Proteinstruktur og-funktion
proteiner er byggestenene i cellestrukturer og motorer i cellulære aktiviteter. De er modulære i naturen, og deres interaktion med andre molekyler i cellen er afhængig af tilstedeværelsen af specifikke funktionelle domæner. Den præcise form af domænet, der skyldes tilstedeværelsen af ikke-kovalente bindinger mellem rester i en polypeptidkæde, bestemmer om funktionen., Det bedst kendte eksempel på form-funktion forholdet er” nøgle og lås ” teori om en .ymatisk funktion. Ændringen af en .ymatisk lomme på grund af mutation eller modifikation af en aminosyrerest ændrer en .ymets affinitet og/eller specificitet. Kort sagt, jo bedre pasform mellem to molekyler, jo bedre fungerer det, jo flere bindinger kan laves, jo hurtigere kan signalet passere, eller jo stærkere to molekyler forbinder (tænk vedhæftningsmolekyler).
proteinets 3D-konformation afhænger af interaktionerne mellem aminosyrer i polypeptidkæden., Da sekvensen af aminosyrerne er betinget af den genetiske kode, kodes formen af proteinet i DNA ‘ et. Proteiner har fire niveauer af organisation. Primær struktur refererer til den lineære sekvens af aminosyrerne forbundet med peptidbindingerne. Den sekundære struktur består af lokal pakning af polypeptidkæde i A-helices og β-ark på grund af hydrogenbindinger mellem peptidbinding – central carbon backbone. Tertiær (3D) struktur er en form som følge af foldning af sekundære strukturer bestemt ved interaktioner mellem sidekæder af aminosyrer., Kvaternær struktur beskriver arrangementet af polypeptidkæderne i multi-underenhedsarrangementet.
denne video viser de 4 niveauer af proteinstruktur.
tilpasset fra Rcsbprotein Databank under CC-BY licens
alt, hvad der er nødvendigt for at give et protein unik form, og derfor er en unik funktion “skrevet” i et fragment af DNA ‘ et kendt som et gen. Hver gang et gen transkriberes, enten i løbet af cellens levetid eller i en hvilken som helst celle, der har det samme DNA, naturligt eller rekombinant, opstår proteinerne ens og antager deres forprogrammerede funktion.,
primær struktur af proteiner
proteiner er den vigtigste og alsidige klasse af makromolekyler i cellen. De roller, som disse molekyler spiller, omfatter alt fra transport af næringsstoffer, katalyserende biokemiske reaktioner på at være strukturelle komponenter i celler eller molekylære motorer. Proteiner er lineære polymerer af aminosyrer forbundet med peptidbindinger. De syntetiseres fra skabelonstrengen af DNA og indeholder unikke og specifikke aminosyresekvenser i en lineær form kendt som en primær struktur.,
kun tyve aminosyrer er nødvendige og tilstrækkelige til at generere tusinder af proteiner i en celle. Det betyder ikke, at der kun er tyve aminosyrer. Dette er en almindelig misforståelse. Der er utallige aminosyrer, der findes i verden, men de er involveret i andre metaboliske reaktioner, men ikke proteinsyntese. Hvordan individuelt protein får sin identitet ligger i den ordnede kombination af aminosyrer, som bestemmer alle dets egenskaber.
aminosyrer, der er forbundet med en peptidbinding, kaldes en polypeptidkæde., Polypeptidkæden består af en sekvens af aminosyrer dikteret af genet. En sekvens af aminosyrekæderne giver mangfoldighed afgørende for at imødekomme livets krav. Bevarelse af specifikke proteinsekvenser er så vigtigt, at cellen har reguleringsmekanismer på plads for at sikre, at kun perfekte proteiner produceres. Hver separat sekvens har en unik rækkefølge, der formidler en meget unik funktion. Hvis du skulle ændre et enkelt arrangement af kæden, så ville denne kæde have en helt anden funktion., Protein funktion kan bringes i fare eller tabt helt, hvis sekvens er ude af drift. Men ikke alle mutationer eller proteinændringer fører til katastrofale konsekvenser. Nogle af dem gør cellen og organismen bedre tilpasset miljøbelastningen, en proces, du kender som evolution.
egenskaber af aminosyrer og deres sidekædeforskelle
aminosyrer har den samme basestruktur, hvilket er vigtigt for korrekt kemisk bindingsdannelse mellem tilstødende molekyler. Hver aminosyre har et centralt kulstof, der betegnes som a-carbon., Α-carbon altid har følgende fire grupper, der er knyttet til det:
- –NH2 en grundlæggende amino gruppe
- –COOH en sur gruppe (kendt som en etage gruppe)
- –H et hydrogen-atom
- –R en side chain
-R symboliserer den variable side-chain, der er kun kemisk gruppe, der adskiller sig blandt alle tyve aminosyrer. I det væsentlige sidekæde gør aminosyren unik og kan betragtes som dens fingeraftryk.,
den vigtigste egenskab af aminosyrer, der påvirker foldningen og efterfølgende funktionen af hele proteinmolekylet, er deres kendte og forudsigelige interaktion med vand. Aminosyrer kan derfor opdeles i hydrofile og hydrofobe grupper. Hydrofobe, også ikke-polære, aminosyrer har mættede kulbrinter som deres sidekæder. Disse aminosyrer er alanin, valin, methionin, leucin og isoleucin samt to aminosyrer med aromatiske ringe tryptophan og phenylalanin., Hydrofobe, ikke-polære aminosyrer spiller en væsentlig rolle i proteinfoldning, fordi de har tendens til at trække sammen og klumpe sig væk fra vand. Disse aminosyrer danner normalt transmembrane domæner og findes dybt begravet i det hydrofobe indre af de fleste kugleformede proteiner.
hydrofile aminosyrer interagerer let med vand. Denne gruppe omfatter aminosyrer, der ioniserer og bliver elektrisk ladede (både negativt og positivt) ved dissociation og aminosyrer, der er polære, men uladede., Aminosyrer, der har sidekæder med en Carbo .ylgruppe ud over Carbo .ylgruppen ved a-carbon, der anvendes til dannelse af peptidbinding, bærer en negativ ladning. Disse rester er glutaminsyre og asparaginsyre – bemærk, at deres navne faktisk indeholder udtrykket “syre” på grund af tilstedeværelsen af to Carbo .ylgrupper.
sidekæderne af lysin, arginin og histidin har stærke basiske grupper og er positivt ladede. Hydrofile aminosyrer, der er polære, men uladede, er asparagin, glutamin, serin, threonin og tyrosin., Hydrofile og ladede sidekæder af aminosyrer udsættes på overfladen af proteinet og er især udbredt i en .ymatiske lommer eller transportmolekyler. De udsatte elektriske ladninger overfører proteinets natur og aktivitet til andre molekyler og fungerer som magneter, der tiltrækker lignende kræfter til at interagere.
flere aminosyrer bidrager til proteinstrukturen på grund af unikke træk, der er karakteristiske for deres sidekæder. Strukturen af prolin adskiller sig fra de andre aminosyrer i det faktum, at dens sidekæde er bundet til nitrogen såvel som det centrale kulstof., Denne aminosyre er kemisk ikke-reaktiv (hydrofob), men på grund af dens fem-leddede ring forstyrrer den geometrien af et foldet protein, der forårsager pludselige skift til konformation ved fysisk at indføre kinks og bøjninger til en polypeptidkæde. Glycin har overhovedet ingen sidekæde bare et andet hydrogenatom bundet til a-carbon. Ikke udviser stærk polær karakter eller elektronegativitet, det ses typisk på steder, hvor dele af polypeptidkæden bøjes og kommer tæt på hinanden.
cystein er en aminosyre, der almindeligvis er kendt for i høj grad at påvirke proteinstrukturen., Det har en sulfhydrylgruppe, der er ansvarlig for dannelsen af disulfidbindinger, der stabiliserer den tertiære struktur af proteinerne og bidrager meget til molekylære funktioner, som du vil lære senere i denne tekst.
den sekundære struktur og alle sløjferne
hvordan ved vi, hvilke proteiner der virkelig ser ud, når de foldes? Der er to metoder, der giver os mulighed for at se ind i proteinstruktur; røntgendiffraktion og kernemagnetisk resonans (NMR)., Røntgendiffraktionsmetode producerer et tredimensionelt konturkort over elektronerne i en proteinkrystal baseret på, hvordan røntgenstråler springer, når de passerer gennem prøven. NMR måler afstand mellem proteiner i mættet opløsning, og information om pladsbegrænsninger bruges til at bestemme foldstrukturer for hvert protein. Disse to test, der er sammensat, hjælper os med at forstå, hvad den foldede form af et protein er.
formen af et protein bestemmes udelukkende af aminosyresekvensen i polypeptidkæden. Det er rigtigt; det er ligesom DNA, unik kode gør et unikt design., Proteinfoldning er resultatet af fysiske egenskaber af aminosyrernes sidekæder og deres interaktion med miljøet omkring dem. Proteiner foldes ind i den mest energieffektive form kaldet native tilstand i flere trin eller niveauer i proteinstruktur.
proteinfoldning og arkitektur
Når de udsættes for forholdene i cytosol eller lumen af ER, polypeptidkæder antage, lokal organisation kaldet sekundær struktur, der optimerer samspillet mellem side kæder af aminosyrer med hinanden og vand., Polypeptid-rygraden foldes ind i spiraler og bånd af henholdsvis A-helices og β-ark. Både α-Heli.og β-ark er segmenter af polypeptidet, der har en regelmæssig geometri og snøres sammen med blide og ikke-så-blide sving og adskilles af mindre organiserede sløjfer.
Alpha Heli.er en struktur, der pakker a-carboner med rotation, der giver gunstige vinkler til dannelse af stærk hydrogenbinding og tæt pakning af sidekæder. Beta ark er flade strukturer sammensat af flere β-strenge bundet til de nærliggende β-strenge gennem hydrogenbinding., I β-ark kan polypeptidkæden køre i samme (parallelle) eller modsatte retning (anti-parallelle). Hydrogenbindinger er mere stabile, når β-arket har anti-parallelle snarere end parallelle tråde. Parallelle ark har tendens til at blive begravet inde i proteinstruktur. De sekundære strukturer er forbundet med ustrukturerede strækninger, der danner flere sløjfer.
den tertiære struktur af proteinet
Der er mange måder de sekundære strukturer kan bundle sammen i et stort 3D gitter., Tertiære struktur af proteinet er en tre-dimensionel kombination af α-helices og β-sheets, som kan foldes ved siden af hinanden, som et resultat af noncovalent samspillet mellem aminosyrer’ side, grupper og miljøet omkring den enkelt polypeptid. På dette stadium begynder proteiner at størkne deres struktur ved yderligere bindinger, såsom disulfidbindinger mellem to cysteiner. Det vigtigste træk ved tertiære strukturer er tilstedeværelsen af bevarede regioner med lignende funktioner kendt som funktionelle domæner., De tertiære strukturer er mindre stabile, og faktisk ændrer de fleste af dem form i proteinets levetid, ofte flere gange. Konformationsændringer inden for disse funktionelle domæner er grundlaget for proteinets funktion. De kan være permanente under proteinfoldning og modning eller reversibel og tjene som en måde at regulere proteinaktivitet på en reaktion ved reaktionsskala. Proteindomæner er regioner med lignende aktivitet. De har ikke nødvendigvis en bevaret sekvens., For eksempel har et kinasedomæne, der er ansvarlig for fastgørelse af fosfatgruppe, en anden form og sekvens, afhængig af substratet fosfatgruppen er fastgjort til. Sekundære strukturer, der danner domæner, behøver ikke at ligge sekventielt i en polypeptidkæde. De kan endda være dele af flere forskellige polypeptider i tilfælde af multimeriske proteiner.
motiver er en undergruppe af funktionelle domæner, der evolutionært har bevarede sekvenser, hvilket giver dem selvfølgelig bevaret form., Et eksempel er coiled-coil motiver meget regelmæssige overbygninger af to a-helices parret op for at danne den fibrøse konfiguration, der er bunden af stabile dimerer. Normalt er der to identiske a-helices indpakket omkring hinanden i en venstrehåndet konformation og stabiliseret af hydrofobe interaktioner. Intermolekylære ioniske bindinger mellem side-kæder i en α-helix, 3.6 rester fra hinanden, give den hydrofobe rester plads til at interagere med et lignende motiv på det modsatte protein.,
Kvaternære struktur
Den kvaternære struktur er et resultat af en samling af to eller flere polypeptider i en funktionel multimeric protein. Underenheder samles ved interaktioner mellem domæner eller regioner i proteinet og holdes sammen af hydrofobe interaktioner (to våde spejle) og disulfidbindinger., Hvis underenheder er den samme struktur er beskrevet med præfikset homo, og hvis de er forskellige med præfikset hetero (som i muskel glykogen phosphorylase homodimer eller som i heterotrimeric G proteiner)
Intracellulære processer som signalering, afhænger af samspillet mellem molekyler. Jo bedre molekylær pasform mellem to molekyler, jo flere bindinger kan de danne, eller jo stærkere interaktionen (affinitet mellem dem). Aminosyresekvens dikteret af et gen, og til gengæld bestemmer egenskaberne af aminosyrernes sidekæder om formen og til gengæld om interaktioner.