המבנה השלישוני של חלבון הוא הדרך שבה מתקפלת שרשרת פוליפפטידית במרחב תלת מימדי. קונפורמציה זו נוצרת עקב יצירת קשרים כימיים בין רדיקלי חומצות אמינו המרוחקים זה מזה. תהליך זה מתבצע בשיתוף המנגנונים המולקולריים של התא וממלא תפקיד עצום בהענקת פעילות תפקודית לחלבונים.
תכונות של המבנה השלישוני
הסוגים הבאים של אינטראקציות כימיות אופייניות למבנה השלישוני של חלבונים:
- ionic;
- מימן;
- hydrophobic;
- van der Waals;
- disulfide.
כל הקשרים הללו (חוץ מהדיסולפיד הקוולנטי) חלשים מאוד, עם זאת, בשל הכמות שהם מייצבים את הצורה המרחבית של המולקולה.
למעשה, הרמה השלישית של קיפול של שרשראות פוליפפטידים היא שילוב של אלמנטים שונים של המבנה המשני (סלילים α; שכבות β-קפלים ולולאות), המכוונות בחלל עקב אינטראקציות כימיות בין רדיקלים צדדיים של חומצות אמינו. כדי לציין באופן סכמטי את המבנה השלישוני של חלבון, סלילי α מסומנים על ידי גלילים או קווים ספירליים, שכבות מקופלות על ידי חיצים ולולאות על ידי קווים פשוטים.
אופי הקונפורמציה השלישונית נקבעת לפי רצף חומצות האמינו בשרשרת, כך ששתי מולקולות בעלות מבנה ראשוני זהה בתנאים שווים יתאימו לאותה וריאציה של אריזה מרחבית. מבנה זה מבטיח את הפעילות התפקודית של החלבון ונקרא native.
במהלך קיפול מולקולת החלבון מתקרבים זה לזה מרכיבי המרכז הפעיל, אשר במבנה הראשוני ניתן להסירם באופן משמעותי אחד מהשני.
עבור חלבונים חד-גדיליים, המבנה השלישוני הוא הצורה התפקודית הסופית. חלבונים מורכבים מרובי-תת-יחידות יוצרים מבנה רבעוני המאפיין סידור של מספר שרשראות זו ביחס לזו.
אפיון של קשרים כימיים במבנה השלישוני של חלבון
במידה רבה, הקיפול של שרשרת הפוליפפטיד נובע מהיחס בין רדיקלים הידרופיליים והידרופוביים. הראשונים נוטים לקיים אינטראקציה עם מימן (מרכיב מרכיב של מים) ולכן נמצאים על פני השטח, בעוד אזורים הידרופוביים, להיפך, ממהרים למרכז המולקולה. מבנה זה הוא הנוח ביותר מבחינה אנרגטית. בְּהתוצאה היא כדור עם ליבה הידרופוביה.
רדיקלים הידרופיליים, שבכל זאת נופלים למרכז המולקולה, מקיימים אינטראקציה זה עם זה ויוצרים קשרי יוניים או מימן. קשרים יוניים יכולים להתרחש בין רדיקלי חומצות אמינו בעלי מטען הפוך, שהם:
- קבוצות קטיוניות של ארגינין, ליזין או היסטידין (בעלות מטען חיובי);
- קבוצות קרבוקסיל של רדיקלי חומצה גלוטמית ואספרטית (בעלי מטען שלילי).
קשרי מימן נוצרים על ידי אינטראקציה של קבוצות הידרופיליות לא טעונות (OH, SH, CONH2) וקבוצות. קשרים קוולנטיים (החזקים ביותר במבנה השלישוני) נוצרים בין קבוצות SH של שאריות ציסטאין, ויוצרים את מה שנקרא גשרים דיסולפידים. בדרך כלל, קבוצות אלו מרוחקות זו מזו בשרשרת ליניארית ומתקרבות זו לזו רק במהלך תהליך הערימה. קשרי דיסולפיד אינם אופייניים לרוב החלבונים התוך-תאיים.
התאמה קונפורמטיבית
מכיוון שהקשרים היוצרים את המבנה השלישוני של חלבון חלשים מאוד, התנועה הבראונית של אטומים בשרשרת חומצות אמינו עלולה לגרום להם להישבר ולהיווצר במקומות חדשים. זה מוביל לשינוי קל בצורה המרחבית של חלקים בודדים של המולקולה, אך אינו מפר את הקונפורמציה המקורית של החלבון. תופעה זו נקראת לביליות קונפורמציה. האחרון ממלא תפקיד עצום בפיזיולוגיה של תהליכים תאיים.
קונפורמציה של חלבון מושפעת מהאינטראקציות שלו עם אחריםמולקולות או שינויים בפרמטרים הפיזיקליים והכימיים של המדיום.
איך נוצר המבנה השלישוני של חלבון
תהליך קיפול חלבון לצורתו המקורית נקרא קיפול. תופעה זו מבוססת על הרצון של המולקולה לאמץ קונפורמציה עם ערך מינימלי של אנרגיה חופשית.
אין חלבון צריך מדריכים מתווכים שיקבעו את המבנה השלישוני. תבנית ההנחת "מתועדת" בתחילה ברצף של חומצות אמינו.
עם זאת, בתנאים רגילים, כדי שמולקולת חלבון גדולה תאמץ מבנה מקורי התואם למבנה הראשוני, זה ייקח יותר מטריליון שנים. אף על פי כן, בתא חי תהליך זה נמשך רק כמה עשרות דקות. הפחתה משמעותית כל כך בזמן ניתנת על ידי ההשתתפות בקיפול של חלבוני עזר מיוחדים - פולדסים וצ'פרונים.
קיפול מולקולות חלבון קטנות (עד 100 חומצות אמינו בשרשרת) מתרחש די מהר וללא השתתפות של מתווכים, דבר שהוכח בניסויים חוץ גופיים.
גורמי קיפול
חלבוני עזר המעורבים בקיפול מחולקים לשתי קבוצות:
- foldases - בעלי פעילות קטליטית, נדרשים בכמות נחותה משמעותית מריכוז הסובסטרט (כמו אנזימים אחרים);
- צ'פרונים - חלבונים עם מגוון מנגנוני פעולה, הדרושים בריכוז השווה לכמות המצע המקופל.
שני סוגי הגורמים משתתפים בקיפול, אך אינם כלולים במוצר סופי.
קבוצת הפולדאזים מיוצגת על ידי 2 אנזימים:
- Protein disulfide isomerase (PDI) - שולט על היווצרות נכונה של קשרי דיסולפיד בחלבונים עם מספר רב של שאריות ציסטאין. פונקציה זו חשובה מאוד, שכן אינטראקציות קוולנטיות חזקות מאוד, ובמקרה של קשרים שגויים, החלבון לא יוכל לסדר את עצמו מחדש ולקבל מבנה מקורי.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - מספק שינוי בתצורה של רדיקלים הממוקמים בצידי הפרולין, מה שמשנה את אופי העיקול של שרשרת הפוליפפטיד באזור זה.
לפיכך, לפולדאזים תפקיד מתקן ביצירת הקונפורמציה השלישונית של מולקולת החלבון.
Chaperones
צ'פרונים נקראים אחרת הלם חום או חלבוני סטרס. הסיבה לכך היא עלייה משמעותית בהפרשתם במהלך השפעות שליליות על התא (טמפרטורה, קרינה, מתכות כבדות וכו').
צ'פרונים שייכים לשלוש משפחות חלבונים: hsp60, hsp70 ו-hsp90. חלבונים אלה מבצעים פונקציות רבות, כולל:
- הגנה על חלבונים מפני דנטורציה;
- אי הכללה של האינטראקציה של חלבונים מסונתזים זה עם זה;
- מניעת היווצרות של קשרים חלשים שגויים בין רדיקלים והלבליזציה שלהם (תיקון).
לפיכך, מלווים תורמים לרכישה מהירה של המבנה הנכון מבחינה אנרגטית, לא כולל ספירה אקראית של אפשרויות רבות והגנה שעדיין לא בשלהמולקולות חלבון מאינטראקציה מיותרת אחת עם השנייה. בנוסף, מלווים מספקים:
- סוגים מסוימים של הובלת חלבון;
- בקרת קיפול מחדש (שיקום המבנה השלישוני לאחר אובדנו);
- שמירה על מצב קיפול לא גמור (עבור חלק מהחלבונים).
במקרה האחרון, מולקולת הצ'פרון נשארת קשורה לחלבון בסוף תהליך הקיפול.
Denaturation
הפרה של המבנה השלישוני של חלבון בהשפעת גורמים כלשהם נקראת דנטורציה. אובדן הקונפורמציה המקומית מתרחש כאשר מספר רב של קשרים חלשים המייצבים את המולקולה נשברים. במקרה זה, החלבון מאבד את תפקידו הספציפי, אך שומר על המבנה הראשוני שלו (קשרי פפטיד אינם נהרסים במהלך הדנטורציה).
במהלך הדנטורציה, מתרחשת עלייה מרחבית במולקולת החלבון, ואזורים הידרופוביים שוב עולים לפני השטח. שרשרת הפוליפפטיד מקבלת מבנה של סליל אקראי, שצורתו תלויה באילו קשרים במבנה השלישוני של החלבון נשברו. בצורה זו, המולקולה רגישה יותר להשפעות של אנזימים פרוטאוליטיים.
גורמים המפרים את המבנה השלישוני
ישנן מספר השפעות פיזיקליות וכימיות שעלולות לגרום לדנטורציה. אלה כוללים:
- טמפרטורה מעל 50 מעלות;
- radiation;
- שינוי ה-pH של המדיום;
- מלחי מתכות כבדות;
- כמה תרכובות אורגניות;
- חומרי ניקוי.
לאחר הפסקת אפקט הדנטורציה, החלבון יכול לשחזר את המבנה השלישוני. תהליך זה נקרא רנטורציה או קיפול מחדש. בתנאי מבחנה, זה אפשרי רק עבור חלבונים קטנים. בתא חי, קיפול מחדש מסופק על ידי מלווים.
