Η τριτοταγής δομή μιας πρωτεΐνης είναι ο τρόπος με τον οποίο μια πολυπεπτιδική αλυσίδα διπλώνεται σε τρισδιάστατο χώρο. Αυτή η διαμόρφωση προκύπτει λόγω του σχηματισμού χημικών δεσμών μεταξύ ριζών αμινοξέων που είναι απομακρυσμένες η μία από την άλλη. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται με τη συμμετοχή των μοριακών μηχανισμών του κυττάρου και παίζει τεράστιο ρόλο στην παροχή λειτουργικής δραστηριότητας στις πρωτεΐνες.
Χαρακτηριστικά της τριτογενούς δομής
Οι ακόλουθοι τύποι χημικών αλληλεπιδράσεων είναι χαρακτηριστικοί της τριτοταγούς δομής των πρωτεϊνών:
- ιονικό;
- υδρογόνο;
- υδροφοβικό;
- van der Waals;
- δισουλφίδιο.
Όλοι αυτοί οι δεσμοί (εκτός από το ομοιοπολικό δισουλφίδιο) είναι πολύ αδύναμοι, ωστόσο, λόγω της ποσότητας που σταθεροποιούν το χωρικό σχήμα του μορίου.
Στην πραγματικότητα, το τρίτο επίπεδο αναδίπλωσης των πολυπεπτιδικών αλυσίδων είναι ένας συνδυασμός διαφόρων στοιχείων της δευτερογενούς δομής (α-έλικες, β-πτυχωμένα στρώματα καιβρόχους), οι οποίοι είναι προσανατολισμένοι στο διάστημα λόγω χημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ πλευρικών ριζών αμινοξέων. Για να υποδείξουν σχηματικά την τριτοταγή δομή μιας πρωτεΐνης, οι α-έλικες υποδεικνύονται με κυλίνδρους ή σπειροειδείς γραμμές, διπλωμένα στρώματα με βέλη και οι βρόχοι με απλές γραμμές.
Η φύση της τριτογενούς διαμόρφωσης καθορίζεται από την αλληλουχία των αμινοξέων στην αλυσίδα, επομένως δύο μόρια με την ίδια πρωτογενή δομή υπό ίσες συνθήκες θα αντιστοιχούν στην ίδια παραλλαγή της χωρικής συσκευασίας. Αυτή η διαμόρφωση διασφαλίζει τη λειτουργική δραστηριότητα της πρωτεΐνης και ονομάζεται φυσική.
Κατά την αναδίπλωση του μορίου πρωτεΐνης, τα συστατικά του ενεργού κέντρου έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους, τα οποία στην πρωτογενή δομή μπορούν να απομακρυνθούν σημαντικά μεταξύ τους.
Για μονόκλωνες πρωτεΐνες, η τριτοταγής δομή είναι η τελική λειτουργική μορφή. Οι σύνθετες πρωτεΐνες πολλαπλών υπομονάδων σχηματίζουν μια τεταρτοταγή δομή που χαρακτηρίζει τη διάταξη πολλών αλυσίδων σε σχέση μεταξύ τους.
Χαρακτηρισμός χημικών δεσμών στην τριτοταγή δομή μιας πρωτεΐνης
Σε μεγάλο βαθμό, η αναδίπλωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας οφείλεται στην αναλογία υδρόφιλων και υδρόφοβων ριζών. Οι πρώτες τείνουν να αλληλεπιδρούν με το υδρογόνο (συστατικό στοιχείο του νερού) και επομένως βρίσκονται στην επιφάνεια, ενώ οι υδρόφοβες περιοχές, αντίθετα, ορμούν στο κέντρο του μορίου. Αυτή η διαμόρφωση είναι ενεργειακά η πιο ευνοϊκή. ΣΤΟτο αποτέλεσμα είναι ένα σφαιρίδιο με υδρόφοβο πυρήνα.
Οι υδρόφιλες ρίζες, οι οποίες ωστόσο πέφτουν στο κέντρο του μορίου, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ιοντικούς δεσμούς ή δεσμούς υδρογόνου. Οι ιονικοί δεσμοί μπορούν να προκύψουν μεταξύ των αντίθετα φορτισμένων ριζών αμινοξέων, οι οποίες είναι:
- κατιονικές ομάδες αργινίνης, λυσίνης ή ιστιδίνης (έχουν θετικό φορτίο);
- Ομάδες καρβοξυλίου ριζών γλουταμικού και ασπαρτικού οξέος (έχουν αρνητικό φορτίο).
Οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται από την αλληλεπίδραση μη φορτισμένων (OH, SH, CONH2) και φορτισμένων υδρόφιλων ομάδων. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί (οι ισχυρότεροι στην τριτογενή διαμόρφωση) προκύπτουν μεταξύ των ομάδων SH των υπολειμμάτων κυστεΐνης, σχηματίζοντας τις λεγόμενες δισουλφιδικές γέφυρες. Συνήθως, αυτές οι ομάδες βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους σε μια γραμμική αλυσίδα και πλησιάζουν η μία την άλλη μόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας στοίβαξης. Οι δισουλφιδικοί δεσμοί δεν είναι χαρακτηριστικοί των περισσότερων ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών.
Συσκευαστική αστάθεια
Δεδομένου ότι οι δεσμοί που σχηματίζουν την τριτοταγή δομή μιας πρωτεΐνης είναι πολύ αδύναμοι, η κίνηση Brown των ατόμων σε μια αλυσίδα αμινοξέων μπορεί να τα προκαλέσει να σπάσουν και να σχηματιστούν σε νέες θέσεις. Αυτό οδηγεί σε μια ελαφρά αλλαγή στο χωρικό σχήμα μεμονωμένων τμημάτων του μορίου, αλλά δεν παραβιάζει τη φυσική διαμόρφωση της πρωτεΐνης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διαμορφωτική αστάθεια. Το τελευταίο παίζει τεράστιο ρόλο στη φυσιολογία των κυτταρικών διεργασιών.
Η διαμόρφωση της πρωτεΐνης επηρεάζεται από τις αλληλεπιδράσεις της με άλλουςμόρια ή αλλαγές στις φυσικές και χημικές παραμέτρους του μέσου.
Πώς σχηματίζεται η τριτοταγής δομή μιας πρωτεΐνης
Η διαδικασία αναδίπλωσης μιας πρωτεΐνης στη φυσική της μορφή ονομάζεται δίπλωμα. Αυτό το φαινόμενο βασίζεται στην επιθυμία του μορίου να υιοθετήσει μια διαμόρφωση με ελάχιστη τιμή ελεύθερης ενέργειας.
Καμία πρωτεΐνη δεν χρειάζεται ενδιάμεσους εκπαιδευτές που θα καθορίσουν την τριτογενή δομή. Το μοτίβο τοποθέτησης αρχικά «καταγράφεται» στην αλληλουχία των αμινοξέων.
Ωστόσο, υπό κανονικές συνθήκες, για να υιοθετήσει ένα μεγάλο μόριο πρωτεΐνης μια φυσική διαμόρφωση που αντιστοιχεί στην πρωτογενή δομή, θα χρειαζόταν περισσότερα από ένα τρισεκατομμύριο χρόνια. Ωστόσο, σε ένα ζωντανό κύτταρο, αυτή η διαδικασία διαρκεί μόνο μερικές δεκάδες λεπτά. Τέτοια σημαντική μείωση του χρόνου παρέχει η συμμετοχή σε αναδίπλωση εξειδικευμένων βοηθητικών πρωτεϊνών - foldases και chaperones.
Η αναδίπλωση μικρών μορίων πρωτεΐνης (έως 100 αμινοξέα σε μια αλυσίδα) συμβαίνει αρκετά γρήγορα και χωρίς τη συμμετοχή ενδιάμεσων, κάτι που φάνηκε από πειράματα in vitro.
Συντελεστές αναδίπλωσης
Οι βοηθητικές πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην αναδίπλωση χωρίζονται σε δύο ομάδες:
- φολδάσες - έχουν καταλυτική δράση, απαιτούνται σε ποσότητα σημαντικά κατώτερη από τη συγκέντρωση του υποστρώματος (όπως και άλλα ένζυμα);
- chaperones - πρωτεΐνες με διάφορους μηχανισμούς δράσης, που απαιτούνται σε συγκέντρωση συγκρίσιμη με την ποσότητα του διπλωμένου υποστρώματος.
Και οι δύο τύποι παραγόντων συμμετέχουν στο δίπλωμα, αλλά δεν περιλαμβάνονταιτελικό προϊόν.
Η ομάδα των φολδασών αντιπροσωπεύεται από 2 ένζυμα:
- Δισουλφιδική ισομεράση πρωτεΐνης (PDI) - ελέγχει τον σωστό σχηματισμό δισουλφιδικών δεσμών σε πρωτεΐνες με μεγάλο αριθμό υπολειμμάτων κυστεΐνης. Αυτή η συνάρτηση είναι πολύ σημαντική, καθώς οι ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις είναι πολύ ισχυρές και σε περίπτωση λανθασμένων συνδέσεων, η πρωτεΐνη δεν θα είναι σε θέση να αναδιαταχθεί και να λάβει μια φυσική διαμόρφωση.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-ισομεράση - παρέχει μια αλλαγή στη διαμόρφωση των ριζών που βρίσκονται στις πλευρές της προλίνης, η οποία αλλάζει τη φύση της κάμψης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας σε αυτήν την περιοχή.
Έτσι, οι φολδάσες παίζουν διορθωτικό ρόλο στο σχηματισμό της τριτογενούς διαμόρφωσης του μορίου πρωτεΐνης.
Chaperones
Οι chaperones ονομάζονται αλλιώς πρωτεΐνες θερμικού σοκ ή στρες. Αυτό οφείλεται σε σημαντική αύξηση της έκκρισής τους κατά τη διάρκεια αρνητικών επιδράσεων στο κύτταρο (θερμοκρασία, ακτινοβολία, βαρέα μέταλλα κ.λπ.).
Οι Chaperone ανήκουν σε τρεις οικογένειες πρωτεϊνών: hsp60, hsp70 και hsp90. Αυτές οι πρωτεΐνες εκτελούν πολλές λειτουργίες, όπως:
- Προστασία πρωτεϊνών από μετουσίωση;
- αποκλεισμός της αλληλεπίδρασης νεοσυντιθέμενων πρωτεϊνών μεταξύ τους;
- αποτροπή σχηματισμού λανθασμένων ασθενών δεσμών μεταξύ των ριζών και η χειλοποίηση τους (διόρθωση).
Έτσι, οι συνοδοί συμβάλλουν στην ταχεία απόκτηση της ενεργειακά σωστής διαμόρφωσης, αποκλείοντας την τυχαία απαρίθμηση πολλών επιλογών και προστατεύοντας που δεν έχουν ακόμη ωριμάσειμόρια πρωτεΐνης από περιττή αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Επιπλέον, οι συνοδοί παρέχουν:
- μερικοί τύποι μεταφοράς πρωτεϊνών;
- έλεγχος αναδίπλωσης (αποκατάσταση της τριτογενούς δομής μετά την απώλειά της);
- διατήρηση ημιτελούς κατάστασης αναδίπλωσης (για ορισμένες πρωτεΐνες).
Στην τελευταία περίπτωση, το μόριο συνοδού παραμένει συνδεδεμένο με την πρωτεΐνη στο τέλος της διαδικασίας αναδίπλωσης.
Μετουσίωση
Η παραβίαση της τριτοταγούς δομής μιας πρωτεΐνης υπό την επίδραση οποιωνδήποτε παραγόντων ονομάζεται μετουσίωση. Η απώλεια της φυσικής διαμόρφωσης συμβαίνει όταν ένας μεγάλος αριθμός ασθενών δεσμών που σταθεροποιούν το μόριο σπάσει. Σε αυτή την περίπτωση, η πρωτεΐνη χάνει τη συγκεκριμένη λειτουργία της, αλλά διατηρεί την πρωταρχική της δομή (οι πεπτιδικοί δεσμοί δεν καταστρέφονται κατά τη διάρκεια της μετουσίωσης).
Κατά τη διάρκεια της μετουσίωσης, εμφανίζεται μια χωρική αύξηση του μορίου της πρωτεΐνης και υδρόφοβες περιοχές έρχονται ξανά στην επιφάνεια. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα αποκτά τη διαμόρφωση ενός τυχαίου πηνίου, το σχήμα του οποίου εξαρτάται από το ποιοι δεσμοί της τριτοταγούς δομής της πρωτεΐνης έχουν σπάσει. Σε αυτή τη μορφή, το μόριο είναι πιο ευαίσθητο στις επιδράσεις των πρωτεολυτικών ενζύμων.
Παράγοντες που παραβιάζουν την τριτογενή δομή
Υπάρχει μια σειρά από φυσικές και χημικές επιδράσεις που μπορεί να προκαλέσουν μετουσίωση. Αυτά περιλαμβάνουν:
- θερμοκρασία πάνω από 50 βαθμούς;
- ακτινοβολία;
- αλλαγή του pH του μέσου;
- άλατα βαρέων μετάλλων;
- μερικές οργανικές ενώσεις;
- detergents.
Μετά τον τερματισμό του μετουσιωτικού αποτελέσματος, η πρωτεΐνη μπορεί να αποκαταστήσει την τριτοταγή δομή. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επανασύνθεση ή αναδίπλωση. Υπό συνθήκες in vitro, αυτό είναι δυνατό μόνο για μικρές πρωτεΐνες. Σε ένα ζωντανό κελί, η αναδίπλωση παρέχεται από συνοδούς.
