Structura terțiară a unei proteine este modul în care un lanț polipeptidic este pliat în spațiul tridimensional. Această conformație apare din cauza formării de legături chimice între radicalii de aminoacizi îndepărtați unul de celăl alt. Acest proces se desfășoară cu participarea mecanismelor moleculare ale celulei și joacă un rol uriaș în conferirea activității funcționale proteinelor.
Caracteristici ale structurii terțiare
Următoarele tipuri de interacțiuni chimice sunt caracteristice structurii terțiare a proteinelor:
- ionic;
- hidrogen;
- hidrofob;
- van der Waals;
- disulfură.
Toate aceste legături (cu excepția disulfurei covalente) sunt foarte slabe, totuși, datorită cantității în care stabilizează forma spațială a moleculei.
De fapt, al treilea nivel de pliere a lanțurilor polipeptidice este o combinație de diferite elemente ale structurii secundare (elice α; straturi pliate β șibucle), care sunt orientate în spațiu datorită interacțiunilor chimice dintre radicalii laterali de aminoacizi. Pentru a indica schematic structura terțiară a unei proteine, elicele α sunt indicate prin cilindri sau linii spiralate, straturile pliate prin săgeți și buclele prin linii simple.
Natura conformației terțiare este determinată de secvența de aminoacizi din lanț, astfel încât două molecule cu aceeași structură primară în condiții egale vor corespunde aceleiași variante de împachetare spațială. Această conformație asigură activitatea funcțională a proteinei și se numește nativă.
În timpul plierii moleculei proteice, componentele centrului activ se apropie, care în structura primară pot fi îndepărtate semnificativ unele de altele.
Pentru proteinele monocatenar, structura terțiară este forma funcțională finală. Proteinele complexe cu mai multe subunități formează o structură cuaternară care caracterizează aranjarea mai multor lanțuri între ele.
Caracterizarea legăturilor chimice în structura terțiară a unei proteine
În mare măsură, plierea lanțului polipeptidic se datorează raportului dintre radicalii hidrofili și hidrofobi. Primele tind să interacționeze cu hidrogenul (un element constitutiv al apei) și, prin urmare, se află la suprafață, în timp ce regiunile hidrofobe, dimpotrivă, se grăbesc spre centrul moleculei. Această conformație este energetic cea mai favorabilă. LArezultatul este un globul cu miez hidrofob.
Radicalii hidrofili, care totuși cad în centrul moleculei, interacționează între ei pentru a forma legături ionice sau de hidrogen. Legăturile ionice pot apărea între radicalii de aminoacizi cu încărcare opusă, care sunt:
- grupe cationice de arginină, lizină sau histidină (au o sarcină pozitivă);
- Grupuri carboxil ale radicalilor acidului glutamic și aspartic (au o sarcină negativă).
Legăturile de hidrogen sunt formate prin interacțiunea grupărilor hidrofile neîncărcate (OH, SH, CONH2) și încărcate. Legăturile covalente (cele mai puternice din conformația terțiară) apar între grupele SH ale reziduurilor de cisteină, formând așa-numitele punți disulfurice. De obicei, aceste grupuri sunt distanțate într-un lanț liniar și se apropie unul de celăl alt numai în timpul procesului de stivuire. Legăturile disulfură nu sunt caracteristice majorității proteinelor intracelulare.
Labilitatea conformațională
Deoarece legăturile care formează structura terțiară a unei proteine sunt foarte slabe, mișcarea browniană a atomilor dintr-un lanț de aminoacizi le poate determina să se rupă și să se formeze în locuri noi. Acest lucru duce la o ușoară modificare a formei spațiale a secțiunilor individuale ale moleculei, dar nu încalcă conformația nativă a proteinei. Acest fenomen se numește labilitate conformațională. Acesta din urmă joacă un rol imens în fiziologia proceselor celulare.
Conformația proteinelor este influențată de interacțiunile sale cu ceilalțimolecule sau modificări ale parametrilor fizici și chimici ai mediului.
Cum se formează structura terțiară a unei proteine
Procesul de pliere a unei proteine în forma sa nativă se numește pliere. Acest fenomen se bazează pe dorința moleculei de a adopta o conformație cu o valoare minimă a energiei libere.
Nici o proteină nu are nevoie de instructori intermediari care vor determina structura terțiară. Modelul de ouat este inițial „înregistrat” în secvența de aminoacizi.
Cu toate acestea, în condiții normale, pentru ca o moleculă proteică mare să adopte o conformație nativă corespunzătoare structurii primare, ar fi nevoie de mai mult de un trilion de ani. Cu toate acestea, într-o celulă vie, acest proces durează doar câteva zeci de minute. O astfel de reducere semnificativă a timpului este asigurată de participarea la plierea proteinelor auxiliare specializate - foldaze și chaperone.
Plierea moleculelor mici de proteine (până la 100 de aminoacizi într-un lanț) are loc destul de repede și fără participarea intermediarilor, ceea ce a fost demonstrat de experimentele in vitro.
Factor de pliere
Proteinele auxiliare implicate în pliere sunt împărțite în două grupe:
- foldaze - au activitate catalitică, sunt necesare într-o cantitate semnificativ inferioară concentrației substratului (ca și alte enzime);
- chaperones - proteine cu o varietate de mecanisme de acțiune, necesare într-o concentrație comparabilă cu cantitatea de substrat pliat.
Ambele tipuri de factori participă la pliere, dar nu sunt incluși înprodus final.
Grupul de foldaze este reprezentat de 2 enzime:
- Protein disulfure izomeraza (PDI) - controlează formarea corectă a legăturilor disulfurice în proteinele cu un număr mare de reziduuri de cisteină. Această funcție este foarte importantă, deoarece interacțiunile covalente sunt foarte puternice, iar în cazul unor conexiuni eronate, proteina nu ar putea să se rearanjeze și să capete o conformație nativă.
- Peptidil-prolil-cis-trans-izomeraza - oferă o modificare a configurației radicalilor localizați pe părțile laterale ale prolinei, ceea ce modifică natura îndoirii lanțului polipeptidic în această zonă.
Astfel, foldazele joacă un rol corectiv în formarea conformației terțiare a moleculei proteice.
Chaperones
Chaperones sunt altfel numite proteine de șoc termic sau de stres. Acest lucru se datorează unei creșteri semnificative a secreției lor în timpul efectelor negative asupra celulei (temperatură, radiații, metale grele etc.).
Chaperones aparțin a trei familii de proteine: hsp60, hsp70 și hsp90. Aceste proteine îndeplinesc multe funcții, inclusiv:
- Protecția proteinelor împotriva denaturarii;
- excluderea interacțiunii proteinelor nou sintetizate între ele;
- prevenirea formării de legături slabe incorecte între radicali și labializarea (corecția) a acestora.
Astfel, însoțitorii contribuie la dobândirea rapidă a conformației corecte energetic, excluzând enumerarea aleatorie a multor opțiuni și protejând încă necoaptemolecule de proteine din interacțiunea inutilă între ele. În plus, însoțitorii oferă:
- unele tipuri de transport de proteine;
- control repliare (refacerea structurii terțiare după pierderea acesteia);
- menținerea unei stări de pliere neterminată (pentru unele proteine).
În acest din urmă caz, molecula de însoțitor rămâne legată de proteină la sfârșitul procesului de pliere.
Denaturare
Încălcarea structurii terțiare a unei proteine sub influența oricăror factori se numește denaturare. Pierderea conformației native are loc atunci când un număr mare de legături slabe care stabilizează molecula sunt rupte. În acest caz, proteina își pierde funcția specifică, dar își păstrează structura primară (legăturile peptidice nu sunt distruse în timpul denaturarii).
În timpul denaturarii, are loc o creștere spațială a moleculei de proteine, iar zonele hidrofobe ies din nou la suprafață. Lanțul polipeptidic capătă conformația unei spirale aleatorii, a cărei formă depinde de ce legături ale structurii terțiare a proteinei au fost rupte. În această formă, molecula este mai susceptibilă la efectele enzimelor proteolitice.
Factori care încalcă structura terțiară
Există o serie de influențe fizice și chimice care pot provoca denaturarea. Acestea includ:
- temperatură peste 50 de grade;
- radiatie;
- schimbarea pH-ului mediului;
- săruri de metale grele;
- unii compuși organici;
- detergenți.
După încetarea efectului de denaturare, proteina poate restabili structura terțiară. Acest proces se numește renaturare sau repliere. În condiții in vitro, acest lucru este posibil numai pentru proteinele mici. Într-o celulă vie, replierea este asigurată de însoțitori.
