La struttura terziaria di una proteina è il modo in cui una catena polipeptidica viene ripiegata nello spazio tridimensionale. Questa conformazione nasce a causa della formazione di legami chimici tra radicali amminoacidici distanti l'uno dall' altro. Questo processo viene eseguito con la partecipazione dei meccanismi molecolari della cellula e svolge un ruolo enorme nel conferire alle proteine un'attività funzionale.
Caratteristiche della struttura terziaria
I seguenti tipi di interazioni chimiche sono caratteristici della struttura terziaria delle proteine:
- ionico;
- idrogeno;
- idrofobo;
- van der Waals;
- disolfuro.
Tutti questi legami (tranne il disolfuro covalente) sono molto deboli, tuttavia, a causa della quantità che stabilizzano la forma spaziale della molecola.
Infatti, il terzo livello di ripiegamento delle catene polipeptidiche è una combinazione di vari elementi della struttura secondaria (α-eliche; strati β-plissettati eloop), che sono orientati nello spazio a causa delle interazioni chimiche tra i radicali di amminoacidi laterali. Per indicare schematicamente la struttura terziaria di una proteina, le α-eliche sono indicate da cilindri o linee a spirale, strati piegati da frecce e anelli da linee semplici.
La natura della conformazione terziaria è determinata dalla sequenza di amminoacidi nella catena, quindi due molecole con la stessa struttura primaria in condizioni uguali corrisponderanno alla stessa variante di impaccamento spaziale. Questa conformazione assicura l'attività funzionale della proteina ed è chiamata nativa.
Durante il ripiegamento della molecola proteica, i componenti del centro attivo si avvicinano, che nella struttura primaria possono essere significativamente rimossi l'uno dall' altro.
Per le proteine a filamento singolo, la struttura terziaria è la forma funzionale finale. Le proteine complesse multi-subunità formano una struttura quaternaria che caratterizza la disposizione di più catene in relazione tra loro.
Caratterizzazione dei legami chimici nella struttura terziaria di una proteina
In larga misura, il ripiegamento della catena polipeptidica è dovuto al rapporto tra radicali idrofili e idrofobici. I primi tendono ad interagire con l'idrogeno (elemento costitutivo dell'acqua) e quindi si trovano in superficie, mentre le regioni idrofobiche, al contrario, si precipitano al centro della molecola. Questa conformazione è energeticamente la più favorevole. Ail risultato è un globulo con un nucleo idrofobico.
I radicali idrofili, che tuttavia cadono al centro della molecola, interagiscono tra loro per formare legami ionici o idrogeno. I legami ionici possono verificarsi tra radicali amminoacidici di carica opposta, che sono:
- gruppi cationici di arginina, lisina o istidina (hanno una carica positiva);
- Gruppi carbossilici di radicali dell'acido glutammico e aspartico (hanno una carica negativa).
I legami idrogeno sono formati dall'interazione di gruppi idrofili non carichi (OH, SH, CONH2) e carichi. I legami covalenti (i più forti nella conformazione terziaria) sorgono tra i gruppi SH dei residui di cisteina, formando i cosiddetti ponti disolfuro. Tipicamente, questi gruppi sono distanziati in una catena lineare e si avvicinano l'uno all' altro solo durante il processo di impilamento. I legami disolfuro non sono caratteristici della maggior parte delle proteine intracellulari.
Labilità conformazionale
Poiché i legami che formano la struttura terziaria di una proteina sono molto deboli, il moto browniano degli atomi in una catena di amminoacidi può provocarne la rottura e la formazione in nuovi posti. Ciò porta a un leggero cambiamento nella forma spaziale delle singole sezioni della molecola, ma non viola la conformazione nativa della proteina. Questo fenomeno è chiamato labilità conformazionale. Quest'ultimo gioca un ruolo enorme nella fisiologia dei processi cellulari.
La conformazione proteica è influenzata dalle sue interazioni con gli altrimolecole o cambiamenti nei parametri fisici e chimici del mezzo.
Come si forma la struttura terziaria di una proteina
Il processo di ripiegamento di una proteina nella sua forma nativa è chiamato ripiegamento. Questo fenomeno si basa sul desiderio della molecola di adottare una conformazione con un valore minimo di energia libera.
Nessuna proteina ha bisogno di istruttori intermedi che determineranno la struttura terziaria. Lo schema di deposizione è inizialmente "registrato" nella sequenza degli amminoacidi.
Tuttavia, in condizioni normali, affinché una grande molecola proteica assuma una conformazione nativa corrispondente alla struttura primaria, ci vorrebbero più di un trilione di anni. Tuttavia, in una cellula vivente, questo processo dura solo poche decine di minuti. Una riduzione così significativa del tempo è fornita dalla partecipazione al ripiegamento di proteine ausiliarie specializzate - foldasi e accompagnatori.
Il ripiegamento di piccole molecole proteiche (fino a 100 aminoacidi in una catena) avviene abbastanza rapidamente e senza la partecipazione di intermediari, come dimostrato da esperimenti in vitro.
Fattori di piegatura
Le proteine ausiliarie coinvolte nel ripiegamento sono divise in due gruppi:
- foldasi - hanno attività catalitica, sono richieste in una quantità significativamente inferiore alla concentrazione del substrato (come altri enzimi);
- accompagnatori - proteine con una varietà di meccanismi d'azione, necessarie in una concentrazione paragonabile alla quantità di substrato ripiegato.
Entrambi i tipi di fattori partecipano al ripiegamento, ma non sono inclusiprodotto finale.
Il gruppo delle foldasi è rappresentato da 2 enzimi:
- Isomerasi proteica disolfuro (PDI) - controlla la corretta formazione dei legami disolfuro nelle proteine con un gran numero di residui di cisteina. Questa funzione è molto importante, poiché le interazioni covalenti sono molto forti e, in caso di connessioni errate, la proteina non sarebbe in grado di riorganizzarsi e assumere una conformazione nativa.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - fornisce un cambiamento nella configurazione dei radicali situati ai lati della prolina, che cambia la natura della curva della catena polipeptidica in quest'area.
Quindi, le foldasi svolgono un ruolo correttivo nella formazione della conformazione terziaria della molecola proteica.
Accompagnatori
Gli accompagnatori sono altrimenti chiamati shock termici o proteine dello stress. Ciò è dovuto ad un aumento significativo della loro secrezione durante gli effetti negativi sulla cellula (temperatura, radiazioni, metalli pesanti, ecc.).
Gli accompagnatori appartengono a tre famiglie di proteine: hsp60, hsp70 e hsp90. Queste proteine svolgono molte funzioni, tra cui:
- Protezione delle proteine dalla denaturazione;
- esclusione dell'interazione tra proteine di nuova sintesi;
- prevenire la formazione di legami deboli non corretti tra i radicali e la loro labializzazione (correzione).
Gli accompagnatori contribuiscono quindi alla rapida acquisizione della conformazione energeticamente corretta, escludendo l'enumerazione casuale di molte opzioni e proteggendo non ancora maturemolecole proteiche dall'interazione non necessaria tra loro. Inoltre, gli accompagnatori forniscono:
- alcuni tipi di trasporto delle proteine;
- controllo del ripiegamento (ripristino della struttura terziaria dopo la sua perdita);
- mantenere uno stato di ripiegamento incompiuto (per alcune proteine).
In quest'ultimo caso, la molecola chaperone rimane legata alla proteina alla fine del processo di ripiegamento.
Denaturazione
La violazione della struttura terziaria di una proteina sotto l'influenza di qualsiasi fattore è chiamata denaturazione. La perdita della conformazione nativa si verifica quando si rompono un gran numero di legami deboli che stabilizzano la molecola. In questo caso, la proteina perde la sua funzione specifica, ma mantiene la sua struttura primaria (i legami peptidici non vengono distrutti durante la denaturazione).
Durante la denaturazione, si verifica un aumento spaziale della molecola proteica e le aree idrofobiche tornano in superficie. La catena polipeptidica acquisisce la conformazione di una bobina casuale, la cui forma dipende da quali legami della struttura terziaria della proteina sono stati rotti. In questa forma, la molecola è più suscettibile agli effetti degli enzimi proteolitici.
Fattori che violano la struttura terziaria
Ci sono una serie di influenze fisiche e chimiche che possono causare la denaturazione. Questi includono:
- temperatura superiore a 50 gradi;
- radiazioni;
- cambiare il pH del mezzo;
- sali di metalli pesanti;
- alcuni composti organici;
- detersivi.
Dopo la fine dell'effetto denaturante, la proteina può ripristinare la struttura terziaria. Questo processo è chiamato rinaturazione o ripiegamento. In condizioni in vitro, questo è possibile solo per piccole proteine. In una cellula vivente, il ripiegamento è fornito dagli accompagnatori.
