Третинної 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 грає величезну роль в доданні білків функціональної активності.
Особливості третинної структури
Для третинної структури білків характерні такі типи хімічних взаємодій:
- іонні;
- водневі;
- гідрофобні;
- ван-дер-ваальсові;
- дисульфідні.
Всі ці зв’язку (крім ковалентного дисульфидной) дуже слабкі, однак за рахунок кількості стабілізують просторову форму молекули.
Фактично третій рівень укладання поліпептидних ланцюгів являє собою комбінацію різних елементів вторинної структури (α-спіралей; β-складчастих шарів і петель), які орієнтуються у просторі за рахунок хімічних взаємодій між бічними амінокислотними радикалами. Для схематичного позначення третинної структури білка α-спіралі позначаються циліндрами або спірально закрученими лініями, складчасті шари — стрілками, а петлі — простими лініями.
Характер третинної конформації визначається послідовністю амінокислот у ланцюзі, тому двом молекулам з однакової первинної структурою при рівних умовах буде відповідати один і той же варіант просторової укладки. Така конформація забезпечує функціональну активність білка і називається нативної.
У процесі укладання білкової молекули відбувається зближення компонентів активного центру, які в первинній структурі можуть бути значно віддалені один від одного.
Для одноланцюгових білків третинна структура є кінцевою функціональною формою. Складні многосубъединичные білки утворюють четвертинну структуру, яка характеризує розташування декількох ланцюгів по відношенню один до одного.
Характеристика хімічних зв’язків в 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 до центру молекули. Така конформація енергетично найбільш вигідна. В результаті формується глобула з гідрофобною серцевиною.
Гідрофільні радикали, які все-таки 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) та заряджених гідрофільних груп. Ковалентні зв’язки (найміцніші у третинної конформації) виникають між SH-групами цистеиновых залишків, формуючи так звані дисульфідні містки. Зазвичай ці групи видалені один від одного в лінійній ланцюга і зближуються тільки в процесі укладання. Дисульфідні зв’язки, не характерні для більшості внутрішньоклітинних білків.
Конформаційна гнучкість
Так як зв’язки, що формують третинну структуру білка, дуже слабкі, броунівський рух атомів в амінокислотної ланцюга може привести 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 конформационной 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.
Ні один білок не потребує посередників-інструкторів, які будуть визначати третинну структуру. Схема укладання спочатку “записана” в послідовності амінокислот.
Проте при звичайних умовах, для того щоб велика білкова молекула прийняла нативну конформацію відповідно первинної структурі, їй знадобилося б понад трильйон років. Тим не менш в живій клітині цей процес триває всього лише кілька десятків хвилин. Таке значне скорочення часу забезпечується участю в фолдинге спеціалізованих допоміжних білків — фолдаз і шаперонов.
Згортання маленьких білкових молекул (до 100 амінокислот в ланцюзі) відбувається досить швидко і без участі посередників, що показали експерименти in vitro.
Фактори фолдинга
Беруть участь у фолдинге допоміжні білки діляться на дві групи:
- фолдазы — мають каталітичною активністю, потрібні в кількості, значно поступається концентрації субстрату (як і інші ферменти);
- шапероны — білки з різноманітними механізмами дії, потрібні в концентрації, порівнянної з кількістю сворачиваемого субстрату.
Обидва типи факторів беруть участь у фолдинге, але не входять до складу кінцевого продукту.
Групу фолдаз представляють 2 ферменту:
- Протеиндисульфидизомераза (ПДІ) — контролює правильне утворення дисульфідних зв’язків в білках з великою кількістю залишків цистеїну. Ця функція дуже важлива, оскільки ковалентні взаємодії дуже міцні, і в разі виникнення помилкових з’єднань білок не зміг би самостійно перебудуватися і прийняти нативну конформацію.
- Пептидил-пролив-цис-транс-изомераза — забезпечує зміну конфігурації радикалів, розташованих з боків від проліну, що змінює характер вигину поліпептидного ланцюга на цій ділянці.
Таким чином, фолдазы виконують коригувальну роль в утворенні третинної конформації білкової молекули.
Шапероны
Шапероны інакше називаються білками теплового шоку або стресу. Це пов’язано зі значним збільшенням їх секреції при негативних впливах на клітину (температура, радіація, важкі метали тощо).
Шапероны належать до трьох родин білків: hsp60, hsp70 і hsp90. Ці білки виконують безліч функцій, включаючи:
- захист від білків денатурації;
- виняток взаємодії тільки що синтезованих білків один з одним;
- попередження утворення неправильних слабких зв’язків між радикалами та їх лабиализация (виправлення).
Таким чином, шапероны сприяють швидкому придбання энергитически правильної конформації, виключаючи випадковий перебір безлічі варіантів і захищаючи ще не дозрілі білкові молекули від непотрібного взаємодії один з одним. Крім цього, шапероны забезпечують:
- деякі види транспортування білків;
- контроль рефолдинга (відновлення третинної структури після її втрати);
- підтримання стану незакінченого фолдинга (для деяких білків).
В останньому випадку молекула шаперон залишається пов’язаної з білком по завершенні процесу укладання.
Денатурація
Порушення третинної структури білка під впливом яких-небудь 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. Полипептидная ланцюг набуває конформацію безладного клубка, форма якого залежить від того, які зв’язки третинної структури білка були розірвані. У такому вигляді молекула більш сприйнятлива до дії протеолітичних ферментів.
Фактори, що порушують третинну структуру
Існує цілий ряд фізико-хімічних впливів, здатних викликати денатурацию. До них відносять:
- температуру вище 50 градусів;
- радіацію;
- зміна pH середовища;
- солі важких металів;
- деякі органічні сполуки;
- детергенти.
Після припинення денатуруючого впливу білок може відновити третинну структуру. Цей процес називається ренатурацией або рефолдингом. В умовах in vitro таке можливо тільки для невеликих білків. У живій клітині рефолдинг забезпечують шапероны.
