De tertiaire structuur van een eiwit is de manier waarop een polypeptideketen wordt gevouwen in een driedimensionale ruimte. Deze conformatie ontstaat door de vorming van chemische bindingen tussen aminozuurradicalen op afstand van elkaar. Dit proces wordt uitgevoerd met de deelname van de moleculaire mechanismen van de cel en speelt een grote rol bij het geven van functionele activiteit aan eiwitten.
Kenmerken van de tertiaire structuur
De volgende soorten chemische interacties zijn kenmerkend voor de tertiaire structuur van eiwitten:
- ionisch;
- waterstof;
- hydrofoob;
- van der Waals;
- disulfide.
Al deze bindingen (behalve het covalente disulfide) zijn echter erg zwak vanwege de mate waarin ze de ruimtelijke vorm van het molecuul stabiliseren.
In feite is het derde niveau van vouwing van polypeptideketens een combinatie van verschillende elementen van de secundaire structuur (α-helices; β-geplooide lagen enlussen), die in de ruimte zijn georiënteerd vanwege chemische interacties tussen zijaminozuurradicalen. Om schematisch de tertiaire structuur van een eiwit aan te geven, worden a-helices aangegeven door cilinders of spiraalvormige lijnen, gevouwen lagen door pijlen en lussen door eenvoudige lijnen.
De aard van de tertiaire conformatie wordt bepaald door de volgorde van aminozuren in de keten, dus twee moleculen met dezelfde primaire structuur onder gelijke omstandigheden zullen overeenkomen met dezelfde variant van ruimtelijke pakking. Deze conformatie zorgt voor de functionele activiteit van het eiwit en wordt native genoemd.
Tijdens het vouwen van het eiwitmolecuul komen de componenten van het actieve centrum dichter bij elkaar, die in de primaire structuur aanzienlijk van elkaar kunnen worden verwijderd.
Voor enkelstrengs eiwitten is de tertiaire structuur de uiteindelijke functionele vorm. Complexe multi-subunit-eiwitten vormen een quaternaire structuur die de rangschikking van verschillende ketens ten opzichte van elkaar kenmerkt.
Karakterisatie van chemische bindingen in de tertiaire structuur van een eiwit
De vouwing van de polypeptideketen is grotendeels te wijten aan de verhouding tussen hydrofiele en hydrofobe radicalen. De eerstgenoemde hebben de neiging om te interageren met waterstof (een bestanddeel van water) en bevinden zich daarom aan de oppervlakte, terwijl hydrofobe gebieden zich juist naar het midden van het molecuul haasten. Dit exterieur is energetisch het gunstigst. BIJhet resultaat is een bolletje met een hydrofobe kern.
Hydrofiele radicalen, die niettemin in het midden van het molecuul vallen, interageren met elkaar om ionische of waterstofbruggen te vormen. Ionische bindingen kunnen optreden tussen tegengesteld geladen aminozuurradicalen, namelijk:
- kationische groepen van arginine, lysine of histidine (hebben een positieve lading);
- Carboxylgroepen van glutamine- en asparaginezuurradicalen (hebben een negatieve lading).
Waterstofbindingen worden gevormd door de interactie van ongeladen (OH, SH, CONH2) en geladen hydrofiele groepen. Covalente bindingen (de sterkste in de tertiaire conformatie) ontstaan tussen de SH-groepen van cysteïneresiduen en vormen de zogenaamde disulfidebruggen. Meestal zijn deze groepen op afstand van elkaar geplaatst in een lineaire keten en benaderen ze elkaar alleen tijdens het stapelproces. Disulfidebindingen zijn niet kenmerkend voor de meeste intracellulaire eiwitten.
Conformationele labiliteit
Omdat de bindingen die de tertiaire structuur van een eiwit vormen erg zwak zijn, kan de Brownse beweging van atomen in een aminozuurketen ervoor zorgen dat ze breken en zich op nieuwe plaatsen vormen. Dit leidt tot een kleine verandering in de ruimtelijke vorm van individuele secties van het molecuul, maar schendt de natieve conformatie van het eiwit niet. Dit fenomeen wordt conformationele labiliteit genoemd. Dit laatste speelt een grote rol in de fysiologie van cellulaire processen.
De eiwitconformatie wordt beïnvloed door de interacties met anderenmoleculen of veranderingen in de fysische en chemische parameters van het medium.
Hoe de tertiaire structuur van een eiwit wordt gevormd
Het proces van het vouwen van een eiwit in zijn oorspronkelijke vorm wordt vouwen genoemd. Dit fenomeen is gebaseerd op de wens van het molecuul om een conformatie aan te nemen met een minimale waarde van vrije energie.
Geen enkel eiwit heeft intermediaire instructeurs nodig die de tertiaire structuur bepalen. Het legpatroon wordt aanvankelijk "vastgelegd" in de volgorde van aminozuren.
Onder normale omstandigheden zou het echter meer dan een biljoen jaar duren voordat een groot eiwitmolecuul een natieve conformatie zou aannemen die overeenkomt met de primaire structuur. Toch duurt dit proces in een levende cel slechts enkele tientallen minuten. Een dergelijke significante tijdsvermindering wordt geleverd door de deelname aan het vouwen van gespecialiseerde hulpeiwitten - foldasen en chaperonnes.
Het vouwen van kleine eiwitmoleculen (tot 100 aminozuren in een keten) gebeurt vrij snel en zonder tussenkomst van tussenpersonen, wat is aangetoond door in vitro experimenten.
Vouwfactoren
Hulpeiwitten die betrokken zijn bij het vouwen, worden in twee groepen verdeeld:
- foldasen - hebben katalytische activiteit, zijn vereist in een hoeveelheid die aanzienlijk lager is dan de concentratie van het substraat (zoals andere enzymen);
- chaperones - eiwitten met verschillende werkingsmechanismen, nodig in een concentratie die vergelijkbaar is met de hoeveelheid gevouwen substraat.
Beide soorten factoren nemen deel aan het vouwen, maar zijn niet inbegrepen ineindproduct.
De groep van foldasen wordt vertegenwoordigd door 2 enzymen:
- Eiwitdisulfide-isomerase (PDI) - regelt de juiste vorming van disulfidebindingen in eiwitten met een groot aantal cysteïneresiduen. Deze functie is erg belangrijk, aangezien covalente interacties erg sterk zijn, en in het geval van foutieve verbindingen, zou het eiwit zichzelf niet kunnen herschikken en een natieve conformatie aannemen.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - zorgt voor een verandering in de configuratie van radicalen aan de zijkanten van proline, wat de aard van de buiging van de polypeptideketen in dit gebied verandert.
Dus, foldasen spelen een corrigerende rol bij de vorming van de tertiaire conformatie van het eiwitmolecuul.
Chaperones
Chaperones worden ook wel heatshock- of stress-eiwitten genoemd. Dit komt door een significante toename van hun secretie tijdens negatieve effecten op de cel (temperatuur, straling, zware metalen, enz.).
Chaperones behoren tot drie eiwitfamilies: hsp60, hsp70 en hsp90. Deze eiwitten vervullen vele functies, waaronder:
- Bescherming van eiwitten tegen denaturatie;
- uitsluiting van de interactie van nieuw gesynthetiseerde eiwitten met elkaar;
- voorkomen van de vorming van onjuiste zwakke bindingen tussen radicalen en hun labialisatie (correctie).
Zo dragen chaperonnes bij aan de snelle verwerving van het energetisch correcte exterieur, met uitsluiting van willekeurige opsomming van vele opties en bescherming die nog niet rijp iseiwitmoleculen tegen onnodige interactie met elkaar. Daarnaast zorgen begeleiders voor:
- sommige soorten eiwittransport;
- refolding control (herstel van de tertiaire structuur na verlies);
- behoud van een onvoltooide vouwtoestand (voor sommige eiwitten).
In het laatste geval blijft het chaperonne-molecuul aan het einde van het vouwproces aan het eiwit gebonden.
Denaturatie
Schending van de tertiaire structuur van een eiwit onder invloed van welke factoren dan ook, wordt denaturatie genoemd. Het verlies van de natieve conformatie treedt op wanneer een groot aantal zwakke bindingen die het molecuul stabiliseren worden verbroken. In dit geval verliest het eiwit zijn specifieke functie, maar behoudt het zijn primaire structuur (peptidebindingen worden niet vernietigd tijdens denaturatie).
Tijdens denaturatie treedt een ruimtelijke toename van het eiwitmolecuul op en komen hydrofobe gebieden weer aan de oppervlakte. De polypeptideketen krijgt de conformatie van een willekeurige spoel, waarvan de vorm afhangt van welke bindingen van de tertiaire structuur van het eiwit zijn verbroken. In deze vorm is het molecuul gevoeliger voor de effecten van proteolytische enzymen.
Factoren die de tertiaire structuur schenden
Er zijn een aantal fysische en chemische invloeden die denaturatie kunnen veroorzaken. Deze omvatten:
- temperatuur boven de 50 graden;
- straling;
- verandering van de pH van het medium;
- zware metaalzouten;
- sommige organische verbindingen;
- detergenten.
Na beëindiging van het denaturerende effect kan het eiwit de tertiaire structuur herstellen. Dit proces wordt renaturatie of hervouwing genoemd. Onder in vitro omstandigheden is dit alleen mogelijk voor kleine eiwitten. In een levende cel wordt het hervouwen verzorgd door begeleiders.
