ساختار سوم پروتئین روشی است که در آن یک زنجیره پلی پپتیدی در فضای سه بعدی تا می شود. این ترکیب به دلیل تشکیل پیوندهای شیمیایی بین رادیکال های اسید آمینه دور از یکدیگر ایجاد می شود. این فرآیند با مشارکت مکانیسم های مولکولی سلول انجام می شود و نقش بسیار زیادی در ایجاد فعالیت عملکردی پروتئین ها ایفا می کند.
ویژگی های ساختار سوم
انواع برهمکنش های شیمیایی زیر مشخصه ساختار سوم پروتئین ها هستند:
- یونیک;
- هیدروژن;
- آب گریز;
- فان دروالز;
- دی سولفید.
همه این پیوندها (به جز دی سولفید کووالانسی) بسیار ضعیف هستند، اما به دلیل مقداری که شکل فضایی مولکول را تثبیت می کنند.
در واقع، سومین سطح چین‌خوردگی زنجیره‌های پلی پپتیدی ترکیبی از عناصر مختلف ساختار ثانویه است (ا-مارپیچ، لایه‌های بتا پلیسه وحلقه ها) که به دلیل فعل و انفعالات شیمیایی بین رادیکال های آمینو اسید جانبی در فضا قرار می گیرند. برای نشان دادن ساختار سوم یک پروتئین، مارپیچ های α با استوانه ها یا خطوط مارپیچ، لایه های تا شده با فلش ها و حلقه ها با خطوط ساده نشان داده می شوند.
ماهیت ترکیب سوم توسط توالی اسیدهای آمینه در زنجیره تعیین می شود، بنابراین دو مولکول با ساختار اولیه یکسان در شرایط مساوی با یک نوع بسته بندی فضایی مطابقت دارند. این ترکیب فعالیت عملکردی پروتئین را تضمین می کند و بومی نامیده می شود.
در طول تا شدن مولکول پروتئین، اجزای مرکز فعال به هم نزدیک می شوند که در ساختار اولیه می توان به طور قابل توجهی از یکدیگر جدا شد.
برای پروتئین های تک رشته ای، ساختار سوم شکل عملکردی نهایی است. پروتئین های پیچیده چند زیر واحدی ساختار چهارتایی را تشکیل می دهند که آرایش چندین زنجیره را در ارتباط با یکدیگر مشخص می کند.
ویژگی پیوندهای شیمیایی در ساختار سوم پروتئین
تا حد زیادی چین خوردگی زنجیره پلی پپتیدی به دلیل نسبت رادیکال های آبدوست و آبگریز است. اولی تمایل به تعامل با هیدروژن (عنصر تشکیل دهنده آب) دارد و بنابراین روی سطح قرار دارد، در حالی که مناطق آبگریز، برعکس، به سمت مرکز مولکول می روند. این ترکیب از نظر انرژی مطلوب ترین است. ATنتیجه یک گلبول با هسته آبگریز است.
رادیکال های آبدوست، که با این وجود در مرکز مولکول قرار می گیرند، با یکدیگر تعامل می کنند و پیوندهای یونی یا هیدروژنی تشکیل می دهند. پیوندهای یونی می توانند بین رادیکال های اسید آمینه با بار مخالف ایجاد شوند که عبارتند از:
گروه های کاتیونی آرژنین، لیزین یا هیستیدین (دارای بار مثبت)؛
پیوندهای هیدروژنی
از برهمکنش گروه های آبدوست بدون بار (OH، SH، CONH2) و باردار تشکیل می شوند. پیوندهای کووالانسی (قوی ترین در ترکیب سوم) بین گروه های SH از باقی مانده های سیستئین ایجاد می شود و به اصطلاح پل های دی سولفیدی را تشکیل می دهد. به طور معمول، این گروه ها در یک زنجیره خطی از هم فاصله دارند و تنها در طول فرآیند انباشتگی به یکدیگر نزدیک می شوند. پیوندهای دی سولفیدی مشخصه اکثر پروتئین های داخل سلولی نیستند.
ناپایداری ساختاری
از آنجایی که پیوندهایی که ساختار سوم پروتئین را تشکیل می دهند بسیار ضعیف هستند، حرکت براونی اتم ها در یک زنجیره آمینو اسید می تواند باعث شکستن آنها و تشکیل آنها در مکان های جدید شود. این منجر به تغییر جزئی در شکل فضایی بخش های جداگانه مولکول می شود، اما ساختار بومی پروتئین را نقض نمی کند. این پدیده ناپایداری ساختاری نامیده می شود. دومی نقش بزرگی در فیزیولوژی فرآیندهای سلولی ایفا می کند.
ترکیب پروتئین تحت تأثیر تعاملات آن با دیگران استمولکول ها یا تغییرات در پارامترهای فیزیکی و شیمیایی محیط.
چگونه ساختار سوم یک پروتئین تشکیل می شود
فرآيند تا كردن پروتئين به شكل اصلي آن را تا كردن مي گويند. این پدیده بر اساس تمایل مولکول به اتخاذ یک ترکیب با حداقل مقدار انرژی آزاد است.
هیچ پروتئینی به مربیان واسطه ای نیاز ندارد که ساختار سوم را تعیین کنند. الگوی تخمگذار در ابتدا در توالی اسیدهای آمینه "ثبت" می شود.
با این حال، در شرایط عادی، برای اینکه یک مولکول پروتئین بزرگ یک ترکیب بومی مطابق با ساختار اولیه را اتخاذ کند، بیش از یک تریلیون سال طول می کشد. با این وجود، در یک سلول زنده، این فرآیند تنها چند ده دقیقه طول می کشد. چنین کاهش قابل توجهی در زمان با مشارکت در تا کردن پروتئین های کمکی تخصصی - فولدازها و چاپرون ها فراهم می شود.
تاخوردگی مولکول های پروتئینی کوچک (تا ۱۰۰ اسید آمینه در یک زنجیره) بسیار سریع و بدون مشارکت واسطه ها اتفاق می افتد که با آزمایش های آزمایشگاهی نشان داده شد.
عوامل تاشو
پروتئین های کمکی درگیر در تاخوردگی به دو گروه تقسیم می شوند:
- فولدازها - دارای فعالیت کاتالیزوری هستند، به مقدار قابل توجهی کمتر از غلظت سوبسترا (مانند سایر آنزیم ها) مورد نیاز هستند؛
- چاپرون - پروتئین‌هایی با مکانیسم‌های عمل متنوع، در غلظتی قابل مقایسه با مقدار سوبسترای چین‌خورده مورد نیاز.
هر دو نوع عامل در فولدینگ شرکت می کنند، اما شامل نمی شوندمحصول نهایی.
گروه فولدازها با 2 آنزیم نشان داده می شود:
- پروتئین دی سولفید ایزومراز (PDI) - تشکیل صحیح پیوندهای دی سولفیدی را در پروتئین هایی با تعداد زیادی باقی مانده سیستئین کنترل می کند. این تابع بسیار مهم است، زیرا فعل و انفعالات کووالانسی بسیار قوی هستند، و در صورت اتصالات اشتباه، پروتئین نمی تواند خود را مرتب کند و یک ترکیب طبیعی به خود بگیرد.
- پپتیدیل-پرولیل-سیس-ترانس-ایزومراز - تغییری در پیکربندی رادیکال های واقع در طرفین پرولین ایجاد می کند که ماهیت خمیدگی زنجیره پلی پپتیدی را در این ناحیه تغییر می دهد.
بنابراین، فولدازها نقش اصلاحی در تشکیل ترکیب سوم مولکول پروتئین دارند.
Chaperones
چاپرون ها در غیر این صورت پروتئین های شوک حرارتی یا استرس نامیده می شوند. این به دلیل افزایش قابل توجه ترشح آنها در اثر اثرات منفی روی سلول (دما، تابش، فلزات سنگین و غیره) است.
چاپرون ها به سه خانواده پروتئینی تعلق دارند: hsp60، hsp70 و hsp90. این پروتئین ها وظایف بسیاری را انجام می دهند، از جمله:
- محافظت از پروتئین ها در برابر دناتوره شدن؛
- حذف برهمکنش پروتئین های تازه سنتز شده با یکدیگر؛
جلوگیری از ایجاد پیوندهای ضعیف نادرست بین رادیکال ها و لبی شدن آنها (اصلاح).
بنابراین، همراهان به دستیابی سریع به ساختار صحیح انرژی کمک می کنند، به استثنای شمارش تصادفی بسیاری از گزینه ها و محافظت از آنها که هنوز رسیده نشده اند.مولکول های پروتئین از تعامل غیر ضروری با یکدیگر. علاوه بر این، همراهان ارائه می دهند:
- برخی از انواع انتقال پروتئین؛
- کنترل تاشو (ترمیم ساختار سوم پس از از دست دادن آن)؛
- حفظ حالت تا شدن ناتمام (برای برخی پروتئین ها).
در مورد دوم، مولکول چپرون در پایان فرآیند تا شدن به پروتئین متصل می ماند.
دناتوراسیون
نقض ساختار سوم پروتئین تحت تأثیر هر عاملی دناتوراسیون نامیده می شود. از دست دادن ساختار بومی زمانی رخ می دهد که تعداد زیادی از پیوندهای ضعیفی که مولکول را تثبیت می کنند شکسته شوند. در این حالت، پروتئین عملکرد خاص خود را از دست می دهد، اما ساختار اولیه خود را حفظ می کند (پیوندهای پپتیدی در طول دناتوره شدن از بین نمی روند).
در طول دناتوره شدن، افزایش فضایی در مولکول پروتئین رخ می دهد و نواحی آبگریز دوباره به سطح می آیند. زنجیره پلی پپتیدی شکل یک سیم پیچ تصادفی را به دست می آورد که شکل آن بستگی به این دارد که کدام پیوند از ساختار سوم پروتئین شکسته شده باشد. در این شکل، مولکول بیشتر به اثرات آنزیم های پروتئولیتیک حساس است.
عوامل ناقض ساختار سوم
تعدادی از تأثیرات فیزیکی و شیمیایی وجود دارد که می تواند باعث دناتوره شدن شود. این موارد عبارتند از:
- دمای بالای 50 درجه؛
- تابش;
- تغییر pH محیط؛
- نمک های فلزات سنگین؛
- برخی ترکیبات آلی؛
- مواد شوینده.
پس از پایان اثر دناتوره کننده، پروتئین می تواند ساختار سوم را بازیابی کند. به این فرآیند renaturation یا refolding می گویند. در شرایط آزمایشگاهی، این فقط برای پروتئین های کوچک امکان پذیر است. در یک سلول زنده، تا کردن مجدد توسط افراد همراه انجام می شود.
