Білок: третинна структура. Порушення третинної структури білка

Білок: третинна структура. Порушення третинної структури білка


Третинною структурою білка називається спосіб укладання поліпептидного ланцюга в тривимірному просторі. Така конформація виникає за рахунок утворення хімічних зв'язків між віддаленими один від одного амінокислотними радикалами. Цей процес здійснюється за участю молекулярних механізмів клітини і відіграє величезну роль у наданні білкам функціональної активності.

Особливості третинної структури

Для третинної структури білків характерні такі типи хімічних взаємодій:

  • іонні;
  • водневі;
  • гідрофобні;
  • ван-дер-ваальсови;
  • дисульфідні.

Всі ці зв'язки (крім ковалентної дисульфідної) дуже слабкі, проте за рахунок кількості стабілізують просторову форму молекули.

Фактично третій рівень укладання поліпептидних ланцюгів являє собою комбінацію різних елементів вторинної структури (лід-спіралей; лід-складчастих шарів і петель), які орієнтуються в просторі за рахунок хімічних взаємодій між бічними амінокислотними радикалами. Для схематичного позначення третинної структури білка лід-спіралі позначаються циліндрами або спірально закрученими лініями, складчасті шари - стрілками, а петлі - простими лініями.

Характер третинної конформації визначається послідовністю амінокислот в ланцюгу, тому двом молекулам з однаковою первинною структурою при рівних умовах буде відповідати один і той же варіант просторового укладання. Така конформація забезпечує функціональну активність білка і називається нативною.

У процесі укладання білкової молекули відбувається зближення компонентів активного центру, які в первинній структурі можуть бути значно віддалені один від одного.

Для одноланцюжкових білків третинна структура є кінцевою функціональною формою. Складні багатосуб'єдинічні білки утворюють четвертичну структуру, яка характеризує розташування декількох ланцюгів по відношенню один до одного.

Характеристика хімічних зв'язків у третинній структурі білка

Значною мірою згортання поліпептидного ланцюга обумовлено співвідношенням гідрофільних і гідрофобних радикалів. Перші прагнуть вступити у взаємодію з воднем (складовим елементом води) і тому знаходяться на поверхні, а гідрофобні ділянки навпаки спрямовуються в центр молекули. Така конформація енергетично найбільш вигідна. У результаті формується глобула з гідрофобною серцевиною.

Гідрофільні радикали, які все ж потрапляють в центр молекули, взаємодіють один з одним з утворенням іонних або водневих зв'язків. Іонні зв'язки можуть виникати між протилежно зарядженими амінокислотними радикалами, в якості яких виступають:

  • катіонні групи аргініну, лізину або гістидину (мають позитивний заряд);
  • карбоксильні групи радикалів глутамінової та аспарагінової кислоти (мають негативний заряд).

Водневі зв'язки утворюються при взаємодії незаряджених (OH, SH, CONH2) і заряджених гідрофільних груп. Ковалентні зв'язки (найміцніші в третинній конформації) виникають між SH-групами цистеїнових залишків, формуючи так звані дисульфідні містки. Зазвичай ці групи віддалені один від одного в лінійному ланцюгу і зближуються тільки в процесі укладання. Дисульфідні зв'язки не характерні для більшості внутрішньоклітинних білків.

Конформаційна лабільність

Оскільки зв'язки, що формують третинну структуру білка, дуже слабкі, броунівський рух атомів в амінокислотному ланцюгу може призвести до їх розриву і утворення в нових місцях. Це призводить до незначної зміни просторової форми окремих ділянок молекули, але не порушує нативну конформацію білка. Таке явище називають конформаційною лабільністю. Остання відіграє величезну роль у фізіології клітинних процесів.

На конформацію білка впливають його взаємодії з іншими молекулами або зміни фізико-хімічних параметрів середовища.

Як утворюється третинна структура білка

Процес укладання білка в нативну форму називається фолдингом. В основі цього явища лежить прагнення молекули прийняти конформацію з мінімальним значенням вільної енергії.

Жоден білок не потребує посередників-інструкторів, які визначатимуть третинну структуру. Схема укладання спочатку «» записана «» в послідовності амінокислот.

Однак за звичайних умов, для того щоб велика білкова молекула прийняла нативну конформацію відповідно первинній структурі, їй знадобилося б більше трильйона років. Проте в живій клітці цей процес триває всього лише кілька десятків хвилин. Таке значне скорочення часу забезпечується участю у фолдингу спеціалізованих допоміжних білків - фолдаз і шаперонів.

Згортання маленьких білкових молекул (до 100 амінокислот у ланцюгу) відбувається досить швидко і без участі посередників, що показали експерименти in vitro.

Фактори фолдингу

Допоміжні білки, які беруть участь у фолдингу, діляться на дві групи:

  • фолдази - мають каталітичну активність, потрібні в кількості, що значно поступається концентрації субстрату (як і інші ферменти);
  • шаперони - білки з різноманітними механізмами дії, потрібні в концентрації, порівнянної з кількістю згортного субстрату.

Обидва типи факторів беруть участь у фолдингу, але не входять до складу кінцевого продукту.

Групу фолдаз представляють 2 ферменти:

  • Протеіндисульфідизомераза (ПДІ) - контролює правильне утворення дисульфідних зв'язків у білках з великою кількістю залишків цистеїну. Ця функція дуже важлива, оскільки ковалентні взаємодії дуже міцні, і в разі виникнення помилкових сполук білок не зміг би самостійно перебудуватися і прийняти нативну конформацію.
  • Пептиділ-пролив-цис-транс-ізомераза - забезпечує зміну конфігурації радикалів, розташованих з боків від пролину, що змінює характер вигину поліпептидного ланцюга на цій ділянці.

Таким чином, фолдази виконують коригуючу роль в утворенні третинної конформації білкової молекули.

Шаперони

Шаперони інакше називаються білками теплового шоку або стресу. Це пов'язано зі значним збільшенням їх секреції при негативних впливах на клітку (температура, радіація, важкі метали тощо).

Шаперони належать до трьох сімействів білків: hsp60, hsp70 и hsp90. Ці протеїни виконують безліч функції, включаючи:

  • захист білків від денатурації;
  • виключення взаємодії тільки що синтезованих білків один з одним;
  • попередження утворення неправильних слабких зв'язків між радикалами і їх лабіалізація (виправлення).

Таким чином, шаперони сприяють швидкому придбанню енергітично правильної конформації, виключаючи випадковий перебір безлічі варіантів і огороджуючи ще не дозрілі білкові молекули від непотрібної взаємодії один з одним. Крім цього, шаперони забезпечують:

  • деякі види транспортування білків;
  • контроль рефолдингу (відновлення третинної структури після її втрати);
  • підтримка стану незакінченого фолдингу (для деяких білків).

В останньому випадку молекула шаперона залишається пов'язаною з білком після завершення процесу укладання.

Денатурація

Порушення третинної структури білка під впливом будь-яких факторів називається денатурацією. Втрата нативної конформації відбувається при руйнуванні великої кількості слабких зв'язків, що стабілізують молекулу. При цьому білок втрачає свою специфічну функцію, але зберігає первинну структуру (пептидні зв'язки під час денатурації не руйнуються).

При денатурації відбувається просторове збільшення білкової молекули, а гідрофобні ділянки знову виходять на поверхню. Поліпептидний ланцюг набуває конформації безладного клубка, форма якого залежить від того, які зв'язки третинної структури білка були розірвані. У такому вигляді молекула більш сприйнятлива до впливу протеолітичних ферментів.

Фактори, що порушують третинну структуру

Існує цілий ряд фізико-хімічних впливів, здатних викликати денатурацію. До них відносять:

  • температуру вище 50 градусів;
  • радіацію;
  • зміна pH середовища;
  • солі важких металів;
  • деякі органічні з'єднання;
  • детергенти.

Після припинення денатуруючого впливу білок може відновити третинну структуру. Цей процес називається ренатурацією або рефолдингом. В умовах in vitro таке можливо тільки для невеликих білків. У живій клітці рефолдинг забезпечують шаперони.