Trzeciorzędowa struktura białka to sposób, w jaki łańcuch polipeptydowy jest fałdowany w przestrzeni trójwymiarowej. Ta konformacja powstaje w wyniku tworzenia wiązań chemicznych pomiędzy odległymi od siebie rodnikami aminokwasów. Proces ten odbywa się przy udziale mechanizmów molekularnych komórki i odgrywa ogromną rolę w nadawaniu białkom aktywności funkcjonalnej.
Cechy struktury trzeciorzędnej
Następujące rodzaje oddziaływań chemicznych są charakterystyczne dla trzeciorzędowej struktury białek:
- jonowy;
- wodór;
- hydrofobowy;
- van der Waals;
- dwusiarczki.
Wszystkie te wiązania (z wyjątkiem dwusiarczku kowalencyjnego) są bardzo słabe, jednak ze względu na ilość, jaką stabilizują przestrzenny kształt cząsteczki.
W rzeczywistości trzeci poziom fałdowania łańcuchów polipeptydowych jest połączeniem różnych elementów struktury drugorzędowej (α-helisy; β-fałdowane warstwy ipętle), które są zorientowane w przestrzeni w wyniku oddziaływań chemicznych pomiędzy bocznymi rodnikami aminokwasów. Aby schematycznie wskazać trzeciorzędową strukturę białka, α-helisy są oznaczone cylindrycznymi lub spiralnymi liniami, złożone warstwy strzałkami, a pętle prostymi liniami.
Natura konformacji trzeciorzędowej jest określona przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu, więc dwie cząsteczki o tej samej strukturze pierwszorzędowej w równych warunkach będą odpowiadać temu samemu wariantowi upakowania przestrzennego. Ta konformacja zapewnia funkcjonalną aktywność białka i jest nazywana natywną.
Podczas fałdowania cząsteczki białka, składniki aktywnego centrum zbliżają się do siebie, co w strukturze pierwszorzędowej może być znacznie od siebie oddzielone.
W przypadku białek jednoniciowych struktura trzeciorzędowa jest ostateczną formą funkcjonalną. Złożone białka wielopodjednostkowe tworzą strukturę czwartorzędową, która charakteryzuje ułożenie kilku łańcuchów względem siebie.
Charakterystyka wiązań chemicznych w trzeciorzędowej strukturze białka
W dużej mierze fałdowanie łańcucha polipeptydowego wynika ze stosunku rodników hydrofilowych i hydrofobowych. Te pierwsze mają tendencję do interakcji z wodorem (składnikiem składowym wody) i dlatego znajdują się na powierzchni, podczas gdy regiony hydrofobowe, przeciwnie, pędzą do środka cząsteczki. Ta konformacja jest najkorzystniejsza energetycznie. Wwynikiem jest kulka z hydrofobowym rdzeniem.
rodniki hydrofilowe, które mimo to wpadają do środka cząsteczki, oddziałują ze sobą, tworząc wiązania jonowe lub wodorowe. Wiązania jonowe mogą występować pomiędzy przeciwnie naładowanymi rodnikami aminokwasów, którymi są:
- kationowe grupy argininy, lizyny lub histydyny (mają ładunek dodatni);
- Grupy karboksylowe rodników kwasu glutaminowego i asparaginowego (mają ładunek ujemny).
Wiązania wodorowe powstają w wyniku interakcji nienaładowanych (OH, SH, CONH
) i naładowanych grup hydrofilowych. Wiązania kowalencyjne (najsilniejsze w konformacji trzeciorzędowej) powstają pomiędzy grupami SH reszt cysteiny, tworząc tzw. mostki dwusiarczkowe. Zazwyczaj grupy te są rozmieszczone w liniowym łańcuchu i zbliżają się do siebie tylko podczas procesu układania. Wiązania dwusiarczkowe nie są charakterystyczne dla większości białek wewnątrzkomórkowych.
Niestabilność konformacyjna
Ponieważ wiązania tworzące trzeciorzędową strukturę białka są bardzo słabe, ruchy Browna atomów w łańcuchu aminokwasów mogą powodować ich pękanie i tworzenie się w nowych miejscach. Prowadzi to do nieznacznej zmiany kształtu przestrzennego poszczególnych odcinków cząsteczki, ale nie narusza natywnej konformacji białka. Zjawisko to nazywa się labilnością konformacyjną. Ta ostatnia odgrywa ogromną rolę w fizjologii procesów komórkowych.
Konformacja białka zależy od jego interakcji z innymicząsteczki lub zmiany parametrów fizycznych i chemicznych ośrodka.
Jak powstaje trzeciorzędowa struktura białka
Proces fałdowania białka w jego natywną formę nazywa się fałdowaniem. Zjawisko to opiera się na dążeniu cząsteczki do przyjęcia konformacji o minimalnej wartości energii swobodnej.
Żadne białko nie wymaga instruktorów pośredniczących, którzy określą strukturę trzeciorzędową. Wzór układania jest początkowo „zapisany” w sekwencji aminokwasów.
Jednak w normalnych warunkach, aby duża cząsteczka białka przyjęła natywną konformację odpowiadającą strukturze pierwszorzędowej, zajęłoby to ponad bilion lat. Niemniej jednak w żywej komórce proces ten trwa zaledwie kilkadziesiąt minut. Tak znaczne skrócenie czasu zapewnia udział w fałdowaniu wyspecjalizowanych białek pomocniczych – foldaz i białek opiekuńczych.
Fałdowanie małych cząsteczek białka (do 100 aminokwasów w łańcuchu) zachodzi dość szybko i bez udziału pośredników, co wykazały eksperymenty in vitro.
Czynniki składania
Białka pomocnicze zaangażowane w fałdowanie dzielą się na dwie grupy:
- foldazy - mają aktywność katalityczną, są wymagane w ilości znacznie niższej od stężenia substratu (podobnie jak inne enzymy);
- chaperony - białka o różnych mechanizmach działania, potrzebne w stężeniu porównywalnym do ilości złożonego substratu.
Oba typy czynników biorą udział w składaniu, ale nie są uwzględnioneprodukt końcowy.
Grupa foldaz jest reprezentowana przez 2 enzymy:
- Izomeraza dwusiarczkowa białka (PDI) - kontroluje prawidłowe tworzenie wiązań dwusiarczkowych w białkach z dużą liczbą reszt cysteiny. Ta funkcja jest bardzo ważna, ponieważ oddziaływania kowalencyjne są bardzo silne, a w przypadku błędnych połączeń białko nie byłoby w stanie przestawić się i przyjąć natywnej konformacji.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-izomeraza - zapewnia zmianę konfiguracji rodników znajdujących się po bokach proliny, co zmienia charakter zagięcia łańcucha polipeptydowego w tym obszarze.
Tak więc, foldazy odgrywają korygującą rolę w tworzeniu trzeciorzędowej konformacji cząsteczki białka.
Opiekunowie
Opiekunowie są inaczej nazywane białkami szoku cieplnego lub stresu. Wynika to ze znacznego wzrostu ich wydzielania podczas negatywnego wpływu na komórkę (temperatura, promieniowanie, metale ciężkie itp.).
Opiekunowie należą do trzech rodzin białek: hsp60, hsp70 i hsp90. Białka te pełnią wiele funkcji, w tym:
- Ochrona białek przed denaturacją;
- wykluczenie wzajemnego oddziaływania nowo syntetyzowanych białek;
- zapobieganie powstawaniu nieprawidłowych słabych wiązań między rodnikami i ich labializacji (korekta).
W ten sposób chaperony przyczyniają się do szybkiego uzyskania prawidłowej energetycznie konformacji, wykluczając losowe wyliczanie wielu opcji i chroniąc jeszcze niedojrzałecząsteczki białka z niepotrzebnych interakcji ze sobą. Ponadto opiekunowie zapewniają:
- niektóre rodzaje transportu białek;
- kontrola ponownego fałdowania (przywrócenie struktury trzeciorzędowej po jej utracie);
- utrzymywanie niedokończonego stanu fałdowania (dla niektórych białek).
W tym drugim przypadku cząsteczka opiekuńcza pozostaje związana z białkiem pod koniec procesu fałdowania.
Denaturacja
Naruszenie trzeciorzędowej struktury białka pod wpływem jakichkolwiek czynników nazywa się denaturacją. Utrata natywnej konformacji następuje, gdy duża liczba słabych wiązań stabilizujących cząsteczkę zostaje zerwana. W tym przypadku białko traci swoją specyficzną funkcję, ale zachowuje swoją pierwotną strukturę (wiązania peptydowe nie ulegają zniszczeniu podczas denaturacji).
Podczas denaturacji następuje przestrzenny wzrost cząsteczki białka i obszary hydrofobowe ponownie wychodzą na powierzchnię. Łańcuch polipeptydowy przybiera konformację nieuporządkowanej spirali, której kształt zależy od tego, które wiązania struktury trzeciorzędowej białka zostały zerwane. W tej formie cząsteczka jest bardziej podatna na działanie enzymów proteolitycznych.
Czynniki naruszające strukturę trzeciorzędową
Istnieje wiele fizycznych i chemicznych czynników, które mogą powodować denaturację. Należą do nich:
- temperatura powyżej 50 stopni;
- promieniowanie;
- zmiana pH medium;
- sole metali ciężkich;
- niektóre związki organiczne;
- detergenty.
Po zakończeniu efektu denaturacji białko może przywrócić strukturę trzeciorzędową. Ten proces nazywa się renaturacją lub ponownym fałdowaniem. W warunkach in vitro jest to możliwe tylko dla małych białek. W żywej komórce ponowne fałdowanie zapewniają opiekunowie.
