Annonsering på portalen

De nativa egenskaperna hos ett protein bestäms av dess struktur. Tertiär struktur. Teoretiska grunder för lektionen

Förekomsten av 4 nivåer av proteinmolekylens strukturella organisation har bevisats.

Primär proteinstruktur- sekvensen för placeringen av aminosyrarester i polypeptidkedjan. I proteiner är enskilda aminosyror kopplade till varandra peptidbindningar härrörande från interaktionen mellan a-karboxyl- och a-aminogrupper av aminosyror.

Vid det här laget har den primära strukturen för tiotusentals olika proteiner dechiffrerats. För att bestämma proteinets primära struktur bestäms aminosyrasammansättningen med hydrolysmetoder. Därefter bestäms de terminala aminosyrornas kemiska natur. Nästa steg är att bestämma aminosyrasekvensen i polypeptidkedjan. För detta används selektiv partiell (kemisk och enzymatisk) hydrolys. Det är möjligt att använda röntgenstrukturanalys samt data om komplementär nukleotidsekvens av DNA.

Sekundär proteinstruktur- konfigurationen av polypeptidkedjan, d.v.s. ett förfarande för förpackning av en polypeptidkedja till en specifik konformation. Denna process går inte kaotiskt, utan i enlighet med det program som fastställs i den primära strukturen.

Stabiliteten hos den sekundära strukturen tillhandahålls huvudsakligen av vätebindningar, men ett visst bidrag görs av kovalenta bindningar - peptid och disulfid.

Den mest troliga typen av struktur av globulära proteiner övervägs a-helix... Vridningen av polypeptidkedjan sker medurs. Varje protein kännetecknas av en viss grad av spiralisering. Om hemoglobinkedjorna spiraliseras med 75%är pepsin bara 30%.

Den typ av konfiguration av polypeptidkedjor som finns i proteiner av hår, siden, muskler kallas b-strukturer... Segment av peptidkedjan är arrangerade i ett lager och bildar en figur som liknar ett vikt blad i ett dragspel. Skiktet kan bildas av två eller stor mängd peptidkedjor.

I naturen finns det proteiner vars struktur inte motsvarar vare sig β- eller a-strukturen, till exempel kollagen, ett fibrillärt protein som utgör huvuddelen av bindväven hos människor och djur.

Protein tertiär struktur- den rumsliga orienteringen av polypeptidhelixen eller metoden att vika polypeptidkedjan i en viss volym. Det första proteinet, vars tertiära struktur belystes med röntgenstrukturanalys, är myoglobin från spermhval (fig. 2).

Vid stabilisering av den rumsliga strukturen för proteiner, förutom kovalenta bindningar, spelas huvudrollen av icke-kovalenta bindningar (väte, elektrostatiska interaktioner av laddade grupper, intermolekylära van der Waalskrafter, hydrofoba interaktioner, etc.).

Enligt moderna koncept bildas proteinets tertiära struktur efter avslutad syntes spontant. Grundläggande drivkraftär interaktionen mellan aminosyraradikaler och vattenmolekyler. I detta fall nedsänks opolära hydrofoba aminosyraradikaler inuti proteinmolekylen, och polära radikaler orienteras mot vatten. Processen för bildande av den nativa rumsliga strukturen i polypeptidkedjan kallas hopfällbar... Proteiner isoleras från cellerna, kallade chaperones. De deltar i vikning. Ett antal ärftliga mänskliga sjukdomar beskrivs, vars utveckling är förknippad med en kränkning på grund av mutationer i vikningsprocessen (pigmentos, fibros, etc.).

Förekomsten av nivåer av proteinmolekylens strukturella organisation, mellanliggande mellan de sekundära och tertiära strukturerna, har bevisats med metoderna för röntgenstrukturanalys. Domänär en kompakt kula strukturell enhet inuti polypeptidkedjan (fig. 3). Många proteiner (till exempel immunglobuliner) har upptäckts som består av domäner med olika struktur och funktion, kodade av olika gener.

Alla biologiska egenskaper hos proteiner är associerade med bevarandet av deras tertiära struktur, som kallas inföding... En proteinglobul är inte en absolut stel struktur: reversibla rörelser av delar av peptidkedjan är möjliga. Dessa förändringar kränker inte molekylens övergripande konformation. Konformationen av en proteinmolekyl påverkas av mediumets pH, lösningens jonstyrka och interaktion med andra ämnen. Alla effekter som leder till en kränkning av molekylens naturliga konformation åtföljs av en partiell eller fullständig förlust av proteinet av dess biologiska egenskaper.

Kvartär proteinstruktur- en metod för att placera i rymden enskilda polypeptidkedjor med samma eller olika primära, sekundära eller tertiära struktur, och bildandet av en enda makromolekylär formation i strukturella och funktionella avseenden.

En proteinmolekyl som består av flera polypeptidkedjor kallas oligomer, och varje kedja ingår i den - protometer... Oligomera proteiner byggs ofta från ett jämnt antal protomerer, till exempel består en hemoglobinmolekyl av två a- och två b-polypeptidkedjor (fig. 4).

Cirka 5% av proteinerna, inklusive hemoglobin och immunglobuliner, har en kvartär struktur. Underenhetens struktur är karakteristisk för många enzymer.

Proteinmolekyler som utgör ett protein med en kvaternär struktur bildas på ribosomer separat och först efter syntesens slut bildar en gemensam supramolekylär struktur. Protein får endast biologisk aktivitet när dess bestående protomerer kombineras. Samma typer av interaktioner är inblandade i stabiliseringen av den kvartära strukturen som i stabiliseringen av tertiären.

Vissa forskare erkänner förekomsten av en femte nivå av strukturell organisation av proteiner. den metaboloner - polyfunktionella makromolekylära komplex av olika enzymer som katalyserar hela banan för substrattransformationer (högre fettsyrasyntetaser, pyruvatdehydrogenaskomplex, andningskedja).

Peptidbindningen definierar ryggraden (åsen) i proteinmolekylens primära struktur och ger den stelhet.

Teoretiska grunder för lektionen

Proteinmolekylstruktur

Syftet med lektionen: för att studera typerna av makromolekylär organisation av proteinmolekyler.

Proteins primära struktur- sekvensen av aminosyror i polypeptidkedjan (eller kedjorna) och positionen för disulfidbindningar (om sådana finns).

Den primära strukturen stabiliseras av kovalenta bindningar: peptid, och i vissa peptider och disulfid.

Förstörelsen av kovalenta bindningar i den primära strukturen - hydrolys: 1) sur - i 6 N. HCl, 100-110 0 С, 24 timmar; 2) enzymatisk - med hjälp av proteolytiska enzymer i magen vid pH 1,5-5,0 - pepsin; trypsin, kymotrypsin, karboxipeptidaser - i tolvfingertarmen; dipeptidaser, tripeptidaser och aminopeptidaser - i tunntarmen, vid ett pH av 8,6.

Karakterisering av peptidbindningen... Peptidbindningen är platt (koplanär). C-N-bindning liknar en dubbelbindning (rotation är omöjlig) på grund av p, π - konjugering (konjugering av ett fritt par elektroner i en atom med π -elektroner med en dubbelbindning C = O).

Sekvensen av aminosyror i proteinets primära struktur är specifika artskarakteristika för detta protein.

Protein primär struktur genetiskt bestämt och reproducerat i processerna för transkription och translation.

Proteinens primära struktur är grundläggande för bildandet av efterföljande proteinstrukturer på grund av interaktionen mellan radikaler av aminosyrarester i polypeptidkedjan.

Att ersätta en aminosyra i L-serien med en aminosyra i D-serien eller att ersätta en enda L-aminosyra med en annan kan leda till fullständigt försvinnande biologisk aktivitet peptid.

Fysiologiskt aktiva peptider innehåller från 3 till 100 aminosyrarester (MW under 6000 Da). Till skillnad från proteiner kan polypeptider innehålla icke-proteinogena eller modifierade proteinogena aminosyror. Exempel:

1. Bradykinin och kallidin orsakar avslappning av glatta muskler och är produkter av proteolys av specifika 2 -globuliner i plasma, därför innehåller dessa peptider endast proteinogena aminosyror:

bradykinin: arg-pro-pro-gly-fen-ser-pro-fen-arg;

kallidin: Liz-arg-pro-pro-gli-fen-ser-pro-fen-arg.

2. Glutation (γ-glu-cis-gly) finns i alla celler. Det är nödvändigt för transport av aminosyror över membran, för arbetet med ett antal enzymer. Behåller disulfidbindningar, innehåller en atypisk peptidbindning när glutamat är kopplat till cystein inte genom a-aminogruppen.

Proteinpolymorfism- detta är förekomsten av samma protein i flera molekylära former som skiljer sig åt i primär struktur, fysikalisk kemiska egenskaper och manifestationer av biologisk aktivitet.



Orsakerna till proteinpolymorfism är genkombinationer och mutationer. Isoproteiner är flera molekylära former av ett protein som finns i organismer av samma biologiska arter som ett resultat av närvaron av mer än en strukturgen i genpoolen hos en art. Flera gener kan representeras som flera alleler eller flera genlokaliteter.

Exempel på proteinpolymorfism.

1. Proteinpolymorfism i fylogenes - förekomsten av homologa proteiner i olika arter. I dessa proteiner förblir regionerna i den primära strukturen som är ansvariga för deras funktion bevarade (oförändrade). För att ersätta de förlorade proteinerna i människokroppen används homologa proteiner från djur, i vars primära struktur det finns minimala skillnader (insulin från nötkreatur, gris, kaskelothval).

2. Polymorfism av proteiner vid ontogenes - förekomsten av homologa proteiner i olika delar av en organisms livscykel. Fostret har hemoglobin F (fetalt hemoglobin, α 2 γ 2, har en hög affinitet för syre). Efter födseln ersätts det med hemoglobin A1 (a 2 b 2).

3. Vävnadspolymorfism av proteiner. Samma enzym i olika celler katalyserar samma reaktion, men har skillnader i den primära strukturen - isozymer. Bestämning av isoenzymer i blodet hjälper till att diagnostisera skador på en specifik vävnad.

4. Proteinpolymorfism i patologi. Tänk på exemplet på flera former av ärftliga mutationer. I detta fall sker ersättningen av en sur aminosyra med en basisk eller neutral aminosyra oftast:

i HbC, ersättning av glu 6 i p-kedjan med lys;

i HbE, ersättning av Glu 26 i p-kedjan med lys;

i HbI, ersättning av lys 16 i p-kedjan med asp;

i HbS, ersättning av glo 6 i β-kedjan med en axel.

I det senare fallet uppstår en sjukdom som sicklecellanemi. Onormala hemoglobiner skiljer sig från normala i laddningsmängden och elektroforetisk rörlighet. Fysikalisk -kemiska förändringar i hemoglobiner åtföljs av nedsatt syretransport.

Sekundär proteinstruktur- regelbunden organisation av polypeptidkedjan, stabiliserad av vätebindningar. Vätebindningar bildas mellan NH- och CO -grupper av peptidbindningar. Skilj mellan a-helix, b-struktur och störd konformation (spole).

a-spiral. Vridningen av polypeptidkedjan sker medurs (högerhänt spiral), vilket beror på strukturen av L-aminosyror. Det finns 3,6 aminosyrarester för varje varv (steg) av spiralen. Helixhöjden är 0,54 nm, med 0,15 nm per aminosyrarest. Spiralens uppstigningsvinkel är 26 0. var femte varv av spiralen (18 aminosyrarester) upprepas strukturen hos polypeptidkedjan. Vätebindningar är parallella med spiralaxeln och uppstår mellan varje första och var femte aminosyrarest. Bildandet av a-helix förhindras av prolin och aminosyror med skrymmande och laddade radikaler.

Β-Struktur. I fibrillära proteiner är två eller flera linjära polypeptidkedjor tätt bundna av vätebindningar vinkelrätt mot molekylens axel (vikta b-lager). Om två polypeptidkedjor som löper i samma riktning från N- till C-terminalen är anslutna med vätebindningar mellan kedjor, är detta en parallell β-struktur. Om kedjornas N- och C-ändar är motsatta, så är detta en antiparallell b-struktur. Om en polypeptidkedja böjer och löper parallellt med sig själv, så är detta en antiparallell ß-korsstruktur. Kedjans böjpunkter bestäms av pro, gli, asn-b-bend.

Oordningskonformation. Områden i en proteinmolekyl som inte tillhör spiralformade eller vikta strukturer kallas störda. I en grafisk framställning avbildas spiralsektioner som en cylinder och vikta strukturer - med en pil. Begreppet supersekundär struktur utmärks, vilket är en regelbunden växling av a-spiralformade sektioner och b-strukturer.

Tertiär struktur- konformationen av polypeptidkedjan som helhet (dvs. placering i tredimensionellt utrymme). Den tertiära strukturen stabiliseras genom bindningar och interaktioner mellan radikalerna av aminosyrarester i polypeptidkedjan: kovalenta - disulfidbindningar, liksom väte, joniska bindningar och hydrofoba interaktioner. Typer av proteiner med en tertiär struktur:

proteiner, som domineras av a-spiralformade regioner, har formen av globuler (globulära proteiner) och fungerar dynamiska funktioner;

proteiner, i vilka strukturerna i det vikta b-lagret råder, har en trådformad (fibillärprotein) form och utför strukturella funktioner;

kollagen är det mest förekommande proteinet i djurvärlden (upp till 25% av alla kroppsproteiner), har en speciell struktur. Kollagenmolekylen (tropokollagen) är uppbyggd av tre polypeptidkedjor. Varje polypeptidkedja innehåller cirka 1000 aminosyrarester (35% glycin, 21% prolin och hydroxiprolin, 11% alanin). Varje polypeptidkedja har en tät spiralformning (3 aminosyrarester per varv). I tropokollagenmolekylen är alla tre spiraler sammanflätade med varandra och bildar ett bunt. Vätebindningar bildas mellan spiralerna på grund av peptidgrupper. Denna struktur ger styrkan hos kollagenfibrerna.

Ursprunglig proteinstruktur.

Många proteiner i den tertiära strukturen har lindade, vikta och störda segment. Samtidigt är det viktigt i funktionella och strukturella termer ömsesidigt arrangemang aminosyraradikaler. Följande termer används:

domäner – anatomiskt utmärkta områden i tertiärstrukturen hos ett protein som ansvarar för utförandet av en specifik funktion av proteinet;

hydrofoba fickor – håligheter i den tertiära strukturen, kantade med radikaler av hydrofoba aminosyror; tjäna till att sänka hydrofoba ligander i en proteinmolekyl;

hydrofoba kluster – områden på proteinytan där radikaler av hydrofoba aminosyror är koncentrerade; tjäna till att interagera med hydrofoba kluster av andra molekyler.

För att utföra en funktion måste ett protein ha en bestämd och ofta endast tertiär struktur (konformation) - den inbyggda strukturen.

Det orsakas av interaktionen mellan aminosyrarester som ligger långt ifrån varandra i en linjär sekvens. Underhållsfaktorer:

    vätebindningar

    hydrofoba interaktioner (behövs för proteinets struktur och biologiska funktioner)

    disulfid- och saltbroar

    joniska och van der Waals -bindningar.

I de flesta proteiner innehåller molekylernas yta rester av aminosyraradikaler med hydrofila egenskaper. HC - radikaler som är hydrofoba och ligger inne i molekylerna. Denna fördelning är viktig för bildandet av proteinets naturliga struktur och egenskaper.

Som ett resultat har proteiner ett hydratiseringsskal, och stabiliseringen av den tertiära strukturen beror till stor del på hydrofoba interaktioner. Till exempel har 25-30% av aminosyraresterna i globulinmolekyler uttalade hydrofoba radikaler, 45-50% innehåller joniska och polära radikalgrupper.

Sidokedjorna av aminosyrarester som är ansvariga för strukturen av proteiner kännetecknas av storlek, form, laddning och förmåga att bilda vätebindningar, samt genom kemisk reaktivitet:

    alifatiska sidokedjor såsom valin, alanin. Det är dessa rester som bildar hydrofoba interaktioner.

    hydroxylerad alifatisk (serie, treonin). Dessa aminosyrarester är involverade i bildandet av vätebindningar, liksom estrar, till exempel med svavelsyra.

    aromatisk - det här är resterna av fenylalanin, tyrosin, tryptofan.

    aminosyrarester med basiska egenskaper (lysin, arginin, histidin). Övervägande av sådana aminosyror i polypeptidkedjan ger proteiner grundläggande egenskaper.

    rester med sura egenskaper (asparaginsyra och glutaminsyra)

    amid (asparagin, glutamin)

Proteiner som innehåller flera polypeptidkedjor har en kvartär struktur. Detta avser hur kedjorna läggs i förhållande till varandra. Dessa enzymer kallas subenheter. För närvarande är det vanligt att använda termen "domän", som betecknar en kompakt globulär enhet av en proteinmolekyl. Många proteiner består av flera sådana enheter med en massa av 10 till 20 kDa. I proteiner med hög molekylvikt är enskilda domäner förbundna med relativt flexibla regioner i PCP. I djur- och människokroppen finns det ännu mer komplexa strukturella organisationer av proteiner, ett exempel kan vara multienzymsystem, i synnerhet pyruvat -dekarboxylaskomplexet.

Begreppet nativt protein

Vid vissa pH- och temperaturvärden har PCP i regel endast en konformation, som kallas nativ och där proteinet i kroppen utför sin specifika funktion. Nästan alltid dominerar denna enda konformation energiskt över tiotals och hundratals varianter av andra konformationer.

Klassificering. Biologiska och kemiska egenskaper hos proteiner

Det finns ingen tillfredsställande klassificering av proteiner, de klassificeras konventionellt efter deras rumsliga struktur, löslighet, biologiska funktioner, fysikalisk -kemiska egenskaper och andra egenskaper.

1. När det gäller molekylernas struktur och form är proteiner indelade i:

    globulär (sfärisk)

    fibrillar (glödtråd)

2. den kemiska sammansättningen är indelad i:

Enkla som endast består av aminosyrarester

Komplex, har icke-proteinföreningar i sina molekyler. Klassificeringen av komplexa proteiner baseras på den kemiska beskaffenheten hos de icke-proteinkomponenter.

En av de viktigaste typerna av klassificering:

Z. enligt de utförda biologiska funktionerna:

Enzymatisk katalys. I biologiska system katalyseras alla kemiska reaktioner av specifika proteiner, enzymer. Mer än 2000 kända

enzymer. Enzymer är kraftfulla biokatalysatorer som påskyndar reaktionen minst 1 miljon gånger.

Transport och ackumulering

Överföringen av många små molekyler och olika joner utförs ofta av specifika proteiner, till exempel hemoglobin, myoglobin, som bär syre. Ackumuleringsexempel: Ferritin ackumuleras i levern.

samordnad rörelse. Proteiner är huvudkomponenten i kontraktila muskler (aktin och myosinfibrer). Rörelse på mikroskopisk nivå är separationen av kromosomer under mitos, rörelsen av spermier på grund av flageller.

    mekaniskt stöd. Hudens och benens höga elasticitet beror på närvaron av ett fibrillärt protein - kollagen.

    immunskydd. Antikroppar är mycket specifika proteiner som kan känna igen och binda virus, bakterier och celler från andra organismer.

Generering och överföring av impulser. Nervcellernas svar på impulser medieras av receptorproteiner

reglering av tillväxt och differentiering. Strikt reglering av sekvensen för uttryck av genetisk information är nödvändig för tillväxten av celldifferentiering. När som helst under en organisms liv uttrycks endast en liten del av cellens genom. Till exempel, under verkan av ett specifikt proteinkomplex, bildas ett nätverk av neuroner i högre organismer.

Andra funktioner hos peptider och proteiner inkluderar hormonella. Efter att människor lärt sig att syntetisera hormonella peptider började de få extremt viktig biomedicinsk betydelse. Peptider är olika antibiotika såsom valinomycin, läkemedel mot cancer. Dessutom utför proteiner funktionerna av mekaniskt skydd (hårkeratin eller slemhinnor som täcker mag -tarmkanalen eller munhålan).

Den främsta manifestationen av existensen av alla levande organismer är reproduktionen av deras egen sort. I slutändan är ärftlig information kodning av aminosyrasekvensen för alla proteiner i kroppen. Proteintoxiner påverkar människors hälsa.

Proteinernas molekylvikt mäts i dalton (Da) - det är en massaenhet som nästan är lika med vätmassan (-1 000). Termen dalton och molekylvikt matas in omväxlande. Mr av de flesta proteinerna varierar från 10 till 100 000.

Ris. 3.9. Laktoglobulinets tertiära struktur-ett typiskt a / p-protein (enligt PDB-200I) (Brownlow, S., Marais Cabral, JH, Cooper, R., Flower, DR, Yewdall, SJ, Polikarpov, I., North, AC, Sawyer, L.: Structure, 5, s. 481.1997)

Den rumsliga strukturen beror inte på längden på polypeptidkedjan, utan på sekvensen av aminosyrarester som är specifika för varje protein, liksom på de sidoradikaler som är karakteristiska för motsvarande aminosyror. Den rumsliga tredimensionella strukturen eller konformationen av proteinmakromolekyler bildas främst av vätebindningar, liksom hydrofoba interaktioner mellan opolära sidoradikaler av aminosyror. Vätebindningar spelar en enorm roll i bildandet och underhållet av den rumsliga strukturen hos proteinets makromolekyl. En vätebindning bildas mellan två elektronegativa atomer genom en väteproton kovalent bunden till en av dessa atomer. När en enda elektron i en väteatom deltar i bildandet av ett elektronpar, lockas protonen av den närliggande atomen och bildar en vätebindning. En förutsättning för bildandet av en vätebindning är närvaron av minst ett fritt par elektroner från en elektronegativ atom. När det gäller hydrofoba interaktioner uppstår de som ett resultat av kontakt mellan icke-polära radikaler som inte kan bryta vätebindningar mellan vattenmolekyler, som förskjuts till ytan av proteinglobulen. När proteinet syntetiseras, samlas opolära kemiska grupper inuti globulen och polära förskjuts till dess yta. Således kan en proteinmolekyl vara neutral, positivt laddad eller negativt, beroende på pH för lösningsmedlet och jonogena grupper i proteinet. Svaga interaktioner inkluderar också joniska bindningar och van der Waals interaktioner. Dessutom upprätthålls proteinkonformationen av kovalent S-S länkar bildas mellan två cysteinrester. Som ett resultat av hydrofoba och hydrofila interaktioner antar en proteinmolekyl spontant en eller flera av de mest termodynamiskt gynnsamma konformationerna, och om den naturliga konformationen som en följd av yttre påverkan störs är dess fullständiga eller nästan fullständiga återställning möjlig. Detta visades först av K. Anfinsen med användning av det katalytiskt aktiva proteinet ribonukleas som ett exempel. Det visade sig att när den utsätts för urea eller p-merkaptoetanol ändras dess konformation och som en konsekvens en kraftig minskning av katalytisk aktivitet. Avlägsnande av urea leder till övergången av proteinkonformationen till dess ursprungliga tillstånd och den katalytiska aktiviteten återställs.

Således är proteinets konformation en tredimensionell struktur, och som ett resultat av dess bildning närmar sig många atomer som ligger vid avlägsna områden i polypeptidkedjan mot varandra och, på varandra, förvärvar nya egenskaper som saknas i individuell amino syror eller små polypeptider. Detta är den så kallade tertiär struktur, kännetecknad av orienteringen av polypeptidkedjor i rymden (fig. 3.9). Den tertiära strukturen för globulära och fibrillära proteiner skiljer sig väsentligt från varandra. Den antagna formen av en proteinmolekyl kännetecknas av en sådan indikator som graden av asymmetri (förhållandet mellan molekylens långa axel och den korta). I globulära proteiner är graden av asymmetri 3-5, liksom för fibrillära proteiner är detta värde mycket högre (från 80 till 150).

Hur omvandlas de primära och sekundära utvecklade strukturerna till en kollapsad, mycket stabil form? Beräkningar visar att antalet teoretiskt möjliga kombinationer av bildandet av tredimensionella strukturer av proteiner är omätligt större än de som faktiskt finns i naturen. Uppenbarligen är de mest energiskt gynnsamma formerna huvudfaktorn för konformationsstabilitet.

Smält globulhypotes. Ett av sätten att studera vikningen av en polypeptidkedja till en tredimensionell struktur är denaturering och efterföljande återmättnad av en proteinmolekyl.

K. Anfinsens experiment med ribonukleas visar otvetydigt möjligheten att montera exakt den rumsliga struktur som kränktes till följd av denaturering (fig. 3.10).

I detta fall kräver restaurering av den ursprungliga konformationen inga ytterligare strukturer. Vilka modeller av vikningen av polypeptidkedjan till motsvarande konformation är de mest sannolika? En av de mest utbredda hypoteserna om proteinselforganisation är den smälta globulhypotesen. Inom ramen för detta koncept utmärks flera steg av självmontering av proteiner.

  • 1. I den utfällda polypeptidkedjan, med hjälp av vätebindningar och hydrofoba interaktioner, bildas separata sektioner av den sekundära strukturen, som fungerar som frön för bildandet av kompletta sekundära och supersekundära strukturer.
  • 2. När antalet av dessa platser når ett visst tröskelvärde sker en omorientering av sidradikaler och övergången av polypeptidkedjan till en ny, mer kompakt form och antalet icke-kovalenta bindningar

Ris. 3.10.

ökar betydligt. Ett karakteristiskt drag för detta steg är bildandet av specifika kontakter mellan atomer som ligger i avlägsna områden av polypeptidkedjan, men som befunnits vara nära som ett resultat av bildandet av en tertiär struktur.

3. I det sista steget bildas proteinmolekylens nativa konformation, associerad med tillslutning av disulfidbindningar och slutlig stabilisering av proteinkonformationen. Det är också möjligt att den ospecifika aggregeringen delvis viks.

polypstidkedjor, som kan klassificeras som fel i bildandet av nativa proteiner. Delvis vikt polypeptidkedja (steg 2) kallas en smält klot, och scenen 3 är den långsammaste i bildandet av ett moget protein.

I fig. 3.11 visar en variant av bildandet av en proteinmakromolekyl som kodas av en gen. Det är emellertid känt att ett antal proteiner med en domän

Ris. 3.11.

(enligt NK Nagradova) struktur bildas som ett resultat av genduplicering, och bildandet av kontakter mellan separata domäner kräver ytterligare ansträngningar. Det visade sig att celler har speciella mekanismer för att reglera vikningen av nysyntetiserade proteiner. För närvarande har två enzymer upptäckts som är involverade i implementeringen av dessa mekanismer. En av de långsamma reaktionerna i det tredje steget av polypeptidkedjevikning är *

Ris. 3.12.

Dessutom innehåller celler ett antal katalytiskt inaktiva proteiner, som ändå ger ett stort bidrag till bildandet av rumsliga strukturer av proteiner. Dessa är de så kallade chaperonerna och chaperoninerna (bild 3.12). En av upptäckarna av molekylära chaperoner, L. Ellis, kallar dem en funktionell klass av orelaterade proteinfamiljer som hjälper till att korrekt icke-kovalent montering av andra polypeptidinnehållande strukturer in vivo, men som inte är en del av de sammansatta strukturerna och inte är involverade i genomförandet av deras normala fysiologiska funktioner.

Chaperones hjälper till med korrekt montering av den tredimensionella proteinkonformationen genom att bilda reversibla icke-kovalenta komplex med en delvis vikad polypeptidkedja, samtidigt som de hämmar missbildade bindningar som leder till bildandet av funktionellt inaktiva proteinstrukturer. Listan över funktioner som är inneboende i chaperones inkluderar skydd av smälta kulor från aggregering, samt överföring av nysyntetiserade proteiner till olika cellplatser. Chaperones är övervägande värmechockproteiner, vars syntes ökar kraftigt vid exponering för stresstemperaturer, därför kallas de också hsp (värmechockproteiner). Familjer av dessa proteiner finns i mikrobiella, växt- och djurceller. Klassificeringen av chaperones baseras på deras molekylvikt, som varierar från 10 till 90 kDa. I grund och botten skiljer sig funktionerna hos chaperoner och chaperoniner, även om båda är proteiner som hjälper till att bilda den tredimensionella strukturen hos proteiner. Chaperones håller den nysyntetiserade polypeptidkedjan i ett veckat tillstånd, vilket hindrar den från att vika till en annan form än den nativa, och chaperoniner ger förutsättningar för bildandet av den enda korrekta, naturliga proteinstrukturen (fig 3.13).

Ris. 3.13.

Chaperones / är kopplade till en nanscent polypeptidkedja som stiger från ribosomen. Efter bildandet av polypeptidkedjan och dess frigöring från ribosomen binder chaperonerna till den och förhindrar aggregering 2. Efter vikning i cytoplasman separeras proteiner från chaperonen och överförs till motsvarande chaperonin, där den slutliga bildningen av den tertiära strukturen sker. 3. Med hjälp av den cytosoliska chaperonen rör sig proteiner till mitokondriernas yttre membran, där mitokondriella chaperonen drar dem in i mitokondrierna och "överför" dem till mitokondriell chaperonin, där veckning sker. 4, a 5 är liknande 4 , men i förhållande till det endoplasmatiska retikulumet.

Den proteinets tertiära struktur är hur en polypeptidkedja viks i tredimensionellt utrymme. Denna konformation uppstår på grund av bildandet av kemiska bindningar mellan aminosyraradikaler som är avlägsna från varandra. Denna process utförs med deltagande av cellens molekylära mekanismer och spelar en stor roll för att ge funktionell aktivitet till proteiner.

Funktioner i den tertiära strukturen

Följande typer av kemiska interaktioner är karakteristiska för proteinernas tertiära struktur:

  • jonisk;
  • väte;
  • hydrofob;
  • van der Waals;
  • disulfid.

Alla dessa bindningar (förutom den kovalenta disulfidbindningen) är mycket svaga, men på grund av mängden stabiliserar de molekylens rumsliga form.

Faktum är att den tredje vikningsnivån för polypeptidkedjor är en kombination av olika element i den sekundära strukturen (α-helixer; β-vikta lager och öglor), som är orienterade i rymden på grund av kemiska interaktioner mellan sidaminosyraradikaler. För schematisk beteckning av ett proteins tertiära struktur betecknas a-helixer med cylindrar eller spiraltvängda linjer, vikta lager med pilar och slingor med enkla linjer.

Typen av den tertiära konformationen bestäms av sekvensen av aminosyror i kedjan; därför kommer två molekyler med samma primära struktur under lika förhållanden att motsvara samma variant av rumslig veckning. Denna konformation ger proteinets funktionella aktivitet och kallas nativ.

I processen att vika en proteinmolekyl närmar sig komponenterna i det aktiva centrumet varandra, vilket i den primära strukturen kan avlägsnas avsevärt från varandra.

För enkelsträngade proteiner är den tertiära strukturen den slutliga funktionella formen. Komplexa multi-subenhetsproteiner bildar en kvartär struktur, som kännetecknar arrangemanget av flera kedjor i förhållande till varandra.

Karakterisering av kemiska bindningar i ett proteins tertiära struktur

Vikningen av polypeptidkedjan beror till stor del på förhållandet mellan hydrofila och hydrofoba radikaler. De förra tenderar att interagera med väte (ett beståndsdel i vatten) och är därför på ytan, medan de hydrofoba områdena tvärtom rusar till molekylens centrum. Denna konformation är energiskt mest gynnsam. Som ett resultat bildas en kula med en hydrofob kärna.

Hydrofila radikaler, som ändå faller in i molekylens centrum, interagerar med varandra för att bilda joniska eller vätebindningar. Joniska bindningar kan uppstå mellan motsatt laddade aminosyraradikaler, vilka är:

  • katjoniska grupper av arginin, lysin eller histidin (har en positiv laddning);
  • karboxylgrupper av glutami- och asparaginsyraradikaler (har en negativ laddning).

Vätebindningar bildas genom växelverkan mellan oladdade (OH, SH, CONH 2) och laddade hydrofila grupper. Kovalenta bindningar (de starkaste i den tertiära konformationen) uppstår mellan SH-grupper av cysteinrester och bildar de så kallade disulfidbryggorna. Vanligtvis är dessa grupper avlägsna från varandra i en linjär kedja och närmar sig endast under staplingsprocessen. Disulfidbindningar är inte typiska för de flesta intracellulära proteiner.

Konformationslabilitet

Eftersom bindningarna som bildar proteinets tertiära struktur är mycket svaga, kan den bruna rörelsen av atomer i aminosyrakedjan leda till att de bryts och bildas på nya platser. Detta leder till en liten förändring i den rumsliga formen för enskilda molekylregioner, men kränker inte proteinets naturliga konformation. Detta fenomen kallas konformationell labilitet. Den senare spelar en enorm roll i fysiologin i cellulära processer.

Konformationen av ett protein påverkas av dess interaktioner med andra molekyler eller förändringar i miljöens fysikalisk -kemiska parametrar.

Hur den tertiära strukturen hos ett protein bildas

Processen att vika ett protein till sin naturliga form kallas vikning. Detta fenomen är baserat på molekylens önskan att acceptera konformationen med minimivärdet av fri energi.

Inget protein behöver instruktörsförmedlare för att bestämma den tertiära strukturen. Vikningsmönstret är initialt "skrivet" i aminosyrasekvensen.

Under normala förhållanden skulle det dock ta mer än en biljon år för en stor proteinmolekyl att anta sin naturliga konformation enligt sin primära struktur. Men i en levande cell varar denna process bara några tiotals minuter. En sådan betydande tidsminskning säkerställs genom deltagande av specialiserade hjälpproteiner, foldaser och chaperoner vid vikning.

Vikningen av små proteinmolekyler (upp till 100 aminosyror i en kedja) sker ganska snabbt och utan deltagande av mellanhänder, vilket visas i experiment in vitro.

Fällbara faktorer

Hjälpproteinerna som är involverade i vikning är indelade i två grupper:

  • foldaser - har katalytisk aktivitet, krävs i en mängd som är betydligt sämre än koncentrationen av substratet (som andra enzymer);
  • chaperoner - proteiner med olika verkningsmekanismer, behövs i en koncentration som är jämförbar med mängden av det vikta substratet.

Båda typerna av faktorer är inblandade i vikning men är inte en del av slutprodukten.

Foldasgruppen representeras av 2 enzymer:

  • Proteindisulfidisomeras (PDI) - kontrollerar korrekt bildning av disulfidbindningar i proteiner med ett stort antal cysteinrester. Denna funktion är mycket viktig, eftersom kovalenta interaktioner är mycket starka, och vid felaktiga anslutningar kan proteinet inte självständigt omarrangera och anta den naturliga konformationen.
  • Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomeras-ger en förändring i konfigurationen av radikaler som ligger på prolins sidor, vilket förändrar karaktären av böjningen av polypeptidkedjan på denna plats.

Således spelar foldaser en korrigerande roll i bildandet av proteinmolekylens tertiära konformation.

Chaperones

Chaperones kallas annars eller stressar. Detta beror på en signifikant ökning av deras utsöndring med negativa effekter på cellen (temperatur, strålning, tungmetaller, etc.).

Chaperones tillhör tre proteinfamiljer: hsp60, hsp70 och hsp90. Dessa proteiner tjänar många funktioner, inklusive:

  • skydd av proteiner från denaturering;
  • uteslutning av interaktionen mellan nysyntetiserade proteiner med varandra;
  • förebyggande av bildandet av felaktiga svaga bindningar mellan radikaler och deras labialisering (korrigering).

Således bidrar chaperoner till ett snabbt förvärv av en energiskt korrekt konformation, exklusive oavsiktlig uppräkning av många alternativ och skyddar de ännu inte mogna proteinmolekylerna från onödig interaktion med varandra. Dessutom erbjuder chaperones:

  • vissa typer av transport av proteiner;
  • återveckningskontroll (restaurering av den tertiära strukturen efter dess förlust);
  • bibehåller tillståndet för oavslutad vikning (för vissa proteiner).

I det senare fallet förblir chaperonmolekylen bunden till proteinet efter avslutad vikningsprocess.

Denaturering

Kränkning av tertiär struktur av ett protein under påverkan av alla faktorer kallas denaturering. Förlust av naturlig konformation uppstår när ett stort antal svaga bindningar som stabiliserar molekylen förstörs. I detta fall förlorar proteinet sin specifika funktion, men behåller sin primära struktur (peptidbindningar förstörs inte under denaturering).

Under denaturering sker en rumslig ökning av proteinmolekylen och de hydrofoba regionerna kommer igen till ytan. Polypeptidkedjan förvärvar konformationen av en störd spole, vars form beror på vilka bindningar av proteinets tertiära struktur som bröts. I denna form är molekylen mer mottaglig för verkan av proteolytiska enzymer.

Faktorer som stör den tertiära strukturen

Det finns ett antal fysikaliska och kemiska effekter som kan orsaka denaturering. Dessa inkluderar:

  • temperatur över 50 grader;
  • strålning;
  • förändring av miljöns pH;
  • tungmetallsalter;
  • vissa organiska föreningar;
  • tvättmedel.

Efter avslutad denatureringseffekt kan proteinet återställa den tertiära strukturen. Denna process kallas renaturering eller refoldning. In vitro är detta endast möjligt för små proteiner. I en levande cell ger chaperonerna en ny veckning.