Publicitate pe portal

Proprietățile native ale unei proteine ​​sunt determinate de structura acesteia. Structura terțiară. Fundamentele teoretice ale lecției

S-a dovedit existența a 4 niveluri de organizare structurală a moleculei proteice.

Structura primară a unei proteine- secvența resturilor de aminoacizi din lanțul polipeptidic. În proteine, aminoacizii individuali sunt legați unul de celălalt. legături peptidice care rezultă din interacțiunea grupărilor a-carboxil și a-amino ale aminoacizilor.

Până în prezent, structura primară a zeci de mii de proteine ​​diferite a fost descifrată. Pentru a determina structura primară a unei proteine, metodele de hidroliză determină compoziția aminoacizilor. Se determină apoi natura chimică a aminoacizilor terminali. Următorul pas este determinarea secvenței de aminoacizi din lanțul polipeptidic. Pentru aceasta, se utilizează hidroliza parțială selectivă (chimică și enzimatică). Este posibil să se utilizeze analiza de difracție cu raze X, precum și date despre secvența de nucleotide complementară a ADN-ului.

Structura secundară a unei proteine– configurația lanțului polipeptidic, adică o metodă de împachetare a unui lanț polipeptidic într-o conformație specifică. Acest proces nu decurge haotic, ci în conformitate cu programul stabilit în structura primară.

Stabilitatea structurii secundare este asigurată în principal de legăturile de hidrogen, totuși, legăturile covalente - legăturile peptidice și disulfurice - au o anumită contribuție.

Este considerat cel mai probabil tip de structură a proteinelor globulare a-helix. Răsucirea lanțului polipeptidic are loc în sensul acelor de ceasornic. Fiecare proteină se caracterizează printr-un anumit grad de spiralizare. Dacă lanțurile de hemoglobină sunt 75% elicoidale, atunci pepsina este de doar 30%.

Se numește tipul de configurație a lanțurilor polipeptidice găsite în proteinele părului, mătăsii și mușchilor b-structuri. Segmentele lanțului peptidic sunt aranjate într-un singur strat, formând o figură asemănătoare unei foi pliate într-un acordeon. Stratul poate fi format din doi sau cantitate mare lanțuri peptidice.

În natură, există proteine ​​a căror structură nu corespunde nici structurii β sau a, de exemplu, colagenul este o proteină fibrilă care alcătuiește cea mai mare parte a țesutului conjunctiv la oameni și animale.

Structura terțiară a unei proteine- orientarea spaţială a helixului polipeptidic sau metoda de aşezare a lanţului polipeptidic într-un anumit volum. Prima proteină a cărei structură terțiară a fost elucidată prin analiza de difracție cu raze X este mioglobina de cașlot (Fig. 2).

În stabilizarea structurii spațiale a proteinelor, pe lângă legăturile covalente, rolul principal îl au și legăturile necovalente (hidrogen, interacțiuni electrostatice ale grupărilor încărcate, forțe intermoleculare van der Waals, interacțiuni hidrofobe etc.).

Conform conceptelor moderne, structura terțiară a unei proteine ​​după terminarea sintezei acesteia se formează spontan. De bază forta motrice este interacțiunea radicalilor de aminoacizi cu moleculele de apă. În acest caz, radicalii hidrofobi nepolari ai aminoacizilor sunt scufundați în interiorul moleculei proteice, iar radicalii polari sunt orientați spre apă. Procesul de formare a structurii spațiale native a lanțului polipeptidic este numit pliere. Celulele au proteine ​​izolate numite însoțitori. Ei participă la pliere. Au fost descrise o serie de boli ereditare umane, a căror dezvoltare este asociată cu o încălcare din cauza mutațiilor în procesul de pliere (pigmentoză, fibroză etc.).

Existența unor niveluri de organizare structurală a unei molecule proteice, intermediare între structurile secundare și terțiare, a fost dovedită prin metodele de analiză prin difracție cu raze X. Domeniu este un globular compact unitate structuralăîn interiorul lanțului polipeptidic (Fig. 3). Au fost descoperite multe proteine ​​(de exemplu, imunoglobuline) care constau din domenii care sunt diferite ca structură și funcție și sunt codificate de gene diferite.

Toate proprietățile biologice ale proteinelor sunt asociate cu păstrarea structurii lor terțiare, care se numește nativ. Un globul proteic nu este o structură absolut rigidă: sunt posibile mișcări reversibile ale unor părți ale lanțului peptidic. Aceste modificări nu perturbă conformația generală a moleculei. Conformația unei molecule de proteine ​​este influențată de pH-ul mediului, puterea ionică a soluției și interacțiunea cu alte substanțe. Orice impact care duce la o încălcare a conformației native a moleculei este însoțit de o pierdere parțială sau completă a proteinei proprietăților sale biologice.

Structura proteinelor cuaternare- o metodă de așezare în spațiu a lanțurilor polipeptidice individuale cu aceeași structură primară, secundară sau terțiară aceeași sau diferită și formarea unei singure formațiuni macromoleculare din punct de vedere structural și funcțional.

Se numește o moleculă de proteină constând din mai multe lanțuri polipeptidice oligomer, și fiecare lanț inclus în el - protomer. Proteinele oligomerice sunt mai des construite dintr-un număr par de protomeri, de exemplu, o moleculă de hemoglobină este formată din două lanțuri polipeptidice a și două b (Fig. 4).

Structura cuaternară are aproximativ 5% din proteine, inclusiv hemoglobina, imunoglobuline. Structura subunității este caracteristică multor enzime.

Moleculele proteice care alcătuiesc o proteină cu structură cuaternară se formează separat pe ribozomi și abia după terminarea sintezei formează o structură supramoleculară comună. O proteină dobândește activitate biologică numai atunci când protomerii ei constituenți se combină. La stabilizarea structurii cuaternare participă aceleași tipuri de interacțiuni ca și la stabilizarea terțiarului.

Unii cercetători recunosc existența unui al cincilea nivel de organizare structurală a proteinelor. Aceasta este metaboloni - complexe macromoleculare polifuncționale de diverse enzime care catalizează întregul traseu al transformărilor substratului (sintetaze superioare de acizi grași, complex de piruvat dehidrogenază, lanț respirator).

Legătura peptidică determină coloana vertebrală (coloana vertebrală) a structurii primare a moleculei proteice și îi conferă rigiditate.

Fundamentele teoretice ale lecției

Structura unei molecule de proteine

Scopul lecției: pentru a studia tipurile de organizare macromoleculară a moleculelor de proteine.

Structura primară a proteinelor- secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic (sau lanțurile) și poziția legăturilor disulfurice (dacă există).

Structura primară este stabilizată de legături covalente: legături peptidice, iar în unele peptide, legături disulfură.

Distrugerea legăturilor covalente ale structurii primare - hidroliza: 1) acidă - în 6 n. HCI, 100-110°C, 24 ore; 2) enzimatic - cu ajutorul enzimelor proteolitice din stomac la pH 1,5-5,0 - pepsina; tripsină, chimotripsină, carboxipeptidază - în duoden; dipeptidaze, tripeptidaze și aminopeptidaze - în intestinul subțire, la pH 8,6.

Caracterizarea legăturii peptidice. Legătura peptidică este plană (coplanară). Conexiune C-N seamănă cu o legătură dublă (rotația este imposibilă) datorită conjugării p, π (conjugarea unei perechi libere de electroni ai unui atom cu electronii π ai dublei legături C=O).

Secvența de aminoacizi din structura primară a unei proteine ​​este specii specifice caracteristice acestei proteine.

Structura primară a unei proteine determinate genetic şi reproduse în procesele de transcripţie şi traducere.

Structura primară a unei proteine ​​este de bază pentru formarea structurilor proteice ulterioare datorită interacțiunii radicalilor reziduurilor de aminoacizi ale lanțului polipeptidic.

Înlocuirea unui aminoacid din seria L cu un aminoacid din seria D sau înlocuirea chiar și a unui L-aminoacid cu altul poate duce la dispariția completă activitate biologică peptidă.

Peptide active fiziologic conțin de la 3 la 100 de resturi de aminoacizi (MM sub 6000 Da). Spre deosebire de proteine, polipeptidele pot conține aminoacizi neproteinogeni sau proteinogeni modificați. Exemple:

1. Bradikinina și kalidina provoacă relaxarea mușchilor netezi și sunt produse ale proteolizei plasmei specifice a 2-globulinelor, prin urmare aceste peptide conțin doar aminoacizi proteinogeni:

bradikinină: arg-pro-pro-gly-phen-ser-pro-phen-arg;

Kallidin: Lys-arg-pro-pro-gli-phen-ser-pro-phen-arg.

2. Glutationul (γ-glu-cis-gli) se găsește în toate celulele. Este necesar pentru transportul aminoacizilor prin membrane, pentru funcționarea unui număr de enzime. Reține legături disulfurice, conține o legătură peptidică atipică atunci când glutamatul nu este legat de cisteină printr-o grupare α-amino.

Polimorfismul proteic- aceasta este existenta aceleiasi proteine ​​in mai multe forme moleculare care difera prin structura primara, fizica si proprietăți chimiceşi manifestări ale activităţii biologice.



Cauzele polimorfismului proteic sunt recombinările și mutațiile genelor. Izoproteinele sunt forme moleculare multiple ale unei proteine ​​găsite în organismele aceleiași specii ca urmare a existenței mai multor gene structurale în fondul genetic al speciilor. Genele multiple pot fi reprezentate ca alele multiple sau ca loci genetici multipli.

Exemple de polimorfism proteic.

1. Polimorfismul proteic în filogeneză - existența unor proteine ​​omoloage la diferite specii. În aceste proteine, regiunile structurii primare responsabile de funcția lor rămân conservatoare (neschimbate). Pentru a înlocui proteinele pierdute în corpul uman, se folosesc proteine ​​animale omoloage, în structura primară a cărora există diferențe minime (insulina bovină, porcină, cașlot).

2. Polimorfismul proteinelor în ontogeneză - existența unor proteine ​​omoloage în diferite segmente ale ciclului de viață al unui organism. Fatul are hemoglobina F (hemoglobina fetala, α 2 γ 2 , are o mare afinitate pentru oxigen). După naștere, este înlocuită cu hemoglobina A 1 (a 2 b 2).

3. Polimorfismul proteinelor tisulare. Aceeași enzimă din celule diferite catalizează aceeași reacție, dar are diferențe în structura primară - izoenzime. Determinarea izoenzimelor din sânge ajută la diagnosticarea leziunilor unui anumit țesut.

4. Polimorfismul proteic în patologie. Luați în considerare exemplul mai multor forme de mutații care sunt moștenite. În acest caz, cel mai adesea există o înlocuire a unui aminoacid acid cu unul bazic sau neutru:

în HbC, înlocuirea glu 6 în lanțul β prin liză;

în HbE, înlocuirea glu 26 în lanțul β cu lys;

în HbI, înlocuirea lys 16 în lanțul β cu asp;

în HbS, înlocuirea glu 6 din lanțul β cu un arbore.

În acest din urmă caz, apare o boală precum anemia falciformă. Hemoglobinele anormale diferă de cele normale prin încărcare și mobilitatea electroforetică. Modificările fizico-chimice ale hemoglobinei sunt însoțite de o încălcare a transportului de oxigen.

Structura secundară a unei proteine- organizarea regulată a lanțului polipeptidic, stabilizat prin legături de hidrogen. Legăturile de hidrogen se formează între grupele NH și CO ale legăturilor peptidice. Există a-helix, b-structură și conformație dezordonată (coil).

a-Spirală. Răsucirea lanțului polipeptidic este în sensul acelor de ceasornic (helix dreapta), ceea ce se datorează structurii L-aminoacizilor. Pentru fiecare tură (pas) a helixului, există 3,6 reziduuri de aminoacizi. Pasul helixului este de 0,54 nm, cu 0,15 nm per reziduu de aminoacid. Unghiul spiralei este 26 0 . la fiecare 5 spire ale helixului (18 resturi de aminoacizi) se repetă structura lanțului polipeptidic. Legăturile de hidrogen sunt paralele cu axa helixului și apar între fiecare prim și fiecare al cincilea reziduu de aminoacizi. Formarea unui a-helix este împiedicată de prolină și aminoacizi cu radicali voluminosi și încărcați.

Β-Structură. În proteinele fibrilare, două sau mai multe lanțuri polipeptidice liniare sunt strâns legate prin legături de hidrogen perpendiculare pe axa moleculei (stratul B pliat). Dacă două lanțuri polipeptidice sunt conectate prin legături de hidrogen între lanțuri, mergând în aceeași direcție de la capătul N la capătul C, atunci aceasta este o structură β paralelă. Dacă capetele N și C ale lanțurilor sunt opuse, atunci aceasta este o structură b antiparalelă. Dacă un lanț polipeptidic se îndoaie și rulează paralel cu el însuși, atunci aceasta este o structură β-încrucișată antiparalelă. Locurile de îndoire a lanțului sunt determinate de pro, gli, asn-b-bend.

conformatie dezordonata. Secțiunile unei molecule de proteine ​​care nu aparțin structurilor elicoidale sau pliate se numesc dezordonate. Într-o reprezentare grafică, secțiunile în spirală sunt reprezentate ca un cilindru, iar structurile pliate sunt reprezentate cu o săgeată. Se distinge conceptul de structură suprasecundară, care este o alternanță regulată a secțiunilor elicoidale a și structurilor b.

Structura terțiară- conformația lanțului polipeptidic ca întreg (adică localizarea în spațiul tridimensional). Structura terțiară este stabilizată prin legături și interacțiuni între radicalii resturilor de aminoacizi ale lanțului polipeptidic: legătură covalentă - disulfură, precum și hidrogen, legături ionice și interacțiune hidrofobă. Tipuri de proteine ​​cu structură terțiară:

proteinele, în care predomină secțiunile elicoidale a, au forma unui glob (proteine ​​globulare) și efectuează funcții dinamice;

proteinele, care sunt dominate de structurile stratului B pliat, au o formă filamentoasă (proteine ​​fibrilare) și îndeplinesc funcții structurale;

Colagenul este cea mai comună proteină din lumea animală (până la 25% din toate proteinele corpului), are o structură specială. Molecula de colagen (tropocolagen) este construită din trei lanțuri polipeptidice. Fiecare lanț polipeptidic conține aproximativ 1000 de resturi de aminoacizi (35% glicină, 21% prolină și hidroxiprolină, 11% alanină). Fiecare lanț polipeptidic are o conformație de helix strânsă (3 reziduuri de aminoacizi pe tură). În molecula de tropocolagen, toate cele trei elice sunt împletite între ele, formând un garou. Legăturile de hidrogen se formează între elice datorită grupărilor peptidice. Această structură asigură rezistența fibrelor de colagen.

Structura proteinelor native.

Multe proteine ​​din structura terțiară au segmente elicoidale, pliate și dezordonate. În același timp, din punct de vedere funcțional și structural, este important aranjament reciproc radicali de aminoacizi. Se folosesc următorii termeni:

domenii – zone anatomic distincte ale structurii terțiare a proteinei, responsabile de îndeplinirea unei funcții specifice a proteinei;

buzunare hidrofobe – cavități din structura terțiară căptușite cu radicali de aminoacizi hidrofobi; servesc la scufundarea liganzilor hidrofobi în molecula proteică;

clustere hidrofobe – zonele suprafeței proteice în care sunt concentrați radicalii aminoacizilor hidrofobi; servesc la interacțiunea cu clustere hidrofobe de alte molecule.

Pentru a îndeplini o funcție, o proteină trebuie să aibă o structură terțiară (conformație) specifică și adesea singura - structura nativă.

Este cauzată de interacțiunea reziduurilor de aminoacizi care sunt departe unul de celălalt într-o secvență liniară. Factori de întreținere:

    legături de hidrogen

    interacțiuni hidrofobe (necesare pentru structura și funcțiile biologice ale proteinei)

    punți de disulfură și sare

    legături ionice și van der Waals.

În majoritatea proteinelor, pe suprafața moleculelor există reziduuri de radicali de aminoacizi care au proprietăți hidrofile. HC - radicalii care sunt hidrofobi sunt localizați în interiorul moleculelor. Această distribuție este importantă în formarea structurii și proprietăților native ale proteinei.

Drept urmare, proteinele au o înveliș hidrar, iar stabilizarea structurii terțiare se datorează în mare parte interacțiunilor hidrofobe. De exemplu, 25-30% din resturile de aminoacizi din moleculele de globulină au radicali hidrofobi pronunțați, 45-50% conțin grupări de radicali ionici și polari.

Lanțurile laterale ale reziduurilor de aminoacizi care sunt responsabile pentru structura proteinelor se disting prin dimensiune, formă, sarcină și capacitatea de a forma legături de hidrogen, precum și prin reactivitate chimică:

    catene laterale alifatice, de exemplu, valină, alanină. Aceste reziduuri sunt cele care formează interacțiuni hidrofobe.

    alifatice hidroxilate (serie, treonină). Aceste resturi de aminoacizi participă la formarea legăturilor de hidrogen, precum și a esterilor, de exemplu, cu acidul sulfuric.

    aromatice - acestea sunt reziduurile de fenilalanina, tirozina, triptofan.

    reziduuri de aminoacizi cu proprietăți bazice (lizină, arginină, histidină). Predominanța unor astfel de aminoacizi în lanțul polipeptidic conferă proteinelor proprietățile lor de bază.

    reziduuri cu proprietăți acide (acizi aspartic și glutamic)

    amidă (asparagină, glutamină)

Proteinele care conțin mai multe lanțuri polipeptidice au o structură cuaternară. Aceasta se referă la modul în care lanțurile sunt stivuite unul față de celălalt. Astfel de enzime se numesc subunități. În prezent, este obișnuit să se folosească termenul „domeniu”, care se referă la o unitate globulară compactă a unei molecule de proteine. Multe proteine ​​sunt compuse din mai multe astfel de unități cu mase cuprinse între 10 și 20 kDa. În proteinele cu greutate moleculară mare, domeniile individuale sunt conectate prin regiuni PPC relativ flexibile. În organismul animalelor și al oamenilor, există organizații structurale și mai complexe ale proteinelor, un exemplu dintre care pot fi sisteme multienzimatice, în special, complexul piruvat decarboxilază.

Conceptul de proteină nativă

La anumite valori ale pH-ului și temperaturii, PPC are, de regulă, o singură conformație, numită nativă și la care proteina își îndeplinește funcția specifică în organism. Aproape întotdeauna, această singură conformație domină energetic zeci și sute de alte conformații.

Clasificare. Proprietățile biologice și chimice ale proteinelor

Nu există o clasificare satisfăcătoare a proteinelor; ele sunt clasificate condiționat în funcție de structura lor spațială, solubilitate, funcții biologice, proprietăți fizico-chimice și alte caracteristici.

1. După structura și forma moleculelor, proteinele sunt împărțite în:

    globular (sferic)

    fibrilar (filamentos)

2. după compoziția chimică se împart în:

Simplu, care constau numai din reziduuri de aminoacizi

Complex, au compuși non-proteici în moleculele lor. Clasificarea proteinelor complexe se bazează pe natura chimică a componentelor neproteice.

Unul dintre principalele tipuri de clasificare:

Z. după funcţiile biologice îndeplinite:

cataliză enzimatică. În sistemele biologice, toate reacțiile chimice sunt catalizate de proteine ​​​​enzimei specifice. Peste 2000 cunoscute

enzime. Enzimele sunt biocatalizatori puternici care accelerează reacțiile de cel puțin 1 milion de ori.

Transport și acumulare

Transferul multor molecule mici și diferiți ioni este adesea efectuat de proteine ​​specifice, cum ar fi hemoglobina, mioglobina, care transportă oxigen. Exemplu de acumulare: feritina se acumulează în ficat.

mișcare coordonată. Proteinele sunt componenta principală a mușchilor contractili (fibre de actină și miozină). Mișcarea la nivel microscopic este divergența cromozomilor în timpul mitozei, mișcarea spermatozoizilor datorită flagelilor.

    suport mecanic. Elasticitatea ridicată a pielii și a oaselor se datorează prezenței unei proteine ​​fibrilare - colagenul.

    protectie imunitara. Anticorpii sunt proteine ​​foarte specifice capabile să recunoască și să lege viruși, bacterii, celule ale altor organisme.

Generarea și transmiterea impulsurilor. Răspunsul celulelor nervoase la impulsuri este mediat de proteinele receptorului

reglarea creșterii și diferențierii. Reglarea strictă a secvenței de exprimare a informațiilor genetice este necesară pentru creșterea diferențierii celulare. În orice moment al vieții unui organism, doar o mică parte din genomul celulei este exprimată. De exemplu, sub acțiunea unui complex proteic specific, în organismele superioare se formează o rețea de neuroni.

Alte funcții ale peptidelor și proteinelor includ hormonale. După ce o persoană a învățat să sintetizeze peptide hormonale, acestea au început să aibă o semnificație biomedicală extrem de importantă. Peptidele sunt diverse antibiotice, de exemplu, valinomicină, medicamente anticanceroase. În plus, proteinele îndeplinesc funcțiile de protecție mecanică (keratina părului sau formațiunile mucoase care căptușesc tractul gastro-intestinal sau cavitatea bucală).

Principala manifestare a existenței oricăror organisme vii este reproducerea de felul lor. În cele din urmă, informațiile ereditare reprezintă codificarea secvenței de aminoacizi a tuturor proteinelor din organism. Sănătatea umană este afectată de toxinele proteice.

Greutatea moleculară a proteinelor se măsoară în daltoni (Da) - aceasta este o unitate de masă, aproape egală cu masa hidrogenului (-1.000). Termenul dalton și greutatea moleculară sunt introduse interschimbabil. Mr al majorității proteinelor variază de la 10 la 100.000.

Orez. 3.9. Structura terțiară a lactoglobulinei, o proteină a/p tipică (conform PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, J. H., Cooper, R., Flower, D. R., Yewdall, S. J., Polikarpov, I., North, A. C. , Sawyer , L.: Structura, 5, p. 481. 1997)

Structura spațială nu depinde de lungimea lanțului polipeptidic, ci de secvența reziduurilor de aminoacizi specifice fiecărei proteine, precum și de radicalii laterali caracteristici aminoacizilor corespunzători. Structura spațială tridimensională sau conformația macromoleculelor proteice este formată în principal din legături de hidrogen, precum și din interacțiuni hidrofobe între radicalii laterali nepolari ai aminoacizilor. Legăturile de hidrogen joacă un rol imens în formarea și menținerea structurii spațiale a macromoleculei proteice. O legătură de hidrogen se formează între doi atomi electronegativi prin intermediul unui proton de hidrogen legat covalent la unul dintre acești atomi. Când singurul electron al unui atom de hidrogen participă la formarea unei perechi de electroni, protonul este atras de atomul vecin, formând o legătură de hidrogen. O condiție prealabilă pentru formarea unei legături de hidrogen este prezența a cel puțin o pereche de electroni liberi la un atom electronegativ. În ceea ce privește interacțiunile hidrofobe, acestea apar ca urmare a contactului dintre radicalii nepolari care nu sunt capabili să rupă legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă, care este deplasată la suprafața globului proteic. Pe măsură ce proteina este sintetizată, grupurile chimice nepolare sunt colectate în interiorul globului, iar cele polare sunt forțate să iasă pe suprafața acestuia. Astfel, o moleculă de proteină poate fi neutră, încărcată pozitiv sau încărcată negativ, în funcție de pH-ul solventului și de grupările ionice din proteină. Interacțiunile slabe includ, de asemenea, legăturile ionice și interacțiunile van der Waals. În plus, conformația proteinelor este menținută prin covalent Legături S-S format între două reziduuri de cisteină. Ca urmare a interacțiunilor hidrofobe și hidrofile, molecula proteică își asumă spontan una sau mai multe dintre conformațiile cele mai favorabile termodinamic, iar dacă conformația nativă este perturbată ca urmare a oricăror influențe externe, este posibilă restaurarea sa completă sau aproape completă. Acest lucru a fost arătat pentru prima dată de K. Anfinsen folosind proteina ribonucleaza activă catalitic ca exemplu. S-a dovedit că atunci când este expus la uree sau p-mercaptoetanol, conformația acestuia se modifică și, ca urmare, are loc o scădere bruscă a activității catalitice. Îndepărtarea ureei duce la trecerea conformației proteinei la starea inițială, iar activitatea catalitică este restabilită.

Astfel, conformația proteinelor este o structură tridimensională și, ca urmare a formării acesteia, mulți atomi aflați în secțiuni îndepărtate ale lanțului polipeptidic se apropie unul de celălalt și, acționând unul asupra celuilalt, dobândesc noi proprietăți care sunt absente în aminoacizii individuali. acizi sau polipeptide mici. Acest așa-zis structura tertiara, caracterizată prin orientarea lanțurilor polipeptidice în spațiu (Fig. 3.9). Structura terțiară a proteinelor globulare și fibrilare diferă semnificativ unele de altele. Se obișnuiește să se caracterizeze forma unei molecule de proteină printr-un astfel de indicator precum gradul de asimetrie (raportul dintre axa lungă a moleculei și cea scurtă). La proteinele globulare, gradul de asimetrie este de 3-5, ca și pentru proteinele fibrilare, această valoare este mult mai mare (de la 80 la 150).

Cum, atunci, structurile desfășurate primare și secundare se transformă într-o formă pliată, extrem de stabilă? Calculele arată că numărul de combinații teoretic posibile pentru formarea structurilor tridimensionale ale proteinelor este nemăsurat mai mare decât cele existente efectiv în natură. Aparent, formele cele mai favorabile energetic sunt principalul factor de stabilitate conformațională.

Ipoteza globului topit. Una dintre modalitățile de a studia plierea unui lanț polipeptidic într-o structură tridimensională este denaturarea și resaturarea ulterioară a unei molecule de proteine.

Experimentele lui K. Anfinsen cu ribonuclează arată clar posibilitatea de a asambla exact structura spațială care a fost perturbată ca urmare a denaturarii (Fig. 3.10).

În acest caz, refacerea conformației native nu necesită prezența unor structuri suplimentare. Ce modele de pliere a lanțului polipeptidic în conformația corespunzătoare sunt cele mai probabile? Una dintre ipotezele răspândite ale auto-organizării proteinelor este ipoteza globului topit. În cadrul acestui concept, se disting mai multe etape ale autoasamblarii proteinelor.

  • 1. În lanțul polipeptidic desfășurat, cu ajutorul legăturilor de hidrogen și al interacțiunilor hidrofobe, se formează secțiuni separate ale structurii secundare, care servesc ca sămânță pentru formarea structurilor secundare și supersecundare complete.
  • 2. Când numărul acestor situsuri atinge o anumită valoare de prag, radicalii laterali sunt reorientați și lanțul polipeptidic trece într-o formă nouă, mai compactă, iar numărul de legături necovalente

Orez. 3.10.

crește semnificativ. O trăsătură caracteristică a acestei etape este formarea de contacte specifice între atomi localizați în locuri îndepărtate ale lanțului polipeptidic, dar care s-au dovedit a fi apropiate ca urmare a formării unei structuri terțiare.

3. În ultima etapă se formează conformația nativă a moleculei proteice, asociată cu închiderea legăturilor disulfurice și stabilizarea finală a conformației proteice. Nu este exclusă nici agregarea nespecifică.

lanțuri de polipside, care pot fi calificate drept erori în formarea proteinelor native. Lanț polipeptidic parțial pliat (pasul 2) se numeste globul topit, iar stadiul 3 este cel mai lent în formarea unei proteine ​​mature.

Pe fig. 3.11 prezintă o variantă a formării unei macromolecule proteice codificate de o genă. Se știe, totuși, că un număr de proteine ​​au un domeniu

Orez. 3.11.

(conform lui N.K. Nagradova) structura nuyu, se formează ca urmare a duplicării genelor, iar formarea de contacte între domenii individuale necesită eforturi suplimentare. S-a dovedit că celulele au mecanisme speciale de reglare a plierii proteinelor nou sintetizate. În prezent, au fost identificate două enzime implicate în implementarea acestor mecanisme. Una dintre reacțiile lente ale celei de-a treia etape de pliere a lanțurilor polipeptidice este *

Orez. 3.12.

În plus, celulele conțin o serie de proteine ​​inactive catalitic, care, totuși, au o mare contribuție la formarea structurilor proteice spațiale. Acestea sunt așa-numitele chaperone și chaperonine (Fig. 3.12). Unul dintre descoperitorii chaperonelor moleculare, L. Ellis, le numește o clasă funcțională de familii de proteine ​​care nu sunt legate între ele, care ajută la asamblarea corectă non-covalentă a altor structuri care conțin polipeptide in vivo, dar nu fac parte din structurile asamblate și nu participă la implementarea funcțiilor lor fiziologice normale.funcții.

Chaperonele ajută la asamblarea corectă a conformației tridimensionale a proteinei prin formarea de complexe reversibile, necovalente cu lanțul polipeptidic parțial pliat, în timp ce inhibă legăturile malformate care conduc la formarea structurilor proteice funcțional inactive. Lista funcțiilor inerente în chaperone include protecția globulelor topite de agregare, precum și transferul de proteine ​​nou sintetizate la diferite loci celulare. Chaperonele sunt predominant proteine ​​de șoc termic, a căror sinteză crește brusc sub expunerea la temperatură stresantă, așa că sunt numite și hsp (proteine ​​de șoc termic). Familiile acestor proteine ​​se găsesc în celulele microbiene, vegetale și animale. Clasificarea însoțitorilor se bazează pe acestea greutate moleculară, care variază de la 10 la 90 kDa. În general, funcțiile chaperonelor și chaperoninelor diferă, deși ambele sunt proteine ​​ajutătoare în procesele de formare a structurii tridimensionale a proteinelor. Chaperonele mențin lanțul polipeptidic nou sintetizat într-o stare desfășurată, împiedicând-o să se plieze într-o formă diferită de cea nativă, iar chaperoninele oferă condițiile pentru formarea singurei structuri proteice native corecte (Fig. 3.13).

Orez. 3.13.

Chaperonele / sunt asociate cu un lanț polipeptidic nanscent care coboară din ribozom. După formarea lanțului polipeptidic și eliberarea acestuia din ribozom, chaperonele se leagă de acesta și împiedică agregarea. 2. După plierea în citoplasmă, proteinele sunt separate de chaperonă și transferate în chaperonina corespunzătoare, unde are loc formarea finală a structurii terțiare. 3. Cu ajutorul unei însoțitoare citosolice, proteinele se deplasează în membrana exterioară a mitocondriilor, unde șaperona mitocondrială le trage în interiorul mitocondriilor și le „transferă” în chaperonina mitocondrială, unde are loc plierea. 4, iar 5 este similar 4 , dar în raport cu reticulul endoplasmatic.

Structura terțiară a unei proteine ​​este modul în care un lanț polipeptidic este pliat în trei dimensiuni. Această conformație apare din cauza formării de legături chimice între radicalii de aminoacizi îndepărtați unul de celălalt. Acest proces se desfășoară cu participarea mecanismelor moleculare ale celulei și joacă un rol imens în conferirea activității funcționale proteinelor.

Caracteristicile 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 legăturii covalente disulfură) sunt foarte slabe, dar datorită cantității stabilizează forma spațială a moleculei.

De fapt, al treilea nivel de pliere a lanțului polipeptidic este o combinație de diferite elemente ale structurii secundare (α-helices; straturi și bucle pliate β), care sunt orientate în spațiu datorită interacțiunilor chimice dintre radicalii laterali de aminoacizi. Pentru o reprezentare schematică a structurii terțiare a unei proteine, elice α sunt indicate prin cilindri sau linii elicoidale, straturi pliate prin săgeți și bucle prin linii simple.

Natura conformației terțiare este determinată de secvența de aminoacizi din lanț, prin urmare, în condiții egale, două molecule cu aceeași structură primară vor corespunde aceluiași aranjament spațial. Această conformație asigură activitatea funcțională a proteinei și se numește nativă.

În procesul de pliere a moleculei de proteine, componentele centrului activ se apropie unele de altele, 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 unul în raport cu celălalt.

Caracterizarea legăturilor chimice din 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. Ca rezultat, se formează un glob 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:

  • grupări cationice de arginină, lizină sau histidină (au o sarcină pozitivă);
  • grupări carboxil ale radicalilor acidului glutamic și aspartic (au sarcină negativă).

Legăturile de hidrogen se formează prin interacțiunea grupărilor hidrofile neîncărcate (OH, SH, CONH 2) 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 unele de altele numai în timpul procesului de stivuire. Legăturile disulfurice nu sunt caracteristice majorității proteinelor intracelulare.

labilitate conformaţională

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 unei proteine ​​este afectată de interacțiunile acesteia cu alte molecule sau de modificări ale parametrilor fizico-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 unei molecule de a adopta o conformație cu o valoare minimă a energiei libere.

Nicio proteină nu are nevoie de instructori intermediari care să determine structura terțiară. Schema de stivuire este inițial „înregistrată” în secvența de aminoacizi.

Cu toate acestea, în condiții normale, pentru ca o moleculă de proteină mare să adopte o conformație nativă corespunzătoare structurii primare, ar dura 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.

Factori de pliere

Proteinele accesorii 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);
  • chaperonele sunt proteine ​​cu diferite mecanisme de acțiune; sunt necesare la o concentrație comparabilă cu cantitatea de substrat pliat.

Ambele tipuri de factori sunt implicate în pliere, dar nu fac parte din produsul final.

Grupul de foldaze este reprezentat de 2 enzime:

  • Protein disulfură izomeraza (PDI) - controlează formarea corectă a legăturilor disulfură 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 adopte conformația 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.

Însoțitori

Însoțitorii sunt altfel numiți sau stresați. Acest lucru se datorează unei creșteri semnificative a secreției lor cu efecte negative asupra celulei (temperatură, radiații, metale grele etc.).

Chaperonele 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 unei conformații corecte energetic, eliminând enumerarea aleatorie a multor variante și protejând moleculele proteice încă imature de interacțiunea inutilă între ele. În plus, însoțitorii oferă:

  • unele tipuri de transport de proteine;
  • controlul replierii (refacerea structurii terțiare după pierderea acesteia);
  • menținerea stării de pliere neterminată (pentru unele proteine).

În ultimul caz, molecula de însoțitor rămâne legată de proteină după finalizarea procesului de pliere.

Denaturarea

Încălcarea structurii terțiare a proteinei 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 proteină, iar regiunile 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:

  • temperatura peste 50 de grade;
  • radiații;
  • modificarea pH-ului mediului;
  • săruri de metale grele;
  • niste compusi organici;
  • detergenti.

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.