proteiinirakenne ja funktio
proteiinit ovat solurakenteiden rakennuspalikoita ja solutoimintojen moottoreita. Ne ovat luonteeltaan modulaarisia ja niiden vuorovaikutukset solun muiden molekyylien kanssa perustuvat tiettyjen funktionaalisten domeenien läsnäoloon. Funktiosta päättää domeenin tarkka muoto, joka johtuu jäämien välisestä ei-kovalenttisesta sidoksesta polypeptidiketjussa., Tunnetuin esimerkki muodon ja funktion välisestä suhteesta on entsymaattisen funktion” avain ja lukko ” – teoria. Entsymaattisen taskun muutos, joka johtuu aminohappojäämän mutaatiosta tai muutoksesta, muuttaa entsyymin affiniteettia ja/tai spesifisyyttä. Lyhyesti sanottuna, mitä paremmin kahden molekyylin väliin mahtuu, sitä paremmin se toimii, sitä enemmän sidoksia voidaan tehdä, sitä nopeammin signaali voi kulkea, tai sitä voimakkaammat kaksi molekyyliä kytkeytyvät toisiinsa (ajattele adheesiomolekyylejä).
proteiinin 3D-konformaatio riippuu aminohappojen vuorovaikutuksista polypeptidiketjussa., Koska aminohappojen järjestys riippuu geneettisestä koodista, proteiinin muoto koodataan DNA: han. Proteiineissa on neljä järjestäytymisastetta. Primaarirakenne viittaa peptidisidoksilla yhdistettyjen aminohappojen lineaariseen sekvenssiin. Toisiorakenne koostuu polypeptidiketjun paikallisesta pakkaamisesta α-heliiseiksi ja β-arkeiksi peptidisidoksen ja keskisen hiilirungon välisten vetysidosten vuoksi. Tertiäärinen (3D) rakenne on muoto, joka syntyy toisiorakenteiden taittelusta, joka määräytyy aminohappojen sivuketjujen välisten vuorovaikutusten perusteella., Kvaternaarinen rakenne kuvaa polypeptidiketjujen järjestelyä multi-alayksikössä.
Tämä video näyttää proteiinirakenteen 4 tasoa.
mukautettu RCSBPROTEININ tietopankista CC-BY licence
kaikki, mitä tarvitaan proteiinin ainutlaatuisen muodon antamiseen, ja siksi ainutlaatuinen funktio on ”kirjoitettu” geeninä tunnetun DNA: n katkelmaan. Joka kerta, kun geeni transpriboidaan joko solun eliniän aikana tai missä tahansa solussa, jossa on sama DNA, luonnollinen tai rekombinantti, proteiinit muuttuvat samanlaisiksi ja omaksuvat ennalta ohjelmoidun funktionsa.,
proteiinien primaarinen rakenne
proteiinit ovat tärkein ja monipuolisin makromolekyyliluokka solussa. Näiden molekyylien roolit käsittävät mitä tahansa ravinteiden kuljetuksesta, biokemiallisten reaktioiden katalysoimisesta solujen tai molekyylimoottorien rakenteellisiksi komponenteiksi. Proteiinit ovat peptidisidoksilla yhdistettyjen aminohappojen lineaaripolymeerejä. Ne syntetisoidaan DNA: n mallilohkosta ja sisältävät ainutlaatuisia ja spesifisiä aminohapposekvenssejä lineaarisessa muodossa, joka tunnetaan primäärirakenteena.,
vain kaksikymmentä aminohappoa tarvitaan ja riittää tuottamaan tuhansia proteiineja solussa. Se ei tarkoita, että aminohappoja olisi vain kaksikymmentä. Tämä on yleinen väärinkäsitys. Maailmassa on lukemattomia aminohappoja, mutta ne osallistuvat muihin metabolisiin reaktioihin, mutta eivät proteiinisynteesiin. Miten yksittäiset proteiinia saa sen identiteetti on tilattu yhdistelmä aminohappoja, joka määrittää kaikki sen ominaisuudet.
peptidisidoksella yhdistettyjä aminohappoja kutsutaan polypeptidiketjuksi., Polypeptidiketju koostuu geenin sanelemasta aminohappojärjestyksestä. Aminohappoketjujen sekvenssi tarjoaa moninaisuuden, joka on elintärkeää elämän vaatimusten täyttämiseksi. Tiettyjen proteiinisekvenssien säilyttäminen on niin tärkeää, että solussa on säätelymekanismit, joilla varmistetaan vain täydellisten proteiinien tuottaminen. Jokaisella erillisellä sekvenssillä on ainutlaatuinen järjestys, joka välittää hyvin ainutlaatuisen funktion. Jos ketjusta muuttaisi yhden ainoan järjestelyn, sillä ketjulla olisi täysin erilainen tehtävä., Proteiinin toiminta voi vaarantua tai kadota kokonaan, jos sekvenssi on epäkunnossa. Kaikki mutaatiot tai proteiinimuutokset eivät kuitenkaan johda tuhoisiin seurauksiin. Jotkut heistä tekevät solun ja organismin paremmin huomioon ympäristön paineet, prosessi, tiedät kuin evoluutio.
aminohappojen ominaisuuksilla ja niiden sivuketjueroilla
aminohapoilla on sama perusrakenne, mikä on tärkeää viereisten molekyylien välisen asianmukaisen kemiallisen sidoksen muodostumisessa. Jokaisella aminohapolla on α-hiileksi nimetty keskeinen hiili., Α-hiili on aina seuraavat neljä ryhmää kiinnitetty siihen:
- –NH2 perus-amino-ryhmä
- –COOH hapan-ryhmässä (tunnetaan karboksyyliryhmä)
- –H vetyatomi
- –R-puolella ketjun
-R symboloi muuttuja puolella ketju, joka on vain kemiallinen ryhmä, joka eroaa kaikista kaksikymmentä aminohappoa. Pohjimmiltaan sivuketju tekee aminohaposta ainutlaatuisen ja sitä voidaan pitää sen sormenjälkenä.,
koko proteiinimolekyylin taittumiseen ja sen jälkeen toimintaan vaikuttavien aminohappojen tärkein ominaisuus on niiden tunnettu ja ennustettavissa oleva vuorovaikutus veden kanssa. Aminohapot voidaan siis jakaa hydrofiilisiin ja hydrofobisiin ryhmiin. Hydrofobisilla eli ei-polaarisilla aminohapoilla on sivuketjuinaan tyydyttyneitä hiilivetyjä. Näitä aminohappoja ovat alaniini, valiini, metioniini, leusiini ja isoleusiini ja kahden aminohapon kanssa aromaattiset renkaat tryptofaani ja fenyylialaniini., Hydrofobisilla, ei-polaarisilla aminohapoilla on tärkeä rooli proteiinien taittelussa, koska ne pyrkivät vetämään toisiaan ja köyhtymään pois vedestä. Nämä aminohapot muodostavat yleensä transmembraanisia domeeneja, ja ne löydetään syvälle hautautuneina useimpien globulaaristen proteiinien hydrofobiseen sisätilaan.
hydrofiiliset aminohapot vuorovaikuttavat helposti veden kanssa. Tähän ryhmään kuuluvat aminohapot, jotka ionisoituvat ja tulevat sähköisesti varautuneiksi (sekä negatiivisesti että positiivisesti) dissosiaation yhteydessä ja aminohapot, jotka ovat polaarisia mutta kartoittamattomia., Aminohapoilla, joiden sivuketjut ovat karboksyyliryhmällä peptidisidoksen muodostamisessa käytettävän α-hiilen karboksyyliryhmän lisäksi, on negatiivinen varaus. Nämä jäämät ovat glutamiinihappoa ja asparagiinihappoa – huomaa niiden nimet todella sisältävät termin ”happo”, koska läsnä on kaksi karboksyyliryhmää.
lysiinin, arginiinin ja histidiinin sivuketjuissa on vahvat perusryhmät ja ne ovat positiivisesti varautuneita. Polaarisia mutta kartoittamattomia hydrofiilisiä aminohappoja ovat asparagiini, glutamiini, seriini, treoniini ja tyrosiini., Aminohappojen hydrofiiliset ja varautuneet sivuketjut altistuvat proteiinin pinnalle ja ovat erityisen yleisiä entsymaattisissa taskuissa tai kuljetusmolekyyleissä. Altistuneet sähkövaraukset välittävät proteiinin luonteen ja toiminnan muille molekyyleille ja toimivat kuin magneetit, jotka houkuttelevat samanlaisia voimia vuorovaikutukseen.
useat aminohapot edistävät proteiinirakennetta niiden sivuketjuille ominaisten ainutlaatuisten ominaisuuksien vuoksi. Proliinin rakenne eroaa muista aminohapoista siinä, että sen sivuketju on sitoutunut typpeen sekä keskushiileen., Tämä aminohappo on kemiallisesti epäaktiivinen (hydrofobinen), mutta viisihenkisen renkaansa vuoksi se häiritsee taittuvan proteiinin geometriaa aiheuttaen äkillisiä muutoksia konformaatioon ottamalla fyysisesti käyttöön kinksejä ja mutkia polypeptidiketjuun. Glysiinillä ei ole lainkaan sivuketjua vain toinen α-hiileen kiinnittynyt vetyatomi. Se ei osoita voimakasta polaarista luonnetta tai elektronegatiivisuutta, se nähdään tyypillisesti paikoissa, joissa polypeptidiketjun osat taipuvat ja tulevat lähelle toisiaan.
kysteiini on aminohappo, jonka tiedetään yleisesti vaikuttavan suuresti proteiinin rakenteeseen., Se on sulfhydryyliryhmän vastuussa muodostumista disulfidisidoksia, jotka vakauttaa korkea-asteen rakenne proteiineja ja edistää merkittävästi molekyyli toimintoja, jotka opit myöhemmin tässä tekstissä.
toissijainen rakenne ja kaikki silmukat
Mistä tiedämme, mitä proteiineja todella näyttää, kun ne on taitettu? On olemassa kaksi menetelmää, joiden avulla voimme kurkistaa proteiinin rakenteeseen; Röntgendiffraktio ja ydinmagneettinen resonanssi (NMR)., Röntgendiffraktiomenetelmä tuottaa kolmiulotteisen käyräkartan proteiinikiteen elektroneista sen perusteella, miten röntgensäteet pomppivat kulkiessaan näytteen läpi. NMR mittaa proteiinien välisen etäisyyden tyydyttyneessä liuoksessa ja tietoa tilarajoitteista käytetään kunkin proteiinin kertarakenteiden määrittämiseen. Nämä kaksi testiä yhdessä auttavat meitä ymmärtämään, mikä proteiinin taitettu muoto on.
proteiinin muoto määräytyy yksinomaan polypeptidiketjun aminohappojärjestyksen mukaan. Aivan, se on aivan kuin DNA, ainutlaatuinen koodi tekee ainutlaatuisen suunnittelun., Proteiinien taitto on seurausta aminohappojen sivuketjujen fyysisistä ominaisuuksista ja niiden vuorovaikutuksista ympäröivään ympäristöön. Proteiineja taita energiatehokkain muoto kutsutaan native valtion useita vaiheita tai tasoja proteiinien rakenne.
proteiinin taitto ja arkkitehtuuri
altistuessaan ER: n sytosolin tai lumenin olosuhteille polypeptidiketjut olettavat sekundäärirakenteeksi kutsuttua paikallista organisaatiota, joka optimoi aminohappojen sivuketjujen ja veden väliset vuorovaikutukset., Polypeptidirunko taittuu spiraaleiksi ja nauhoiksi α-heliksistä ja β-arkeista. Sekä α-helix että β-arkki ovat polypeptidin segmenttejä, joilla on säännöllinen geometria ja jotka on terästetty yhdessä hellävaraisten ja ei-niin-hellävaraisten kierrosten kanssa ja erotettu vähemmän järjestäytyneillä silmukoilla.
Alfa-helix on rakenne, joka pakkaa α-hiilivetyjä pyörimisliikkeen avulla suotuisat kulmat vahvan vetysidoksen ja sivuketjujen tiiviiden pakkausten muodostamiseen. Beetalevyt ovat litteitä rakenteita, jotka koostuvat useista β-säikeistä, jotka sitoutuvat viereisiin β-säikeisiin vetysidoksen kautta., Β-arkeissa polypeptidiketju voi kulkea samassa (yhdensuuntaisessa) tai vastakkaiseen suuntaan (yhdensuuntaisessa). Vetysidokset ovat stabiilimpia, kun β-arkissa on yhdensuuntaisia eikä yhdensuuntaisia säikeitä. Rinnakkaislevyt hautautuvat yleensä proteiinirakenteen sisään. Toisiorakenteet on yhdistetty rakentamattomilla venytyksillä, jotka muodostavat useita silmukoita.
– asteen proteiinin rakenne
On monia tapoja toissijaisia rakenteita voidaan niputtaa yhteen suuren 3D-ristikko., Korkea-asteen proteiinin rakenne on kolmiulotteinen yhdistelmä α-heliksejä ja beeta-levyt, jotka taita vierekkäin seurauksena noncovalent vuorovaikutusta aminohappoja puolella ryhmiin ja ympäröivään yhden polypeptidi. Tässä vaiheessa proteiinit alkavat kiinteyttää rakenteitaan ylimääräisillä sidoksilla, kuten kahden kysteiinin välisillä disulfidisidoksilla. Tertiäärirakenteiden tärkein ominaisuus on sellaisten suojattujen alueiden läsnäolo,joilla on samankaltaisia funktionaalisia domeeneja., Tertiäärirakenteet eivät ole yhtä vakaita, ja itse asiassa useimmat niistä muuttavat muotoaan proteiinin elinaikana, usein moninkertaisesti. Konformaatiomuutokset näillä funktionaalisilla aloilla ovat proteiinin toiminnan perusta. Ne voivat olla pysyviä proteiinien taittelun ja kypsymisen aikana tai palautuvia ja toimia keinona säännellä proteiinin toimintaa reaktioasteikolla. Proteiinialueet ovat alueita, joilla on samanlainen aktiivisuus. Niillä ei välttämättä ole säilyvää sekvenssiä., Esimerkiksi fosfaattiryhmän liittämisestä vastaavalla kinaasialueella on erilainen muoto, ja sekvenssi riippuu substraatista, johon fosfaattiryhmä on kiinnittynyt. Domeeneja muodostavien sekundaarirakenteiden ei tarvitse sijaita peräkkäin polypeptidiketjussa. Ne saattavat olla jopa useiden eri polypeptidien osia multimeeristen proteiinien tapauksessa.
– Aiheita ovat alaryhmä toiminnallinen verkkotunnuksia, jotka ovat evolutiivisesti konservoituneita sekvenssejä, heille, tietenkin, säilynyt muoto., Yksi esimerkki, rulla-kela kuviot ovat hyvin säännöllinen päällysrakenteet kaksi α-heliksejä pariksi muodostaa kuitu-kokoonpano, joka on perusta vakaa dimeerit. Yleensä, on olemassa kaksi samanlaista α-heliksejä kiedottu toistensa vasenkätinen rakenne ja vakiintunut hydrofobinen vuorovaikutus. Α-helixin sivuketjujen väliset intermolekulaariset ionisidokset, 3,6 jäämät toisistaan, antavat hydrofobisille jäämille tilaa vuorovaikutuksessa samankaltaisen motiivin kanssa vastapuolen proteiinissa.,
kvaternaarinen rakenne
kvaternaarinen rakenne on seurausta kahden tai useamman polypeptidin kokoonpanosta yhdeksi funktionaaliseksi multimeeriseksi proteiiniksi. Alayksikön kootaan vuorovaikutus verkkotunnuksia tai alueiden proteiinia ja pitää yhdessä hydrofobiset vuorovaikutukset (kaksi märkä peilit) ja disulfidi joukkovelkakirjalainoja., Jos alayksikön on sama rakenne on kuvattu etuliite homo ja jos he ovat eri etuliite hetero (kuten lihasten glykogeenin sulkeutuu homodimer tai kuten heterotrimeric G proteiineja)
Solunsisäisiä prosesseja, kuten signalointi riippuu vuorovaikutus molekyylien välillä. Mitä paremmin molekyyli sopii kahden molekyylin välille, sitä enemmän sidoksia ne voivat muodostaa tai sitä voimakkaampi vuorovaikutus (affiniteetti niiden välillä). Geenin sanelema aminohappojärjestys ja toisaalta aminohappojen sivuketjujen ominaisuudet ratkaisevat muodon ja vuorostaan vuorovaikutukset.