Terciární struktura proteinu je způsob, jakým je polypeptidový řetězec složen v trojrozměrném prostoru. Tato konformace vzniká v důsledku tvorby chemických vazeb mezi navzájem vzdálenými aminokyselinovými radikály. Tento proces se provádí za účasti molekulárních mechanismů buňky a hraje obrovskou roli při poskytování funkční aktivity proteinům.
Vlastnosti terciární struktury
Následující typy chemických interakcí jsou charakteristické pro terciární strukturu proteinů:
- ionic;
- vodík;
- hydrofobní;
- van der Waals;
- disulfid.
Všechny tyto vazby (kromě kovalentního disulfidu) jsou velmi slabé, nicméně díky množství stabilizují prostorový tvar molekuly.
Třetí úroveň skládání polypeptidových řetězců je ve skutečnosti kombinací různých prvků sekundární struktury (α-helixy; β-skládané vrstvy asmyčky), které jsou orientovány v prostoru v důsledku chemických interakcí mezi postranními aminokyselinovými radikály. Pro schematické znázornění terciární struktury proteinu jsou α-šroubovice označeny válci nebo spirálovitými čarami, složené vrstvy šipkami a smyčky jednoduchými čarami.
Povaha terciární konformace je určena sekvencí aminokyselin v řetězci, takže dvě molekuly se stejnou primární strukturou za stejných podmínek budou odpovídat stejné variantě prostorového uspořádání. Tato konformace zajišťuje funkční aktivitu proteinu a nazývá se nativní.
Během skládání molekuly proteinu se složky aktivního centra přibližují k sobě, které se v primární struktuře mohou od sebe výrazně oddálit.
U jednovláknových proteinů je konečnou funkční formou terciární struktura. Komplexní vícepodjednotkové proteiny tvoří kvartérní strukturu, která charakterizuje uspořádání několika řetězců ve vztahu k sobě navzájem.
Charakterizace chemických vazeb v terciární struktuře proteinu
Skládání polypeptidového řetězce je do značné míry způsobeno poměrem hydrofilních a hydrofobních radikálů. První mají tendenci interagovat s vodíkem (složkou vody), a proto jsou na povrchu, zatímco hydrofobní oblasti naopak spěchají do středu molekuly. Tato konformace je energeticky nejpříznivější. Vvýsledkem je globule s hydrofobním jádrem.
Hydrofilní radikály, které přesto spadají do středu molekuly, mezi sebou interagují a tvoří iontové nebo vodíkové vazby. Iontové vazby se mohou vyskytovat mezi opačně nabitými radikály aminokyselin, které jsou:
- kationtové skupiny argininu, lysinu nebo histidinu (mají kladný náboj);
- Karboxylové skupiny radikálů kyseliny glutamové a asparagové (mají záporný náboj).
Vodíkové vazby vznikají interakcí nenabitých (OH, SH, CONH2) a nabitých hydrofilních skupin. Kovalentní vazby (nejsilnější v terciární konformaci) vznikají mezi SH skupinami cysteinových zbytků a tvoří tzv. disulfidové můstky. Obvykle jsou tyto skupiny od sebe vzdáleny v lineárním řetězci a přibližují se k sobě pouze během procesu stohování. Disulfidové vazby nejsou charakteristické pro většinu intracelulárních proteinů.
Konformační labilita
Vzhledem k tomu, že vazby, které tvoří terciární strukturu proteinu, jsou velmi slabé, Brownův pohyb atomů v řetězci aminokyselin může způsobit jejich rozpad a vznik na nových místech. To vede k mírné změně prostorového tvaru jednotlivých úseků molekuly, ale nenarušuje nativní konformaci proteinu. Tento jev se nazývá konformační labilita. Ten hraje obrovskou roli ve fyziologii buněčných procesů.
Konformace proteinu je ovlivněna jeho interakcemi s ostatnímimolekul nebo změny fyzikálních a chemických parametrů média.
Jak se tvoří terciární struktura proteinu
Proces skládání proteinu do jeho přirozené formy se nazývá skládání. Tento jev je založen na touze molekuly přijmout konformaci s minimální hodnotou volné energie.
Žádný protein nepotřebuje zprostředkující instruktory, kteří určí terciární strukturu. Vzor snášky je zpočátku "zaznamenán" v sekvenci aminokyselin.
Avšak za normálních podmínek by to, aby velká molekula proteinu přijala nativní konformaci odpovídající primární struktuře, trvalo více než bilion let. Přesto v živé buňce tento proces trvá jen pár desítek minut. Takové významné zkrácení času zajišťuje účast na skládání specializovaných pomocných proteinů - foldáz a chaperonů.
Skládání malých molekul bílkovin (až 100 aminokyselin v řetězci) probíhá poměrně rychle a bez účasti zprostředkovatelů, což prokázaly experimenty in vitro.
Skládací faktory
Pomocné proteiny podílející se na skládání se dělí do dvou skupin:
- foldázy – mají katalytickou aktivitu, jsou vyžadovány v množství výrazně nižším než je koncentrace substrátu (jako jiné enzymy);
- chaperony - proteiny s různými mechanismy účinku, potřebné v koncentraci srovnatelné s množstvím složeného substrátu.
Na skládání se podílejí oba typy faktorů, ale nejsou zahrnutykonečný produkt.
Skupinu foldáz představují 2 enzymy:
- Proteindisulfidizomeráza (PDI) - kontroluje správnou tvorbu disulfidových vazeb v proteinech s velkým počtem cysteinových zbytků. Tato funkce je velmi důležitá, protože kovalentní interakce jsou velmi silné a v případě chybných spojení by se protein nebyl schopen přeskupit a přijmout nativní konformaci.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-izomeráza – zajišťuje změnu konfigurace radikálů umístěných po stranách prolinu, což mění charakter ohybu polypeptidového řetězce v této oblasti.
Flasy tedy hrají korekční roli při tvorbě terciární konformace molekuly proteinu.
Chaperones
Chaperony se jinak nazývají proteiny tepelného šoku nebo stresové proteiny. Je to způsobeno výrazným zvýšením jejich sekrece při negativních vlivech na buňku (teplota, záření, těžké kovy atd.).
Chaperony patří do tří proteinových rodin: hsp60, hsp70 a hsp90. Tyto proteiny plní mnoho funkcí, včetně:
- Ochrana bílkovin před denaturací;
- vyloučení vzájemné interakce nově syntetizovaných proteinů;
- zabránění vzniku nesprávných slabých vazeb mezi radikály a jejich labializaci (korekci).
Chaperony tedy přispívají k rychlému získání energeticky správné konformace, vylučují náhodné vyjmenování mnoha možností a chrání ještě nezraléproteinových molekul před zbytečnou vzájemnou interakcí. Kromě toho průvodci poskytují:
- některé typy transportu bílkovin;
- kontrola skládání (obnova terciární struktury po její ztrátě);
- zachování stavu nedokončeného skládání (u některých proteinů).
Ve druhém případě zůstává molekula chaperonu navázaná na protein na konci procesu skládání.
Denaturace
Porušení terciární struktury proteinu pod vlivem jakýchkoli faktorů se nazývá denaturace. Ke ztrátě nativní konformace dochází, když je rozbito velké množství slabých vazeb, které stabilizují molekulu. V tomto případě protein ztrácí svou specifickou funkci, ale zachovává si svou primární strukturu (peptidové vazby nejsou zničeny během denaturace).
Během denaturace dochází k prostorovému nárůstu molekuly proteinu a hydrofobní oblasti se opět dostávají na povrch. Polypeptidový řetězec získává konformaci náhodného klubka, jehož tvar závisí na tom, které vazby terciární struktury proteinu byly přerušeny. V této formě je molekula náchylnější k účinkům proteolytických enzymů.
Faktory narušující terciární strukturu
Existuje řada fyzikálních a chemických vlivů, které mohou způsobit denaturaci. Patří mezi ně:
- teplota nad 50 stupňů;
- záření;
- změna pH média;
- soli těžkých kovů;
- některé organické sloučeniny;
- detergenty.
Po ukončení denaturačního efektu může protein obnovit terciární strukturu. Tento proces se nazývá renaturace nebo refolding. V podmínkách in vitro je to možné pouze u malých proteinů. V živé buňce je skládání zajišťováno doprovodem.
