Tercijarna struktura proteina je način na koji se polipeptidni lanac presavija u trodimenzionalnom prostoru. Ova konformacija nastaje zbog formiranja hemijskih veza između radikala aminokiselina udaljenih jedan od drugog. Ovaj proces se odvija uz učešće molekularnih mehanizama ćelije i igra veliku ulogu u davanju proteina funkcionalne aktivnosti.
Karakteristike tercijarne strukture
Sljedeće vrste hemijskih interakcija su karakteristične za tercijarnu strukturu proteina:
- ionic;
- vodonik;
- hidrofobni;
- van der Waals;
- disulfid.
Sve ove veze (osim kovalentnog disulfida) su veoma slabe, međutim, zbog svoje količine stabilizuju prostorni oblik molekula.
U stvari, treći nivo savijanja polipeptidnih lanaca je kombinacija različitih elemenata sekundarne strukture (α-heliksa; β-nabranih slojeva ipetlje), koje su orijentirane u prostoru zbog kemijskih interakcija između bočnih radikala aminokiselina. Da bi šematski označili tercijarnu strukturu proteina, α-helice su označene cilindrima ili spiralnim linijama, presavijeni slojevi strelicama, a petlje jednostavnim linijama.
Priroda tercijarne konformacije određena je nizom aminokiselina u lancu, tako da će dva molekula sa istom primarnom strukturom pod jednakim uslovima odgovarati istoj varijanti prostornog pakovanja. Ova konformacija osigurava funkcionalnu aktivnost proteina i naziva se nativna.
Tokom savijanja proteinske molekule, komponente aktivnog centra se približavaju jedna drugoj, koje se u primarnoj strukturi mogu značajno udaljiti jedna od druge.
Za jednolančane proteine, tercijarna struktura je konačni funkcionalni oblik. Složeni proteini sa više podjedinica formiraju kvaternarnu strukturu koja karakteriše raspored nekoliko lanaca u odnosu jedan na drugi.
Karakterizacija hemijskih veza u tercijarnoj strukturi proteina
U velikoj mjeri, savijanje polipeptidnog lanca je posljedica omjera hidrofilnih i hidrofobnih radikala. Prvi imaju tendenciju interakcije sa vodonikom (sastavnim elementom vode) i stoga su na površini, dok hidrofobni regioni, naprotiv, jure ka centru molekula. Ova konformacija je energetski najpovoljnija. ATrezultat je globula sa hidrofobnim jezgrom.
Hidrofilni radikali, koji ipak padaju u centar molekula, međusobno djeluju kako bi formirali jonske ili vodonične veze. Jonske veze mogu nastati između suprotno nabijenih radikala aminokiselina, a to su:
- kationske grupe arginina, lizina ili histidina (imaju pozitivan naboj);
- Karboksilne grupe radikala glutaminske i asparaginske kiseline (imaju negativan naboj).
Vodične veze nastaju interakcijom nenabijenih (OH, SH, CONH2) i nabijenih hidrofilnih grupa. Kovalentne veze (najjača u tercijarnoj konformaciji) nastaju između SH grupa ostataka cisteina, formirajući takozvane disulfidne mostove. Obično su ove grupe razmaknute u linearnom lancu i približavaju se jedna drugoj samo tokom procesa slaganja. Disulfidne veze nisu karakteristične za većinu intracelularnih proteina.
Conformational lability
Pošto su veze koje formiraju tercijarnu strukturu proteina vrlo slabe, Brownovo kretanje atoma u lancu aminokiselina može uzrokovati njihovo pucanje i formiranje na novim mjestima. To dovodi do male promjene u prostornom obliku pojedinih dijelova molekule, ali ne narušava nativnu konformaciju proteina. Ovaj fenomen se naziva konformaciona labilnost. Ovo posljednje igra veliku ulogu u fiziologiji ćelijskih procesa.
Na konformaciju proteina utiču njegove interakcije sa drugimamolekule ili promjene u fizičkim i kemijskim parametrima medija.
Kako se formira tercijarna struktura proteina
Proces savijanja proteina u njegov nativni oblik naziva se savijanje. Ovaj fenomen se zasniva na želji molekula da usvoji konformaciju sa minimalnom vrednošću slobodne energije.
Nikakvim proteinima nisu potrebni posredni instruktori koji će odrediti tercijarnu strukturu. Obrazac polaganja se inicijalno "zapisuje" u nizu aminokiselina.
Međutim, u normalnim uslovima, da bi veliki proteinski molekul usvojio nativnu konformaciju koja odgovara primarnoj strukturi, bilo bi potrebno više od triliona godina. Ipak, u živoj ćeliji ovaj proces traje svega nekoliko desetina minuta. Tako značajno smanjenje vremena je omogućeno učešćem u savijanju specijalizovanih pomoćnih proteina - foldaza i šaperona.
Sklapanje malih proteinskih molekula (do 100 aminokiselina u lancu) odvija se prilično brzo i bez učešća posrednika, što su pokazali in vitro eksperimenti.
Ffolding factor
Pomoćni proteini uključeni u savijanje podijeljeni su u dvije grupe:
- foldaze - imaju katalitičku aktivnost, potrebne su u količini znatno nižoj od koncentracije supstrata (kao i drugi enzimi);
- chaperones - proteini sa različitim mehanizmima djelovanja, potrebni u koncentraciji koja je uporediva s količinom savijenog supstrata.
Obje vrste faktora učestvuju u preklapanju, ali nisu uključenefinalni proizvod.
Grupa foldaza je predstavljena sa 2 enzima:
- Protein disulfid izomeraza (PDI) - kontroliše pravilno formiranje disulfidnih veza u proteinima sa velikim brojem cisteinskih ostataka. Ova funkcija je veoma važna, budući da su kovalentne interakcije veoma jake, a u slučaju pogrešne veze, protein se ne bi mogao preurediti i poprimiti nativnu konformaciju.
- Peptidil-prolyl-cis-trans-izomerase - omogućava promjenu konfiguracije radikala koji se nalaze na stranama prolina, što mijenja prirodu savijanja polipeptidnog lanca u ovoj oblasti.
Dakle, foldaze igraju korektivnu ulogu u formiranju tercijarne konformacije proteinskog molekula.
Chaperones
Chaperoni se inače nazivaju proteini toplotnog šoka ili stresa. To je zbog značajnog povećanja njihovog lučenja pri negativnim uticajima na ćeliju (temperatura, zračenje, teški metali, itd.).
Chaperoni pripadaju tri porodice proteina: hsp60, hsp70 i hsp90. Ovi proteini obavljaju mnoge funkcije, uključujući:
- Zaštita proteina od denaturacije;
- isključivanje međusobne interakcije novosintetiziranih proteina;
- sprečavanje formiranja pogrešnih slabih veza između radikala i njihove labijalizacije (korekcije).
Tako, pratioci doprinose brzom sticanju energetski ispravne konformacije, isključujući nasumično nabrajanje mnogih opcija i štiteći još nezrelemolekule proteina iz nepotrebne interakcije jedna s drugom. Osim toga, pratioci pružaju:
- neke vrste transporta proteina;
- refolding control (obnavljanje tercijarne strukture nakon njenog gubitka);
- održavanje nedovršenog savijanja (za neke proteine).
U potonjem slučaju, molekul šaperona ostaje vezan za protein na kraju procesa savijanja.
Denaturacija
Kršenje tercijarne strukture proteina pod utjecajem bilo kojeg faktora naziva se denaturacija. Gubitak prirodne konformacije nastaje kada se razbije veliki broj slabih veza koje stabiliziraju molekul. U ovom slučaju, protein gubi svoju specifičnu funkciju, ali zadržava svoju primarnu strukturu (peptidne veze se ne razaraju tokom denaturacije).
Tokom denaturacije dolazi do prostornog povećanja proteinskog molekula, a hidrofobna područja ponovo izlaze na površinu. Polipeptidni lanac poprima konformaciju nasumične zavojnice, čiji oblik zavisi od toga koje su veze tercijarne strukture proteina prekinute. U ovom obliku, molekul je podložniji učincima proteolitičkih enzima.
Faktori koji krše tercijarnu strukturu
Postoji niz fizičkih i hemijskih utjecaja koji mogu uzrokovati denaturaciju. Ovo uključuje:
- temperatura iznad 50 stepeni;
- zračenje;
- promjena pH medija;
- soli teških metala;
- neka organska jedinjenja;
- deterdženti.
Nakon prestanka denaturirajućeg efekta, protein može obnoviti tercijarnu strukturu. Ovaj proces se naziva renaturacija ili ponovno savijanje. U uslovima in vitro, to je moguće samo za male proteine. U živoj ćeliji, ponovno savijanje obezbjeđuju pratioci.
