A fehérje harmadlagos szerkezete az a mód, ahogyan a polipeptidlánc háromdimenziós térben összehajt. Ez a konformáció az egymástól távol eső aminosavgyökök közötti kémiai kötések kialakulásának köszönhető. Ez a folyamat a sejt molekuláris mechanizmusainak részvételével zajlik, és óriási szerepet játszik a fehérjék funkcionális aktivitásának biztosításában.
A harmadlagos struktúra jellemzői
A következő típusú kémiai kölcsönhatások jellemzőek a fehérjék harmadlagos szerkezetére:
- ionos;
- hidrogén;
- hidrofób;
- van der Waals;
- diszulfid.
Ezek a kötések (a kovalens diszulfid kivételével) nagyon gyengék, mennyiségük miatt azonban stabilizálják a molekula térbeli alakját.
Valójában a polipeptidláncok feltekeredésének harmadik szintje a másodlagos szerkezet különböző elemeinek kombinációja (α-hélixek, β-redős rétegek éshurkok), amelyek az oldalsó aminosavgyökök közötti kémiai kölcsönhatások miatt térben orientálódnak. A fehérje harmadlagos szerkezetének sematikus jelzésére az α-hélixeket hengerek vagy spirálvonalak, a hajtogatott rétegeket nyilak, a hurkokat pedig egyszerű vonalak jelölik.
A tercier konformáció természetét a láncban lévő aminosavak sorrendje határozza meg, így két azonos primer szerkezetű molekula azonos feltételek mellett a térbeli pakolás ugyanazon változatának felel meg. Ez a konformáció biztosítja a fehérje funkcionális aktivitását, és natívnak nevezik.
A fehérjemolekula feltekeredése során az aktív centrum komponensei közelebb kerülnek egymáshoz, amelyek az elsődleges szerkezetben jelentősen eltávolíthatók egymástól.
Az egyszálú fehérjék esetében a harmadlagos szerkezet a végső funkcionális forma. Az összetett több alegységből álló fehérjék egy kvaterner szerkezetet alkotnak, amely több lánc egymáshoz viszonyított elrendeződését jellemzi.
A kémiai kötések jellemzése a fehérje harmadlagos szerkezetében
A polipeptidlánc feltekeredése nagyrészt a hidrofil és hidrofób gyökök arányának köszönhető. Az előbbiek hajlamosak kölcsönhatásba lépni a hidrogénnel (a víz egyik alkotóeleme), és ezért a felszínen vannak, míg a hidrofób régiók éppen ellenkezőleg, a molekula közepébe rohannak. Ez a felépítés energetikailag a legkedvezőbb. NÁL NÉLaz eredmény egy hidrofób maggal rendelkező gömböcske.
A hidrofil gyökök, amelyek ennek ellenére a molekula közepébe esnek, kölcsönhatásba lépnek egymással, és ionos vagy hidrogénkötéseket hoznak létre. Ellentétes töltésű aminosavgyökök között ionos kötések jöhetnek létre, amelyek a következők:
- arginin, lizin vagy hisztidin kationos csoportjai (pozitív töltéssel rendelkeznek);
- Glutamin- és aszparaginsav-gyökök karboxilcsoportjai (negatív töltéssel rendelkeznek).
A hidrogénkötések töltés nélküli (OH, SH, CONH2) és töltött hidrofil csoportok kölcsönhatásával jönnek létre. Kovalens kötések (a tercier konformációban a legerősebbek) a cisztein-maradékok SH-csoportjai között jönnek létre, úgynevezett diszulfidhidakat képezve. Ezek a csoportok általában egy lineáris láncban helyezkednek el egymástól, és csak a halmozási folyamat során közelednek egymáshoz. A diszulfid kötések nem jellemzőek a legtöbb intracelluláris fehérjére.
Konformációs labilitás
Mivel a fehérje harmadlagos szerkezetét alkotó kötések nagyon gyengék, az aminosavláncban az atomok Brown-mozgása miatt azok megszakadhatnak és új helyeken alakulhatnak ki. Ez enyhe változáshoz vezet a molekula egyes szakaszainak térbeli alakjában, de nem sérti a fehérje natív konformációját. Ezt a jelenséget konformációs labilitásnak nevezik. Ez utóbbi óriási szerepet játszik a sejtfolyamatok élettanában.
A fehérje konformációját befolyásolja a másokkal való kölcsönhatásmolekulák vagy a közeg fizikai és kémiai paramétereinek változásai.
Hogyan alakul ki egy fehérje harmadlagos szerkezete
A fehérje natív formájába való hajtogatásának folyamatát hajtogatásnak nevezzük. Ez a jelenség a molekula azon vágyán alapul, hogy egy minimális szabadenergia értékű konformációt vegyen fel.
Egyetlen proteinnek sincs szüksége közvetítő oktatókra, akik meghatározzák a harmadlagos szerkezetet. A fektetési mintát kezdetben az aminosavak sorrendjében „rögzítik”.
Normál körülmények között azonban ahhoz, hogy egy nagy fehérjemolekula az elsődleges szerkezetnek megfelelő natív konformációt vegyen fel, több mint trillió évre van szükség. Ennek ellenére egy élő sejtben ez a folyamat csak néhány tíz percig tart. Ilyen jelentős időcsökkenést a speciális segédfehérjék – foldázok és chaperonok – feltekeredésében való részvétel biztosítja.
A kisméretű fehérjemolekulák (akár 100 aminosav egy láncban) feltekeredése meglehetősen gyorsan és közvetítők részvétele nélkül megy végbe, amit in vitro kísérletek is kimutattak.
Hajtó tényezők
A hajtogatásban részt vevő segédfehérjék két csoportra oszthatók:
- foldázok - katalitikus aktivitással rendelkeznek, a szubsztrát koncentrációjánál lényegesen kisebb mennyiségben szükségesek (más enzimekhez hasonlóan);
- chaperonok – különféle hatásmechanizmusú fehérjék, amelyek a felhajtott szubsztrát mennyiségéhez hasonló koncentrációban szükségesek.
Mindkét típusú tényező részt vesz a hajtogatásban, de nem szerepel bennevégtermék.
A folázok csoportját 2 enzim képviseli:
- Protein-diszulfid-izomeráz (PDI) – szabályozza a diszulfidkötések helyes kialakulását a nagyszámú cisztein-maradékot tartalmazó fehérjékben. Ez a funkció nagyon fontos, mivel a kovalens kölcsönhatások nagyon erősek, és hibás kapcsolatok esetén a fehérje nem tudna átrendeződni és natív konformációt felvenni.
- Peptidil-prolil-cisz-transz-izomeráz – megváltoztatja a prolin oldalain elhelyezkedő gyökök konfigurációját, ami megváltoztatja a polipeptidlánc hajlításának jellegét ezen a területen.
Így a foldázok korrekciós szerepet játszanak a fehérjemolekula tercier konformációjának kialakításában.
Kísérők
A kísérőket más néven hősokk- vagy stresszfehérjéknek nevezik. Ennek oka a szekréciójuk jelentős növekedése a sejtre gyakorolt negatív hatások során (hőmérséklet, sugárzás, nehézfémek stb.).
A chaperonok három fehérjecsaládba tartoznak: a hsp60, a hsp70 és a hsp90. Ezek a fehérjék számos funkciót látnak el, többek között:
- A fehérjék védelme a denaturációtól;
- újonnan szintetizált fehérjék egymás közötti kölcsönhatásának kizárása;
- a gyökök közötti hibás gyenge kötések kialakulásának megakadályozása és labializációja (korrekciója).
Így a chaperonok hozzájárulnak az energetikailag helyes testforma gyors megszerzéséhez, kizárva a sok lehetőség véletlenszerű felsorolását és a még nem érett védelmetfehérjemolekulák egymással való szükségtelen kölcsönhatásából. Ezenkívül a kísérők a következőket biztosítják:
- egyes típusú fehérjeszállítás;
- refolding control (a harmadlagos struktúra helyreállítása elvesztése után);
- egy befejezetlen hajtogatási állapot fenntartása (egyes fehérjék esetében).
Ez utóbbi esetben a chaperon molekula a fehérjéhez kötve marad a hajtogatási folyamat végén.
Denaturáció
A fehérje harmadlagos szerkezetének bármilyen tényező hatására bekövetkező megsértését denaturációnak nevezzük. A natív konformáció elvesztése akkor következik be, amikor nagyszámú, a molekulát stabilizáló gyenge kötés megszakad. Ebben az esetben a fehérje elveszíti specifikus funkcióját, de megtartja elsődleges szerkezetét (a peptidkötések a denaturáció során nem pusztulnak el).
A denaturáció során a fehérjemolekula térbeli növekedése következik be, és újra hidrofób területek kerülnek a felszínre. A polipeptidlánc egy véletlenszerű tekercs konformációját veszi fel, amelynek alakja attól függ, hogy a fehérje harmadlagos szerkezetének mely kötései szakadtak meg. Ebben a formában a molekula érzékenyebb a proteolitikus enzimek hatására.
A harmadlagos struktúrát sértő tényezők
Számos fizikai és kémiai hatás okozhat denaturációt. Ezek a következők:
- 50 fok feletti hőmérséklet;
- sugárzás;
- a közeg pH-jának megváltoztatása;
- nehézfémsók;
- egyes szerves vegyületek;
- mosószerek.
A denaturáló hatás megszűnése után a fehérje helyreállíthatja a harmadlagos szerkezetét. Ezt a folyamatot renaturációnak vagy refoldingnak nevezik. In vitro körülmények között ez csak kisméretű fehérjék esetében lehetséges. Élő sejtben az újrahajtogatást kísérők biztosítják.
