Cấu trúc bậc ba của protein là cách mà chuỗi polypeptit được gấp lại trong không gian ba chiều. Sự hình thành này phát sinh do sự hình thành các liên kết hóa học giữa các gốc axit amin ở xa nhau. Quá trình này được thực hiện với sự tham gia của các cơ chế phân tử của tế bào và đóng một vai trò rất lớn trong việc cung cấp cho protein hoạt động chức năng.
Đặc điểm của cấu trúc bậc ba
Các loại tương tác hóa học sau đây là đặc trưng cho cấu trúc bậc ba của protein:
- ion;
- hydro;
- kỵ nước;
- van der Waals;
- disulfua.
Tất cả các liên kết này (ngoại trừ disulfua cộng hóa trị) đều rất yếu, tuy nhiên, do số lượng chúng ổn định hình dạng không gian của phân tử.
Trên thực tế, cấp độ gấp thứ ba của chuỗi polypeptit là sự kết hợp của các thành phần khác nhau của cấu trúc thứ cấp (xoắn α; các lớp xếp nếp β vàvòng lặp), được định hướng trong không gian do tương tác hóa học giữa các gốc axit amin bên. Để biểu thị bằng sơ đồ cấu trúc bậc ba của protein, các vòng xoắn α được biểu thị bằng hình trụ hoặc đường xoắn ốc, các lớp gấp khúc bằng mũi tên và các vòng bằng đường đơn giản.
Bản chất của cấu trúc bậc ba do trình tự các axit amin trong chuỗi quyết định, vì vậy hai phân tử có cùng cấu trúc bậc ba trong điều kiện bằng nhau sẽ tương ứng với cùng một dạng đóng gói không gian. Cấu trúc này đảm bảo hoạt động chức năng của protein và được gọi là nguyên bản.
Trong quá trình gấp khúc của phân tử protein, các thành phần của trung tâm hoạt động xích lại gần nhau hơn, các thành phần này trong cấu trúc cơ bản có thể được tách ra khỏi nhau một cách đáng kể.
Đối với protein đơn sợi, cấu trúc bậc ba là dạng chức năng cuối cùng. Các protein đa tiểu đơn vị phức tạp tạo thành cấu trúc bậc bốn đặc trưng cho sự sắp xếp của một số chuỗi liên quan với nhau.
Đặc điểm của các liên kết hóa học trong cấu trúc bậc ba của protein
Ở mức độ lớn, sự gấp khúc của chuỗi polypeptide là do tỷ lệ của các gốc ưa nước và kỵ nước. Các chất trước đây có xu hướng tương tác với hydro (một thành phần cấu thành của nước) và do đó ở trên bề mặt, trong khi các vùng kỵ nước, ngược lại, dồn về trung tâm của phân tử. Cấu trúc này về mặt năng lượng là thuận lợi nhất. TẠIkết quả là hình cầu có lõi kỵ nước.
Các gốc ưa nước, tuy nhiên rơi vào trung tâm của phân tử, tương tác với nhau để tạo thành liên kết ion hoặc hydro. Liên kết ion có thể xảy ra giữa các gốc axit amin tích điện trái dấu, đó là:
- nhóm cation của arginine, lysine hoặc histidine (mang điện tích dương);
- Nhóm cacboxyl của gốc axit glutamic và axit aspartic (mang điện tích âm).
Liên kết hydro được hình thành do sự tương tác của các nhóm không tích điện (OH, SH, CONH2) và các nhóm ưa nước mang điện tích. Liên kết cộng hóa trị (mạnh nhất trong cấu trúc bậc ba) phát sinh giữa các nhóm SH của gốc cysteine, tạo thành cái gọi là cầu nối disulfide. Thông thường, các nhóm này được đặt cách xa nhau trong một chuỗi tuyến tính và chỉ tiếp cận nhau trong quá trình xếp chồng. Liên kết disulfua không phải là đặc trưng của hầu hết các protein nội bào.
Tính không phù hợp
Vì các liên kết hình thành cấu trúc bậc ba của protein rất yếu, chuyển động Brown của các nguyên tử trong chuỗi axit amin có thể khiến chúng bị đứt gãy và hình thành ở những vị trí mới. Điều này dẫn đến sự thay đổi nhỏ về hình dạng không gian của các phần riêng lẻ của phân tử, nhưng không vi phạm cấu trúc ban đầu của protein. Hiện tượng này được gọi là tính không đồng dạng tuân thủ. Chất sau đóng một vai trò rất lớn trong sinh lý của các quá trình tế bào.
Cấu tạo của protein bị ảnh hưởng bởi sự tương tác của nó với những người khácphân tử hoặc thay đổi các thông số vật lý và hóa học của môi trường.
Cấu trúc bậc ba của protein được hình thành như thế nào
Quá trình gấp một protein thành dạng nguyên bản của nó được gọi là quá trình gấp nếp. Hiện tượng này dựa trên mong muốn của phân tử chấp nhận một cấu trúc có giá trị năng lượng tự do tối thiểu.
Không có protein cần những người hướng dẫn trung gian, những người sẽ xác định cấu trúc bậc ba. Kiểu đẻ ban đầu được "ghi nhận" trong trình tự các axit amin.
Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường, để một phân tử protein lớn áp dụng cấu trúc bản địa tương ứng với cấu trúc cơ bản, sẽ mất hơn một nghìn tỷ năm. Tuy nhiên, trong tế bào sống, quá trình này chỉ kéo dài vài chục phút. Việc giảm thời gian đáng kể như vậy là do sự tham gia vào quá trình gấp của các protein phụ trợ chuyên biệt - các nếp gấp và chaperones.
Sự gấp khúc của các phân tử protein nhỏ (lên đến 100 axit amin trong một chuỗi) diễn ra khá nhanh chóng và không có sự tham gia của các chất trung gian, điều này đã được thể hiện qua các thí nghiệm trong ống nghiệm.
Yếu tố gấp
Các protein phụ tham gia vào quá trình gấp được chia thành hai nhóm:
- foldases - có hoạt tính xúc tác, được yêu cầu với một lượng thấp hơn đáng kể so với nồng độ của chất nền (như các enzym khác);
- chaperones - protein với nhiều cơ chế hoạt động khác nhau, cần ở nồng độ tương đương với lượng chất nền gấp lại.
Cả hai loại yếu tố đều tham gia vào việc gấp, nhưng không được bao gồm trongsản phẩm cuối cùng.
Nhóm các nếp gấp được đại diện bởi 2 enzym:
- Protein disulfide isomerase (PDI) - kiểm soát sự hình thành chính xác của các liên kết disulfide trong protein có một số lượng lớn dư lượng cysteine. Chức năng này rất quan trọng, vì các tương tác cộng hóa trị rất mạnh và trong trường hợp có các kết nối sai, protein sẽ không thể tự sắp xếp lại và có cấu trúc nguyên bản.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - cung cấp sự thay đổi cấu hình của các gốc nằm ở các cạnh của proline, làm thay đổi bản chất của sự uốn cong của chuỗi polypeptide trong khu vực này.
Vì vậy, các nếp gấp đóng một vai trò điều chỉnh trong việc hình thành cấu trúc bậc ba của phân tử protein.
Chaperones
Chaperones còn được gọi là protein sốc nhiệt hoặc protein căng thẳng. Điều này là do sự tăng tiết đáng kể của chúng trong quá trình tác động tiêu cực lên tế bào (nhiệt độ, bức xạ, kim loại nặng, v.v.).
Chaperones thuộc ba họ protein: hsp60, hsp70 và hsp90. Các protein này thực hiện nhiều chức năng, bao gồm:
- Bảo vệ protein khỏi biến tính;
- loại trừ sự tương tác của các protein mới được tổng hợp với nhau;
- ngăn chặn sự hình thành các liên kết yếu không chính xác giữa các gốc và quá trình hóa môi (hiệu chỉnh) của chúng.
Vì vậy, người đi kèm góp phần vào việc thu thập nhanh chóng cấu hình chính xác về mặt năng lượng, loại trừ việc liệt kê ngẫu nhiên nhiều lựa chọn và bảo vệ chưa chín muồicác phân tử protein từ tương tác không cần thiết với nhau. Ngoài ra, chaperones cung cấp:
- một số loại vận chuyển protein;
- điều khiển tái lập (khôi phục cấu trúc cấp ba sau khi bị mất);
- duy trì trạng thái gấp chưa hoàn thành (đối với một số protein).
Trong trường hợp thứ hai, phân tử chaperone vẫn liên kết với protein ở cuối quá trình gấp nếp.
Biến tính
Vi phạm cấu trúc bậc ba của protein dưới tác động của bất kỳ yếu tố nào được gọi là biến tính. Việc mất cấu trúc nguyên bản xảy ra khi một số lượng lớn các liên kết yếu giúp ổn định phân tử bị phá vỡ. Trong trường hợp này, protein mất chức năng cụ thể, nhưng vẫn giữ được cấu trúc cơ bản của nó (các liên kết peptit không bị phá hủy trong quá trình biến tính).
Trong quá trình biến tính, sự gia tăng không gian trong phân tử protein xảy ra và các khu vực kỵ nước lại xuất hiện trên bề mặt. Chuỗi polypeptit có được cấu trúc của một cuộn dây ngẫu nhiên, hình dạng của chúng phụ thuộc vào việc liên kết nào trong cấu trúc bậc ba của protein đã bị phá vỡ. Ở dạng này, phân tử dễ bị ảnh hưởng bởi các enzym phân giải protein hơn.
Các yếu tố vi phạm cấu trúc bậc ba
Có một số ảnh hưởng vật lý và hóa học có thể gây ra biến tính. Chúng bao gồm:
- nhiệt độ trên 50 độ;
- xạ;
- thay đổi độ pH của môi trường;
- muối kim loại nặng;
- một số hợp chất hữu cơ;
- chất tẩy rửa.
Sau khi chấm dứt hiệu ứng biến tính, protein có thể khôi phục lại cấu trúc bậc ba. Quá trình này được gọi là renaturation hoặc refolding. Trong điều kiện in vitro, điều này chỉ có thể thực hiện được đối với các protein nhỏ. Trong một phòng giam sống, sự tái tạo được cung cấp bởi những người đi kèm.
