Белоктың үшінші реттік құрылымы – полипептидтік тізбектің үш өлшемді кеңістікте қатпарлану тәсілі. Бұл конформация бір-бірінен алшақ жатқан аминқышқылдарының радикалдары арасындағы химиялық байланыстардың пайда болуына байланысты туындайды. Бұл процесс жасушаның молекулалық механизмдерінің қатысуымен жүзеге асады және белоктардың функционалдық белсенділігін беруде үлкен рөл атқарады.
Үшінші деңгей құрылымының ерекшеліктері
Белоктардың үшінші реттік құрылымына химиялық әрекеттесулердің келесі түрлері тән:
- иондық;
- сутегі;
- гидрофобты;
- ван дер Ваальс;
- дисульфид.
Бұл байланыстардың барлығы (ковалентті дисульфидтен басқа) өте әлсіз, дегенмен олардың мөлшерінің арқасында молекуланың кеңістіктік пішінін тұрақтандырады.
Шын мәнінде, полипептидтік тізбектердің қатпарлануының үшінші деңгейі екінші реттік құрылымның әртүрлі элементтерінің (α-спиральдар; β-бүйірлі қабаттар жәнеілмектер), бүйірлік аминқышқылдарының радикалдары арасындағы химиялық әрекеттесу нәтижесінде кеңістікте бағдарланған. Ақуыздың үшінші реттік құрылымын схемалық түрде көрсету үшін α-спиральдар цилиндрлермен немесе спираль сызықтармен, бүктелген қабаттар көрсеткілермен және ілмектер қарапайым сызықтармен көрсетілген.
Үшіншілік конформацияның табиғаты тізбектегі амин қышқылдарының реттілігімен анықталады, сондықтан бірдей жағдайларда бастапқы құрылымы бірдей екі молекула кеңістіктік қаптаманың бірдей нұсқасына сәйкес болады. Бұл конформация белоктың функционалдық белсенділігін қамтамасыз етеді және нативті деп аталады.
Белок молекуласының қатпарлануы кезінде белсенді орталықтың құрамдас бөліктері бір-біріне жақындайды, олар бастапқы құрылымда бір-бірінен айтарлықтай жойылуы мүмкін.
Бір тізбекті белоктар үшін үшінші реттік құрылым соңғы функционалды форма болып табылады. Күрделі көп суббірлік белоктар бір-біріне қатысты бірнеше тізбектердің орналасуын сипаттайтын төрттік құрылымды құрайды.
Белоктың үшінші құрылымындағы химиялық байланыстың сипаттамасы
Көбінесе полипептидтік тізбектің қатпарлануы гидрофильді және гидрофобты радикалдардың қатынасына байланысты. Біріншісі сутегімен (судың құрамдас элементі) әрекеттесуге бейім, сондықтан жер бетінде болады, ал гидрофобты аймақтар, керісінше, молекуланың ортасына асығады. Бұл конформация энергетикалық жағынан ең қолайлы болып табылады. ATнәтижесінде гидрофобты өзегі бар шар.
Молекуланың ортасына түсетін гидрофильді радикалдар бір-бірімен иондық немесе сутектік байланыстар түзу үшін әрекеттеседі. Иондық байланыстар қарама-қарсы зарядталған аминқышқылдарының радикалдары арасында пайда болуы мүмкін, олар:
- аргинин, лизин немесе гистидиннің катиондық топтары (оң заряды бар);
- Глутамин және аспарагин қышқылы радикалдарының карбоксил топтары (теріс заряды бар).
Сутектік байланыстар зарядсыз (OH, SH, CONH2) және зарядталған гидрофильді топтардың әрекеттесуінен түзіледі. Ковалентті байланыстар (үшінші реттік конформациядағы ең күшті) цистеин қалдықтарының SH топтары арасында пайда болып, дисульфидті көпірлер деп аталады. Әдетте, бұл топтар бір-бірінен сызықтық тізбекте орналасады және бір-біріне тек жинақтау процесінде жақындайды. Дисульфидтік байланыстар жасушаішілік ақуыздардың көпшілігіне тән емес.
Конформациялық ауытқу
Белоктың үшінші реттік құрылымын құрайтын байланыстар өте әлсіз болғандықтан, амин қышқылы тізбегіндегі атомдардың броундық қозғалысы олардың үзіліп, жаңа жерлерде пайда болуына себеп болуы мүмкін. Бұл молекуланың жеке бөлімдерінің кеңістіктік пішінінің шамалы өзгеруіне әкеледі, бірақ ақуыздың нативті конформациясын бұзбайды. Бұл құбылыс конформациялық лабильділік деп аталады. Соңғысы жасушалық процестердің физиологиясында үлкен рөл атқарады.
Белок конформациясына оның басқалармен әрекеттесуі әсер етедімолекулалар немесе ортаның физикалық және химиялық параметрлеріндегі өзгерістер.
Белоктың үшінші реттік құрылымы қалай түзіледі
Белоктың өзінің табиғи түріне айналу процесі қатпарлану деп аталады. Бұл құбылыс молекуланың бос энергияның минималды мәні бар конформацияны қабылдауға деген ұмтылысына негізделген.
Ешқандай ақуызға үшінші құрылымды анықтайтын делдал нұсқаушылар қажет емес. Төсеу үлгісі бастапқыда аминқышқылдарының ретімен "жазылады".
Алайда, қалыпты жағдайда үлкен ақуыз молекуласы бастапқы құрылымға сәйкес келетін табиғи конформацияны қабылдауы үшін триллион жылдан астам уақыт қажет болады. Соған қарамастан, тірі жасушада бұл процесс бірнеше ондаған минутқа ғана созылады. Уақыттың мұндай айтарлықтай қысқаруы мамандандырылған көмекші белоктардың – фольдазалар мен шаперондардың қатпарлануына қатысу арқылы қамтамасыз етіледі.
Кішкентай ақуыз молекулаларының (тізбектегі 100 амин қышқылына дейін) қатпарлануы өте тез және делдалдардың қатысуынсыз жүзеге асады, бұл in vitro тәжірибелері көрсеткендей.
Бүктелетін факторлар
Бүктелуге қатысатын көмекші белоктар екі топқа бөлінеді:
- фолдазалар - каталитикалық белсенділікке ие, субстрат концентрациясынан айтарлықтай төмен мөлшерде қажет (басқа ферменттер сияқты);
- шаперондар - әр түрлі әсер ету механизмі бар ақуыздар, бүктелген субстрат мөлшерімен салыстырылатын концентрацияда қажет.
Факторлардың екі түрі де бүктелуге қатысады, бірақ қосылмайдысоңғы өнім.
Қатпарлар тобы 2 ферментпен ұсынылған:
- Протеин дисульфидті изомераза (PDI) - цистеин қалдықтары көп ақуыздардағы дисульфидтік байланыстың дұрыс түзілуін бақылайды. Бұл функция өте маңызды, өйткені коваленттік өзара әрекеттесулер өте күшті және қате байланыстар болған жағдайда, ақуыз өзін-өзі реттей алмайды және табиғи конформацияны қабылдай алмайды.
- Пептидил-пролил-цис-транс-изомераза - пролиннің бүйірлерінде орналасқан радикалдардың конфигурациясының өзгеруін қамтамасыз етеді, бұл осы аймақтағы полипептидтік тізбектің иілу сипатын өзгертеді.
Осылайша, қатпарлар белок молекуласының үшіншілік конформациясын қалыптастыруда түзетуші рөл атқарады.
Шаперлер
Шаперондар басқаша жылу соққысы немесе стресс ақуыздары деп аталады. Бұл жасушаға теріс әсер ету кезінде (температура, радиация, ауыр металдар және т.б.) олардың секрециясының айтарлықтай артуына байланысты.
Шаперондар үш ақуыз тұқымдастарына жатады: hsp60, hsp70 және hsp90. Бұл белоктар көптеген функцияларды орындайды, соның ішінде:
- Белоктарды денатурациядан қорғау;
- жаңа синтезделген белоктардың бір-бірімен әрекеттесуін жоққа шығару;
- радикалдар арасында дұрыс емес әлсіз байланыстардың түзілуіне және олардың лабиализациясына (түзету) жол бермеу.
Осылайша, шаперондар көптеген нұсқаларды кездейсоқ санамау және әлі піспеген конформацияны болдырмай, энергетикалық дұрыс конформацияны тез алуға ықпал етеді.ақуыз молекулаларының бір-бірімен қажетсіз әрекеттесуінен. Сонымен қатар, қамқоршылар мыналарды қамтамасыз етеді:
- белокты тасымалдаудың кейбір түрлері;
- қайта қатпарлауды басқару (жоғалғаннан кейін үшінші құрылымды қалпына келтіру);
- аяқталмаған қатпарлы күйді сақтау (кейбір ақуыздар үшін).
Соңғы жағдайда шаперон молекуласы қатпарлану процесінің соңында белокпен байланыста қалады.
Денатурация
Кез келген факторлардың әсерінен белоктың үшінші реттік құрылымының бұзылуы денатурация деп аталады. Нәтижелі конформацияның жоғалуы молекуланы тұрақтандыратын әлсіз байланыстардың көп саны үзілгенде орын алады. Бұл жағдайда белок өзінің ерекше функциясын жоғалтады, бірақ өзінің бастапқы құрылымын сақтайды (денатурация кезінде пептидтік байланыстар жойылмайды).
Денатурация кезінде белок молекуласының кеңістіктік ұлғаюы орын алып, қайтадан су бетіне гидрофобты аймақтар шығады. Полипептидтік тізбек кездейсоқ катушка конформациясына ие болады, оның пішіні белоктың үшінші реттік құрылымының қандай байланыстары үзілгеніне байланысты. Бұл пішінде молекула протеолитикалық ферменттердің әсеріне көбірек сезімтал болады.
Үшінші құрылымды бұзатын факторлар
Денатурацияны тудыруы мүмкін бірқатар физикалық және химиялық әсерлер бар. Оларға мыналар жатады:
- температура 50 градустан жоғары;
- радиация;
- ортаның рН-ын өзгерту;
- ауыр металл тұздары;
- кейбір органикалық қосылыстар;
- жуғыш заттар.
Денатурациялау әсері тоқтатылғаннан кейін ақуыз үшінші құрылымды қалпына келтіре алады. Бұл процесс ренатурация немесе қайта қатпарлану деп аталады. In vitro жағдайында бұл тек шағын ақуыздар үшін мүмкін. Тірі ұяшықта қайта бүктеуді шаперондар қамтамасыз етеді.
