proteinová struktura a funkce
proteiny jsou stavebními kameny buněčných struktur a motorů buněčných aktivit. Jsou modulární povahy a jejich interakce s jinými molekulami v buňce se spoléhají na přítomnost specifických funkčních domén. Přesný tvar domény, vyplývající z přítomnosti nekovalentních vazeb mezi zbytky v polypeptidovém řetězci, rozhoduje o funkci., Nejznámějším příkladem vztahu tvar-funkce je teorie“ klíč a zámek “ enzymatické funkce. Změna enzymatické kapsy v důsledku mutace nebo modifikace aminokyselinového zbytku mění afinitu a/nebo specificitu enzymu. Stručně řečeno, lépe se vešly mezi dvěma molekulami, tím lépe to funguje, tím více se dluhopisy mohou být vyrobeny, rychlejší signál může projít, nebo silnější dvě molekuly spojit (myslím, že adhezních molekul).
3D konformace proteinu závisí na interakcích mezi aminokyselinami v polypeptidovém řetězci., Vzhledem k tomu, že sekvence aminokyselin závisí na genetickém kódu, tvar proteinu je kódován v DNA. Proteiny mají čtyři úrovně organizace. Primární struktura se týká lineární sekvence aminokyselin spojených peptidovými vazbami. Sekundární struktura se skládá z lokálního balení polypeptidového řetězce do α-helixů a β-listů v důsledku vodíkových vazeb mezi peptidovou vazbou – centrální uhlíkovou páteří. Terciární (3D) struktura je tvar vyplývající ze skládání sekundárních struktur určených interakcemi mezi postranními řetězci aminokyselin., Kvartérní struktura popisuje uspořádání polypeptidových řetězců v multi podjednotkovém uspořádání.
toto video ukazuje 4 úrovně proteinové struktury.
převzato z Rcsbprotein Data Bank pod licencí CC-BY
vše, co je potřeba k tomu, aby protein získal jedinečný tvar, a proto je jedinečná funkce „zapsána“ ve fragmentu DNA známém jako gen. Pokaždé, když je gen transkribován, buď po celou dobu životnosti buňky, nebo v jakékoli buňce, která má stejnou DNA, přírodní nebo Rekombinantní, proteiny se objeví podobně a převezmou jejich předprogramovanou funkci.,
Primární struktura proteinů
Proteiny jsou nejdůležitější a univerzální ročník makromolekuly v buňce. Role, které tyto molekuly hrají, zahrnují cokoli od transportu živin, katalyzování biochemických reakcí až po strukturální složky buněk nebo molekulárních motorů. Proteiny jsou lineární polymery aminokyselin spojených peptidovými vazbami. Jsou syntetizovány z templátové vlákno DNA a obsahují jedinečné a specifické aminokyselinové sekvence v lineární formě známé jako primární strukturu.,
pouze dvacet aminokyselin je nezbytné a dostatečné pro generování tisíců proteinů v buňce. To neznamená, že existuje pouze dvacet aminokyselin. To je běžná mylná představa. Existuje nespočet aminokyselin, které existují na světě, ale jsou zapojeny do jiných metabolických reakcí, ale ne syntézy bílkovin. Jak jednotlivý protein získává svou identitu, spočívá v uspořádané kombinaci aminokyselin, která určuje všechny jeho vlastnosti.
aminokyseliny, které jsou spojeny peptidovou vazbou, se nazývají polypeptidový řetězec., Polypeptidový řetězec se skládá ze sekvence aminokyselin diktovaných genem. Sekvence řetězců aminokyselin poskytuje rozmanitost nezbytnou pro splnění požadavků života. Zachování specifických proteinových sekvencí je tak důležité, že buňka má regulační mechanismy, které zajistí, že pouze perfektní bílkovin. Každá samostatná sekvence má jedinečný řád, který vyjadřuje velmi jedinečnou funkci. Pokud byste měli změnit jedno jediné uspořádání řetězu, pak by tento řetězec měl zcela jinou funkci., Funkce proteinu může být ohrožena nebo zcela ztracena, pokud je sekvence mimo provoz. Ale ne všechny mutace nebo modifikace bílkovin vedou k katastrofálním důsledkům. Některé z nich činí buňku a organismus lépe přizpůsobenou environmentálním tlakům, což je proces, který znáte jako evoluci.
Vlastnosti aminokyseliny a jejich postranní řetězce rozdíly
Aminokyseliny mají stejnou základní strukturu, která je důležitá pro správnou vznik chemické vazby mezi sousedními molekulami. Každá aminokyselina má centrální uhlík označený jako α-uhlík., Α-uhlíku má vždy následující čtyři skupiny připojené to:
- –NH2 základní amino skupinou,
- –COOH kyselé skupiny (známé jako karboxylové skupiny)
- –H atomu vodíku
- –R postranní řetězec
-R symbolizuje variabilní boční řetězce, což je jen chemická skupina, která se liší mezi všech dvacet aminokyselin. V podstatě postranní řetězec činí aminokyselinu jedinečnou a lze ji považovat za její otisk prstu.,
nejdůležitější vlastností aminokyselin, která ovlivňuje skládání a následně funkci celé proteinové molekuly, je jejich známá a předvídatelná interakce s vodou. Aminokyseliny lze proto rozdělit na hydrofilní a hydrofobní skupiny. Hydrofobní, aka nepolární, aminokyseliny mají nasycené uhlovodíky jako své postranní řetězce. Tyto aminokyseliny jsou alanin, valin, methionin, leucin a isoleucin a dvě aminokyseliny s aromatickými kroužky tryptofan a fenylalanin., Hydrofobní, nepolární aminokyseliny hrají zásadní roli při skládání bílkovin, protože mají tendenci se táhnout dohromady a shlukovat se od vody. Tyto aminokyseliny obvykle tvoří transmembránové domény a nacházejí se hluboko pohřbené v hydrofobním interiéru většiny kulových proteinů.
hydrofilní aminokyseliny snadno interagují s vodou. Tato skupina zahrnuje aminokyseliny, které ionizují a stávají se elektricky nabité (negativně i pozitivně) po disociaci a aminokyseliny, které jsou polární, ale nezmapované., Aminokyseliny, které mají postranní řetězce s karboxylovou skupinou kromě karboxylové skupiny na α-uhlíku používané při tvorbě peptidové vazby, nesou negativní náboj. Tyto zbytky jsou kyselina glutamová a kyselina asparagová-jejich názvy skutečně obsahují termín „kyselina“ v důsledku přítomnosti dvou karboxylových skupin.
boční řetězce lysinu, argininu a histidinu mají silné základní skupiny a jsou pozitivně nabité. Hydrofilní aminokyseliny, které jsou polární, ale nezmapované, jsou asparagin, glutamin, serin, threonin a tyrosin., Hydrofilní a nabité postranní řetězce aminokyselin jsou vystaveny na povrchu proteinu a jsou zvláště rozšířené v enzymatických kapsách nebo transportních molekulách. Exponované elektrické náboje přenášejí povahu a aktivitu proteinu na jiné molekuly a působí jako magnety přitahující podobné síly k interakci.
několik aminokyselin přispívá ke struktuře bílkovin kvůli jedinečným vlastnostem charakteristickým pro jejich boční řetězce. Struktura prolinu se liší od ostatních aminokyselin ve skutečnosti, že jeho postranní řetězec je vázán na dusík a centrální uhlík., Tato aminokyselina je chemicky nereaktivní (hydrofobní), ale proto, že z jeho pěti-členný kruh, to narušuje geometrii skládání bílkovin způsobuje náhlé změny na konformaci fyzicky zavedení smyčky a ohyby na polypeptidový řetězec. Glycin nemá žádný postranní řetězec vůbec jen druhý atom vodíku připojený k α-uhlíku. Nevykazuje silný polární charakter nebo elektronegativitu, je obvykle vidět v místech, kde se části polypeptidového řetězce ohýbají a přibližují se k sobě.
cystein je aminokyselina běžně známá tím, že výrazně ovlivňuje strukturu bílkovin., To má sulfhydrylové skupiny odpovědné za vzniku disulfidové vazby, které stabilizace terciární struktury bílkovin a významně přispívá k molekulární funkce, které budete později v tomto textu.
sekundární struktura a všechny smyčky
Jak víme, jaké proteiny skutečně vypadají, když jsou složeny? Existují dvě metody, které nám umožňují nahlédnout do struktury bílkovin; rentgenová difrakce a nukleární magnetická rezonance (NMR)., Rentgenová difrakční metoda vytváří trojrozměrnou obrysovou mapu elektronů v proteinovém krystalu na základě toho, jak se rentgenové paprsky odrazí, když procházejí vzorkem. NMR měří rozestup mezi proteiny v nasyceném roztoku a informace o prostorových omezeních se používají k určení skládacích struktur každého proteinu. Tyto dva testy dohromady nám pomáhají pochopit, jaký je složený tvar proteinu.
tvar proteinu je určen výhradně aminokyselinovou sekvencí v polypeptidovém řetězci. To je pravda; je to stejně jako DNA, jedinečný kód vytváří jedinečný design., Skládání bílkovin je výsledkem fyzikálních vlastností postranních řetězců aminokyselin a jejich interakcí s prostředím kolem nich. Proteiny se skládají do energeticky nejúčinnějšího tvaru nazývaného nativní stav v několika krocích nebo hladinách ve struktuře bílkovin.
skládání Bílkovin a architektura
Když je vystavena podmínky v cytosolu nebo v lumen ER, polypeptidových řetězců předpokládat, lokalizované organizace nazývá sekundární strukturu, která optimalizuje interakce postranních řetězců aminokyselin s sebou a vodu., Polypeptidová páteř se skládá do spirál a stuh α-helixů a β-listů. Α-helix i β-list jsou segmenty polypeptidu, které mají pravidelnou geometrii a jsou přichyceny jemnými a ne tak jemnými otáčkami a odděleny méně organizovanými smyčkami.
alfa helix je struktura, která obsahuje α-uhlíky s rotací poskytující příznivé úhly pro tvorbu silného vodíkového spojení a těsného balení bočních řetězců. Beta listy jsou ploché struktury složené z několika β-pramenů vázaných na sousední β-prameny vodíkovou vazbou., V β-listech může polypeptidový řetězec běžet stejným (paralelním) nebo opačným směrem (Anti-paralelním). Vodíkové vazby jsou stabilnější, když β-list má spíše paralelní než paralelní prameny. Paralelní listy mají tendenci být pohřbeny uvnitř struktury bílkovin. Sekundární struktury jsou spojeny nestrukturovanými úseky tvořícími více smyček.
terciární struktura proteinu
existuje mnoho způsobů, jak se sekundární struktury mohou spojit do velké 3D mřížky., Terciární struktura proteinu je trojrozměrná kombinace α-helixů a β-listů, které se skládají vedle sebe v důsledku nekovalentních interakcí mezi postranními skupinami aminokyselin a prostředím obklopujícím jediný polypeptid. V této fázi proteiny začnou zpevňovat svou strukturu dalšími vazbami, jako jsou disulfidové vazby mezi dvěma cysteiny. Nejdůležitějším rysem terciárních struktur je přítomnost konzervovaných oblastí s podobnými funkcemi známými jako funkční domény., Terciární struktury jsou méně stabilní a většina z nich mění tvar během životnosti proteinu, často vícekrát. Konformační změny v těchto funkčních doménách jsou základem funkce proteinu. Mohou být trvalé během skládání a zrání bílkovin nebo reverzibilní a slouží jako způsob regulace proteinové aktivity na reakční stupnici. Proteinové domény jsou oblasti podobné aktivity. Nemusí mít nutně zachovanou sekvenci., Například doména kinázy, zodpovědná za připojení fosfátové skupiny, má jiný tvar a sekvence, závislá na substrátu, ke kterému je fosfátová skupina připojena. Sekundární struktury tvořící domény nemusí ležet postupně v polypeptidovém řetězci. Mohou být dokonce součástí několika různých polypeptidů v případě multimerních proteinů.
motivy jsou podskupinou funkčních domén, které mají evolučně zachované sekvence a dávají jim samozřejmě zachovaný tvar., Jedním z příkladů, stočené cívky motivy jsou velmi pravidelné nástavby dvou α-šroubovice spárované až k vytvoření vláknité konfigurace, která je základem stabilních dimerů. Obvykle jsou kolem sebe zabaleny dvě identické α-šroubovice v levé konformaci a stabilizovány hydrofobními interakcemi. Mezimolekulární iontové vazby mezi bočními řetězci v α-helix, 3.6 zbytky od sebe, dát hydrofobní zbytky prostor pro interakci s podobným motivem na opačné bílkovin.,
Kvartérní struktura
kvartérní struktura je výsledkem montáže dvou nebo více polypeptidů do jednoho funkčního multimeric bílkovin. Podjednotky jsou sestaveny interakcemi mezi doménami nebo oblastmi v proteinu a drženy pohromadě hydrofobními interakcemi (dvě mokrá zrcadla) a disulfidovými vazbami., Pokud podjednotky jsou stejná struktura je popsána s předponou homo a pokud jsou různé s předpona hetero (jako v muscle glycogen phosphorylase homodimer nebo jako v heterotrimeric G proteiny)
Intracelulární procesy, jako jsou signalizace závisí na interakci mezi molekulami. Čím lepší je molekulární fit mezi dvěma molekulami, tím více vazeb mohou tvořit, nebo silnější interakce (afinita mezi nimi). Aminokyselinová sekvence diktovaná genem a zase vlastnosti postranních řetězců aminokyselin rozhodují o tvaru a zase o interakcích.