun muligt for små proteiner. I en levende celle udføres genfoldning af chaperoner.
