Die Tertiärstruktur eines Proteins ist die Art und Weise, wie eine Polypeptidkette im dreidimensionalen Raum gef altet ist. Diese Konformation entsteht durch die Bildung chemischer Bindungen zwischen voneinander entfernten Aminosäureresten. Dieser Prozess wird unter Beteiligung der molekularen Mechanismen der Zelle durchgeführt und spielt eine große Rolle dabei, Proteinen eine funktionelle Aktivität zu verleihen.
Merkmale der Tertiärstruktur
Die folgenden Typen chemischer Wechselwirkungen sind charakteristisch für die Tertiärstruktur von Proteinen:
- ionisch;
- Wasserstoff;
- hydrophob;
- van der Waals;
- Disulfid.
All diese Bindungen (mit Ausnahme des kovalenten Disulfids) sind jedoch sehr schwach, da sie die räumliche Form des Moleküls stabilisieren.
Tatsächlich ist die dritte Ebene der F altung von Polypeptidketten eine Kombination verschiedener Elemente der Sekundärstruktur (α-Helices; β-F altungsschichten uSchleifen), die aufgrund chemischer Wechselwirkungen zwischen seitlichen Aminosäureresten im Raum orientiert sind. Um die Tertiärstruktur eines Proteins schematisch darzustellen, werden α-Helices durch Zylinder oder Spirallinien, gef altete Schichten durch Pfeile und Schleifen durch einfache Linien angezeigt.
Die Natur der tertiären Konformation wird durch die Sequenz der Aminosäuren in der Kette bestimmt, so dass zwei Moleküle mit der gleichen Primärstruktur unter gleichen Bedingungen der gleichen Variante der räumlichen Packung entsprechen. Diese Konformation gewährleistet die funktionelle Aktivität des Proteins und wird als nativ bezeichnet.
Bei der F altung des Eiweißmoleküls nähern sich die Bestandteile des aktiven Zentrums an, die in der Primärstruktur deutlich voneinander entfernt sein können.
Bei einzelsträngigen Proteinen ist die Tertiärstruktur die endgültige funktionelle Form. Komplexe Proteine mit mehreren Untereinheiten bilden eine Quartärstruktur, die die Anordnung mehrerer Ketten zueinander charakterisiert.
Charakterisierung chemischer Bindungen in der Tertiärstruktur eines Proteins
Die F altung der Polypeptidkette ist zu einem großen Teil auf das Verhältnis von hydrophilen und hydrophoben Resten zurückzuführen. Erstere neigen dazu, mit Wasserstoff (einem Bestandteil von Wasser) zu interagieren und befinden sich daher an der Oberfläche, während hydrophobe Bereiche im Gegensatz dazu in die Mitte des Moleküls drängen. Diese Konformation ist energetisch die günstigste. BEIMdas Ergebnis ist ein Kügelchen mit einem hydrophoben Kern.
Hydrophile Radikale, die dennoch in das Zentrum des Moleküls fallen, interagieren miteinander, um Ionen- oder Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Ionenbindungen können zwischen entgegengesetzt geladenen Aminosäureresten auftreten, die sind:
- kationische Gruppen von Arginin, Lysin oder Histidin (haben eine positive Ladung);
- Carboxylgruppen von Glutaminsäure- und Asparaginsäureresten (haben eine negative Ladung).
Wasserstoffbrückenbindungen entstehen durch Wechselwirkung von ungeladenen (OH, SH, CONH2) und geladenen hydrophilen Gruppen. Kovalente Bindungen (die stärksten in der tertiären Konformation) entstehen zwischen den SH-Gruppen von Cysteinresten und bilden die sogenannten Disulfidbrücken. Typischerweise sind diese Gruppen in einer linearen Kette voneinander beabstandet und nähern sich einander nur während des Stapelprozesses. Disulfidbindungen sind für die meisten intrazellulären Proteine nicht charakteristisch.
Konformationslabilität
Da die Bindungen, die die Tertiärstruktur eines Proteins bilden, sehr schwach sind, kann die Brownsche Bewegung von Atomen in einer Aminosäurekette dazu führen, dass sie brechen und sich an neuen Stellen bilden. Dies führt zu einer leichten Veränderung der räumlichen Form einzelner Molekülabschnitte, verletzt aber nicht die native Konformation des Proteins. Dieses Phänomen wird Konformationslabilität genannt. Letzteres spielt eine große Rolle in der Physiologie zellulärer Prozesse.
Die Proteinkonformation wird durch seine Wechselwirkungen mit anderen beeinflusstMoleküle oder Änderungen der physikalischen und chemischen Parameter des Mediums.
Wie die Tertiärstruktur eines Proteins entsteht
Der Prozess der F altung eines Proteins in seine native Form wird F altung genannt. Dieses Phänomen beruht auf dem Wunsch des Moleküls, eine Konformation mit einem Mindestwert an freier Energie anzunehmen.
Kein Protein braucht zwischengesch altete Instruktoren, die die Tertiärstruktur bestimmen. Das Legemuster wird zunächst in der Reihenfolge der Aminosäuren „aufgezeichnet“.
Unter normalen Bedingungen würde es jedoch mehr als eine Billion Jahre dauern, bis ein großes Proteinmolekül eine native Konformation annimmt, die der Primärstruktur entspricht. In einer lebenden Zelle dauert dieser Vorgang jedoch nur wenige zehn Minuten. Eine solch signifikante Zeitersparnis wird durch die Teilnahme an der F altung von spezialisierten Hilfsproteinen - Foldasen und Chaperonen - erreicht.
Die F altung kleiner Proteinmoleküle (bis zu 100 Aminosäuren in einer Kette) erfolgt recht schnell und ohne Beteiligung von Zwischenstufen, was durch In-vitro-Experimente gezeigt wurde.
F altungsfaktoren
Hilfsproteine, die an der F altung beteiligt sind, werden in zwei Gruppen eingeteilt:
- Foldasen - haben katalytische Aktivität, werden in einer Menge benötigt, die deutlich geringer ist als die Konzentration des Substrats (wie andere Enzyme);
- Chaperone - Proteine mit verschiedenen Wirkungsmechanismen, die in einer Konzentration benötigt werden, die mit der Menge an gef altetem Substrat vergleichbar ist.
Beide Arten von Faktoren nehmen an der F altung teil, sind aber nicht darin enth altenEndprodukt.
Die Gruppe der Foldasen wird durch 2 Enzyme repräsentiert:
- Proteindisulfidisomerase (PDI) - steuert die korrekte Bildung von Disulfidbindungen in Proteinen mit einer großen Anzahl von Cysteinresten. Diese Funktion ist sehr wichtig, da kovalente Wechselwirkungen sehr stark sind und sich das Protein bei fehlerhaften Verbindungen nicht neu anordnen und eine native Konformation annehmen könnte.
- Peptidyl-Prolyl-cis-trans-Isomerase - sorgt für eine Änderung der Konfiguration von Radikalen, die sich an den Seiten von Prolin befinden, was die Art der Biegung der Polypeptidkette in diesem Bereich verändert.
Daher spielen Foldasen eine korrigierende Rolle bei der Bildung der tertiären Konformation des Proteinmoleküls.
Begleitpersonen
Chaperone werden auch als Hitzeschock- oder Stressproteine bezeichnet. Dies liegt an einer deutlichen Erhöhung ihrer Sekretion bei negativen Einwirkungen auf die Zelle (Temperatur, Strahlung, Schwermetalle etc.).
Chaperone gehören zu drei Proteinfamilien: hsp60, hsp70 und hsp90. Diese Proteine erfüllen viele Funktionen, darunter:
- Schutz von Proteinen vor Denaturierung;
- Ausschluss der Wechselwirkung neu synthetisierter Proteine untereinander;
- Verhinderung der Bildung falscher schwacher Bindungen zwischen Radikalen und deren Labialisierung (Korrektur).
Auf diese Weise tragen Chaperone zum schnellen Erwerb der energetisch korrekten Konformation bei, indem sie das zufällige Aufzählen vieler Optionen ausschließen und noch nicht reif schützenProteinmoleküle vor unnötiger Wechselwirkung miteinander. Zusätzlich bieten Begleitpersonen:
- einige Arten des Proteintransports;
- Rückf altungskontrolle (Wiederherstellung der Tertiärstruktur nach ihrem Verlust);
- Beibeh altung eines unvollendeten F altungszustands (für einige Proteine).
Im letzteren Fall bleibt das Chaperon-Molekül am Ende der F altung an das Protein gebunden.
Denaturierung
Die Verletzung der Tertiärstruktur eines Proteins unter dem Einfluss beliebiger Faktoren wird als Denaturierung bezeichnet. Der Verlust der nativen Konformation tritt auf, wenn eine große Anzahl schwacher Bindungen, die das Molekül stabilisieren, aufgebrochen werden. In diesem Fall verliert das Protein seine spezifische Funktion, behält aber seine Primärstruktur (Peptidbindungen werden bei der Denaturierung nicht zerstört).
Bei der Denaturierung kommt es zu einer räumlichen Vergrößerung des Eiweißmoleküls und es treten wieder hydrophobe Bereiche an die Oberfläche. Die Polypeptidkette nimmt die Konformation einer Zufallsknäuel an, deren Form davon abhängt, welche Bindungen der Tertiärstruktur des Proteins aufgebrochen wurden. In dieser Form ist das Molekül anfälliger für die Wirkung proteolytischer Enzyme.
Faktoren, die die Tertiärstruktur verletzen
Es gibt eine Reihe physikalischer und chemischer Einflüsse, die zu einer Denaturierung führen können. Dazu gehören:
- Temperatur über 50 Grad;
- Strahlung;
- Änderung des pH-Wertes des Mediums;
- Schwermetallsalze;
- einige organische Verbindungen;
- Waschmittel.
Nach Beendigung der denaturierenden Wirkung kann das Protein die Tertiärstruktur wiederherstellen. Dieser Vorgang wird Renaturierung oder Rückf altung genannt. Unter In-vitro-Bedingungen ist dies nur für kleine Proteine möglich. In einer lebenden Zelle wird die Rückf altung von Chaperonen bereitgestellt.
