Третичната структура на протеина е начинът, по който полипептидната верига се нагъва в триизмерно пространство. Тази конформация възниква поради образуването на химични връзки между аминокиселинни радикали, отдалечени един от друг. Този процес се осъществява с участието на молекулярните механизми на клетката и играе огромна роля за придаване на функционална активност на протеините.
Характеристики на третичната структура
Следните видове химични взаимодействия са характерни за третичната структура на протеините:
- jonic;
- водород;
- хидрофобни;
- ван дер Ваалс;
- дисулфид.
Всички тези връзки (с изключение на ковалентния дисулфид) обаче са много слаби, поради количеството, което стабилизират пространствената форма на молекулата.
Всъщност, третото ниво на сгъване на полипептидни вериги е комбинация от различни елементи от вторичната структура (α-спирали; β-нагънати слоеве ибримки), които са ориентирани в пространството поради химични взаимодействия между страничните аминокиселинни радикали. За схематично индикация на третичната структура на протеина, α-спирали са обозначени с цилиндри или спирални линии, сгънати слоеве със стрелки и бримки с прости линии.
Естеството на третичната конформация се определя от последователността на аминокиселините във веригата, така че две молекули с еднаква първична структура при равни условия ще съответстват на един и същ вариант на пространствено опаковане. Тази конформация осигурява функционалната активност на протеина и се нарича нативна.
По време на сгъването на протеиновата молекула компонентите на активния център се сближават, които в първичната структура могат значително да бъдат отстранени един от друг.
За едноверижните протеини третичната структура е крайната функционална форма. Сложните протеини с множество субединици образуват кватернерна структура, която характеризира подреждането на няколко вериги една спрямо друга.
Характеризиране на химичните връзки в третичната структура на протеин
До голяма степен сгъването на полипептидната верига се дължи на съотношението на хидрофилни и хидрофобни радикали. Първите са склонни да взаимодействат с водорода (съставен елемент на водата) и следователно са на повърхността, докато хидрофобните области, напротив, се втурват към центъра на молекулата. Тази конформация е енергийно най-благоприятната. ATрезултатът е глобула с хидрофобно ядро.
Хидрофилните радикали, които въпреки това попадат в центъра на молекулата, взаимодействат един с друг, за да образуват йонни или водородни връзки. Йонни връзки могат да възникнат между противоположно заредени аминокиселинни радикали, които са:
- катионни групи на аргинин, лизин или хистидин (имат положителен заряд);
- Карбоксилни групи от радикали на глутаминова и аспарагинова киселина (имат отрицателен заряд).
Водородните връзки се образуват от взаимодействието на незаредени (OH, SH, CONH2) и заредени хидрофилни групи. Ковалентните връзки (най-силните в третичната конформация) възникват между SH групите на цистеинови остатъци, образувайки така наречените дисулфидни мостове. Обикновено тези групи са разположени на разстояние в линейна верига и се доближават една до друга само по време на процеса на подреждане. Дисулфидните връзки не са характерни за повечето вътреклетъчни протеини.
Конформационна лабилност
Тъй като връзките, които образуват третичната структура на протеина, са много слаби, Брауновото движение на атомите в аминокиселинна верига може да доведе до тяхното разпадане и образуване на нови места. Това води до лека промяна в пространствената форма на отделните участъци от молекулата, но не нарушава естествената конформация на протеина. Това явление се нарича конформационна лабилност. Последният играе огромна роля във физиологията на клетъчните процеси.
Протеиновата конформация се влияе от взаимодействията му с другитемолекули или промени във физичните и химичните параметри на средата.
Как се формира третичната структура на протеин
Процесът на сгъване на протеин в неговата естествена форма се нарича сгъване. Това явление се основава на желанието на молекулата да приеме конформация с минимална стойност на свободната енергия.
Нито един протеин не се нуждае от посреднически инструктори, които ще определят третичната структура. Моделът на снасяне първоначално се "записва" в последователността от аминокиселини.
Въпреки това, при нормални условия, за да може голяма протеинова молекула да приеме естествена конформация, съответстваща на първичната структура, ще са необходими повече от трилион години. Въпреки това в жива клетка този процес продължава само няколко десетки минути. Такова значително намаляване на времето се осигурява от участието в сгъването на специализирани спомагателни протеини - фолдази и шаперони.
Сгъването на малки протеинови молекули (до 100 аминокиселини във верига) става доста бързо и без участието на посредници, което беше показано от in vitro експерименти.
Сгъваеми фактори
Помощните протеини, участващи в сгъването, са разделени на две групи:
- фолдази - имат каталитична активност, необходими са в количество, значително по-ниско от концентрацията на субстрата (като други ензими);
- шаперони - протеини с различни механизми на действие, необходими в концентрация, сравнима с количеството на нагънатия субстрат.
И двата типа фактори участват в сгъването, но не са включеникраен продукт.
Групата фолдази е представена от 2 ензима:
- Протеин дисулфидна изомераза (PDI) - контролира правилното образуване на дисулфидни връзки в протеини с голям брой цистеинови остатъци. Тази функция е много важна, тъй като ковалентните взаимодействия са много силни и в случай на грешни връзки, протеинът няма да може да се пренареди и да приеме естествена конформация.
- Пептидил-пролил-цис-транс-изомераза - осигурява промяна в конфигурацията на радикалите, разположени отстрани на пролина, което променя естеството на огъването на полипептидната верига в тази област.
По този начин фолдазите играят коригираща роля в образуването на третичната конформация на протеиновата молекула.
Chaperones
Шапероните иначе се наричат топлинен шок или стрес протеини. Това се дължи на значително увеличаване на тяхната секреция при негативни ефекти върху клетката (температура, радиация, тежки метали и др.).
Шапероните принадлежат към три протеинови семейства: hsp60, hsp70 и hsp90. Тези протеини изпълняват много функции, включително:
- Защита на протеини от денатурация;
- изключване на взаимодействието на новосинтезирани протеини един с друг;
- предотвратяване на образуването на неправилни слаби връзки между радикалите и тяхното лабиализиране (корекция).
По този начин придружителите допринасят за бързото придобиване на енергийно правилната конформация, изключвайки произволното изброяване на много опции и предпазвайки все още неузрелипротеинови молекули от ненужно взаимодействие помежду си. В допълнение, придружителите осигуряват:
- някои видове протеинов транспорт;
- контрол за повторно сгъване (възстановяване на третичната структура след нейната загуба);
- поддържане на незавършено състояние на сгъване (за някои протеини).
В последния случай, шаперонната молекула остава свързана с протеина в края на процеса на сгъване.
Денатурация
Нарушаването на третичната структура на протеина под въздействието на каквито и да е фактори се нарича денатурация. Загубата на естествената конформация настъпва, когато голям брой слаби връзки, които стабилизират молекулата, са счупени. В този случай протеинът губи своята специфична функция, но запазва първичната си структура (пептидните връзки не се разрушават по време на денатурация).
По време на денатурация настъпва пространствено увеличение на протеиновата молекула и хидрофобните зони отново излизат на повърхността. Полипептидната верига придобива конформацията на произволна намотка, чиято форма зависи от това кои връзки от третичната структура на протеина са били скъсани. В тази форма молекулата е по-податлива на ефектите на протеолитичните ензими.
Фактори, нарушаващи третичната структура
Има редица физични и химични влияния, които могат да причинят денатурация. Те включват:
- температура над 50 градуса;
- радиация;
- промяна на pH на средата;
- соли на тежки метали;
- някои органични съединения;
- перилни препарати.
След прекратяване на денатуриращия ефект, протеинът може да възстанови третичната структура. Този процес се нарича ренатурация или повторно нагъване. При условия in vitro това е възможно само за малки протеини. В жива клетка повторното сгъване се осигурява от придружители.
