البنية الثلاثية للبروتين هي الطريقة التي يتم بها طي سلسلة البولي ببتيد في مساحة ثلاثية الأبعاد. ينشأ هذا التشكل بسبب تكوين روابط كيميائية بين جذور الأحماض الأمينية البعيدة عن بعضها البعض. تتم هذه العملية بمشاركة الآليات الجزيئية للخلية وتلعب دورًا كبيرًا في إعطاء البروتينات نشاطًا وظيفيًا.
ميزات الهيكل الثالث
الأنواع التالية من التفاعلات الكيميائية هي سمة من سمات البنية الثلاثية للبروتينات:
- أيوني ؛
- الهيدروجين
- مسعور ؛
- فان دير فال ؛
- ثاني كبريتيد.
كل هذه الروابط (باستثناء ثاني كبريتيد التساهمية) ضعيفة جدًا ، ومع ذلك ، نظرًا لمقدارها الذي يثبت الشكل المكاني للجزيء.
في الواقع ، المستوى الثالث لطي سلاسل البولي ببتيد هو مزيج من عناصر مختلفة من الهيكل الثانوي (α-helices ؛-طبقات مطوية وحلقات) ، والتي يتم توجيهها في الفضاء بسبب التفاعلات الكيميائية بين جذور الأحماض الأمينية الجانبية. للإشارة تخطيطيًا إلى البنية الثلاثية للبروتين ، تتم الإشارة إلى حلزونات α بواسطة أسطوانات أو خطوط لولبية وطبقات مطوية بواسطة أسهم وحلقات بخطوط بسيطة.
يتم تحديد طبيعة التشكل الثلاثي من خلال تسلسل الأحماض الأمينية في السلسلة ، لذا فإن جزيئين لهما نفس الهيكل الأساسي في ظل ظروف متساوية سوف يتوافقان مع نفس متغير التعبئة المكانية. يضمن هذا التشكل النشاط الوظيفي للبروتين ويسمى أصلي.
أثناء طي جزيء البروتين ، تقترب مكونات المركز النشط من بعضها البعض ، والتي في الهيكل الأساسي يمكن إزالتها بشكل كبير من بعضها البعض.
بالنسبة للبروتينات أحادية السلسلة ، فإن البنية الثلاثية هي الشكل الوظيفي النهائي. تشكل البروتينات المعقدة متعددة الوحدات بنية رباعية تميز ترتيب العديد من السلاسل فيما يتعلق ببعضها البعض.
توصيف الروابط الكيميائية في البنية الثلاثية للبروتين
إلى حد كبير ، يرجع طي سلسلة البولي ببتيد إلى نسبة الجذور المحبة للماء والكارهة للماء. تميل الأولى إلى التفاعل مع الهيدروجين (عنصر مكون من الماء) وبالتالي فهي على السطح ، بينما المناطق الكارهة للماء ، على العكس من ذلك ، تندفع إلى مركز الجزيء. هذا التشكل بقوة هو الأكثر ملاءمة. فيوالنتيجة هي كرة ذات قلب كاره للماء.
الجذور المحبة للماء ، التي تقع مع ذلك في مركز الجزيء ، تتفاعل مع بعضها البعض لتكوين روابط أيونية أو هيدروجينية. يمكن أن تحدث الروابط الأيونية بين جذور الأحماض الأمينية المشحونة ، والتي هي:
- مجموعات كاتيونية من الأرجينين أو اللايسين أو الهيستيدين (لها شحنة موجبة) ؛
- مجموعات الكربوكسيل من جذور الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك (لها شحنة سالبة).
تتكون الروابط الهيدروجينية من تفاعل المجموعات غير المشحونة (OH ، SH ، CONH2) والمجموعات المحبة للماء المشحونة. تنشأ الروابط التساهمية (الأقوى في التشكل الثلاثي) بين مجموعات SH لبقايا السيستين ، وتشكل ما يسمى جسور ثاني كبريتيد. عادةً ما تكون هذه المجموعات متباعدة في سلسلة خطية وتقترب من بعضها البعض فقط أثناء عملية التكديس. روابط ثاني كبريتيد ليست من سمات معظم البروتينات داخل الخلايا.
قابلية التوافق
نظرًا لأن الروابط التي تشكل البنية الثلاثية للبروتين ضعيفة جدًا ، فإن الحركة البراونية للذرات في سلسلة الأحماض الأمينية يمكن أن تتسبب في كسرها وتشكيلها في أماكن جديدة. يؤدي هذا إلى تغيير طفيف في الشكل المكاني للأقسام الفردية للجزيء ، لكنه لا ينتهك التشكل الأصلي للبروتين. تسمى هذه الظاهرة قابلية التوافق. يلعب الأخير دورًا كبيرًا في فسيولوجيا العمليات الخلوية.
يتأثر تكوين البروتين بتفاعلاته مع الآخرينالجزيئات أو التغيرات في المعلمات الفيزيائية والكيميائية للوسط
كيف يتم تكوين البنية الثلاثية للبروتين
تسمى عملية طي البروتين إلى شكله الأصلي الطي. تستند هذه الظاهرة إلى رغبة الجزيء في تبني تشابه بحد أدنى من الطاقة الحرة.
لا يحتاج أي بروتين إلى مدربين وسيط سيحددون البنية الثلاثية. يتم تسجيل نمط التمدد في البداية في تسلسل الأحماض الأمينية.
ومع ذلك ، في ظل الظروف العادية ، من أجل أن يتبنى جزيء بروتين كبير تشكلاً محليًا يتوافق مع الهيكل الأساسي ، سيستغرق الأمر أكثر من تريليون سنة. ومع ذلك ، في الخلية الحية ، لا تستغرق هذه العملية سوى بضع عشرات من الدقائق. يتم توفير مثل هذا الانخفاض الكبير في الوقت من خلال المشاركة في طي البروتينات المساعدة المتخصصة - الطيات والمرافقات.
طي جزيئات البروتين الصغيرة (حتى 100 من الأحماض الأمينية في سلسلة) يحدث بسرعة كبيرة وبدون مشاركة وسطاء ، وهو ما أظهرته التجارب المخبرية.
عوامل الطي
تنقسم البروتينات المساعدة المشاركة في الطي إلى مجموعتين:
- foldases - لها نشاط تحفيزي ، مطلوبة بكمية أقل بكثير من تركيز الركيزة (مثل الإنزيمات الأخرى) ؛
- المرافقون - بروتينات ذات آليات عمل متنوعة ، مطلوبة بتركيز مماثل لكمية الركيزة المطوية.
كلا النوعين من العوامل يشاركان في الطي ، لكن لم يتم تضمينهما فيالمنتج النهائي
يتم تمثيل مجموعة الطيات بواسطة إنزيمين:
- إيزوميراز ثاني كبريتيد البروتين (PDI) - يتحكم في التكوين الصحيح لروابط ثاني كبريتيد في البروتينات التي تحتوي على عدد كبير من بقايا السيستين. هذه الوظيفة مهمة جدًا ، نظرًا لأن التفاعلات التساهمية قوية جدًا ، وفي حالة وجود اتصالات خاطئة ، لن يتمكن البروتين من إعادة ترتيب نفسه واتخاذ شكل أصلي.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - يوفر تغييرًا في تكوين الجذور الموجودة على جوانب البرولين ، مما يغير طبيعة انحناء سلسلة البولي ببتيد في هذه المنطقة.
وهكذا ، تلعب الطيات دورًا تصحيحيًا في تكوين التشكل الثلاثي لجزيء البروتين.
مرافقات
تُسمى المرافقون بالصدمة الحرارية أو بروتينات الإجهاد. ويرجع ذلك إلى زيادة كبيرة في إفرازها خلال التأثيرات السلبية على الخلية (درجة الحرارة ، الإشعاع ، المعادن الثقيلة ، إلخ).
Chaperones تنتمي إلى ثلاث عائلات بروتينية: hsp60 و hsp70 و hsp90. تؤدي هذه البروتينات وظائف عديدة منها:
- حماية البروتينات من التمسخ
- استبعاد تفاعل البروتينات المركبة حديثًا مع بعضها البعض ؛
- منع تكوين روابط ضعيفة غير صحيحة بين الجذور وشفرتها (تصحيح).
وهكذا ، تساهم المرافقون في الاستحواذ السريع على الشكل الصحيح بقوة ، باستثناء التعداد العشوائي للعديد من الخيارات وحماية لم تنضج بعدجزيئات البروتين من التفاعل غير الضروري مع بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك ، توفر المرافقون:
- بعض أنواع نقل البروتين
- التحكم في الانعكاس (استعادة الهيكل الثالث بعد خسارته) ؛
- الحفاظ على حالة طي غير مكتملة (لبعض البروتينات).
في الحالة الأخيرة ، يظل جزيء المرافق مرتبطًا بالبروتين في نهاية عملية الطي.
التمسخ
يسمى انتهاك البنية الثلاثية للبروتين تحت تأثير أي عوامل تمسخ. يحدث فقدان التشكل الأصلي عندما ينكسر عدد كبير من الروابط الضعيفة التي تعمل على استقرار الجزيء. في هذه الحالة ، يفقد البروتين وظيفته المحددة ، لكنه يحتفظ ببنيته الأساسية (لا يتم تدمير روابط الببتيد أثناء التمسخ).
أثناء التمسخ ، تحدث زيادة مكانية في جزيء البروتين ، وتعود المناطق الكارهة للماء مرة أخرى إلى السطح. تكتسب سلسلة البولي ببتيد تشكيل ملف عشوائي ، يعتمد شكله على روابط البنية الثلاثية للبروتين التي تم كسرها. في هذا الشكل ، يكون الجزيء أكثر عرضة لتأثيرات الإنزيمات المحللة للبروتين.
العوامل المخالفة للبنية الثلاثية
هناك عدد من التأثيرات الفيزيائية والكيميائية التي يمكن أن تسبب تمسخًا. وتشمل هذه:
- درجة حرارة أعلى من 50 درجة ؛
- إشعاع ؛
- تغيير الأس الهيدروجيني للوسيط ؛
- أملاح المعادن الثقيلة
- بعض المركبات العضوية ؛
- منظفات.
بعد إنهاء تأثير تغيير الطبيعة ، يمكن للبروتين استعادة البنية الثلاثية. تسمى هذه العملية إعادة التشبع أو إعادة التشكيل. في ظل ظروف المختبر ، هذا ممكن فقط للبروتينات الصغيرة. في الخلية الحية ، يتم توفير إعادة الطي بواسطة المرافقين
