struktura i funkcja białka
białka są budulcem struktur komórkowych i motorami aktywności komórkowej. Mają one charakter modułowy, a ich interakcje z innymi cząsteczkami w komórce zależą od obecności określonych domen funkcjonalnych. O funkcji decyduje precyzyjny kształt domeny, wynikający z obecności wiązań nie kowalencyjnych między pozostałościami w łańcuchu polipeptydowym., Najbardziej znanym przykładem relacji kształt-funkcja jest teoria” klucza i zamka ” funkcji enzymatycznej. Zmiana kieszeni enzymatycznej, spowodowana mutacją lub modyfikacją pozostałości aminokwasu, zmienia powinowactwo i / lub swoistość enzymu. Krótko mówiąc, im lepsze dopasowanie między dwiema cząsteczkami, tym lepiej działa, tym więcej wiązań można wykonać, tym szybciej sygnał może przejść lub silniejsze dwie cząsteczki łączą się (pomyśl o cząsteczkach adhezyjnych).
konformacja 3D białka zależy od interakcji między aminokwasami w łańcuchu polipeptydowym., Ponieważ sekwencja aminokwasów zależy od kodu genetycznego, kształt białka jest kodowany w DNA. Białka mają cztery poziomy organizacji. Struktura pierwotna odnosi się do liniowej sekwencji aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Struktura wtórna polega na miejscowym zapakowaniu łańcucha polipeptydowego w α-helisy i β-arkusze dzięki wiązaniom wodorowym pomiędzy wiązaniem peptydowym – centralnym szkieletem węgla. Struktura trzeciorzędowa (3D) jest kształtem powstałym w wyniku fałdowania struktur drugorzędowych określonych przez interakcje między łańcuchami bocznymi aminokwasów., Struktura czwartorzędowa opisuje rozmieszczenie łańcuchów polipeptydowych w układzie wielu podjednostek.
Ten film pokazuje 4 poziomy struktury białka.
zaadaptowany z banku danych RCSBProtein na licencji CC-BY
wszystko, co jest potrzebne, aby nadać białkowi unikalny kształt, a zatem unikalną funkcję, jest „zapisywane” w fragmencie DNA znanym jako gen. Za każdym razem, gdy gen jest transkrybowany, przez cały okres życia komórki lub w dowolnej komórce, która ma to samo DNA, naturalne lub rekombinowane, białka pojawiają się podobnie i przyjmują zaprogramowaną funkcję.,
pierwotna struktura białek
białka są najważniejszą i najbardziej wszechstronną klasą makrocząsteczek w komórce. Role odgrywane przez te cząsteczki obejmują wszystko, od transportu składników odżywczych, katalizujących reakcje biochemiczne do bycia strukturalnymi składnikami komórek lub silników molekularnych. Białka są liniowymi polimerami aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Są one syntetyzowane z nici wzorcowej DNA i zawierają unikalne i specyficzne sekwencje aminokwasów w postaci liniowej znanej jako struktura pierwotna.,
tylko dwadzieścia aminokwasów jest niezbędnych i wystarczających do wytworzenia tysięcy białek w komórce. To nie znaczy, że jest tylko dwadzieścia aminokwasów. Jest to powszechne błędne przekonanie. Istnieją niezliczone aminokwasy, które istnieją na świecie, ale są one zaangażowane w inne reakcje metaboliczne, ale nie syntezę białek. To, w jaki sposób poszczególne białko uzyskuje swoją tożsamość, polega na uporządkowanej kombinacji aminokwasów, która określa wszystkie jego cechy.
aminokwasy połączone wiązaniem peptydowym nazywane są łańcuchem polipeptydowym., Łańcuch polipeptydowy składa się z sekwencji aminokwasów dyktowanych przez gen. Sekwencja łańcuchów aminokwasowych zapewnia różnorodność niezbędną do spełnienia wymagań życia. Zachowanie określonych sekwencji białek jest tak ważne, że komórka ma mechanizmy regulacyjne w miejscu, aby zapewnić, że tylko doskonałe białka są produkowane. Każda oddzielna sekwencja ma unikalny porządek, który przekazuje bardzo unikalną funkcję. Gdyby zmienić jeden układ łańcucha, to łańcuch miałby zupełnie inną funkcję., Funkcja białka może być zagrożona lub całkowicie utracona, jeśli sekwencja jest nie w porządku. Ale nie wszystkie mutacje lub modyfikacje białek prowadzą do katastrofalnych konsekwencji. Niektóre z nich sprawiają, że komórka i organizm lepiej dostosowują się do presji środowiska, procesu, który znasz jako ewolucję.
właściwości aminokwasów i ich różnice w łańcuchach bocznych
aminokwasy mają tę samą strukturę zasadową, co jest ważne dla prawidłowego tworzenia wiązań chemicznych między sąsiadującymi cząsteczkami. Każdy aminokwas ma centralny węgiel oznaczony jako α-węgiel., Α-węgiel ma zawsze następujące cztery grupy:
- –NH2 zasadowa grupa aminowa
- –COOH Grupa kwasowa (znana jako grupa karboksylowa)
- –H atom wodoru
- –r łańcuch boczny
-r symbolizuje zmienny łańcuch boczny, który jest jedyną grupą chemiczną różniącą się między wszystkimi dwudziestoma aminokwasami. Zasadniczo łańcuch boczny sprawia, że aminokwas jest unikalny i może być uważany za jego odcisk palca.,
najważniejszą właściwością aminokwasów, która wpływa na fałdowanie, a następnie funkcję całej cząsteczki białka, jest ich znana i przewidywalna interakcja z wodą. Aminokwasy można zatem podzielić na grupy hydrofilowe i hydrofobowe. Hydrofobowe, inaczej niepolarne, aminokwasy mają nasycone węglowodory jako swoje łańcuchy boczne. Aminokwasy te to alanina, walina, metionina, leucyna i izoleucyna oraz dwa aminokwasy z pierścieniami aromatycznymi tryptofan i fenyloalanina., Hydrofobowe, niepolarne aminokwasy odgrywają zasadniczą rolę w fałdowaniu białek, ponieważ mają tendencję do zbierania się i grudania z dala od wody. Aminokwasy te zwykle tworzą domeny transmembrane i znajdują się głęboko zakopane w hydrofobowym wnętrzu większości białek kulistych.
aminokwasy hydrofilowe łatwo oddziałują z wodą. Grupa ta obejmuje aminokwasy, które jonizują się i stają się naładowane elektrycznie (zarówno ujemnie, jak i dodatnio) po dysocjacji oraz aminokwasy, które są polarne, ale nie naładowane., Aminokwasy, które mają łańcuchy boczne z grupą karboksylową oprócz grupy karboksylowej przy α-węglu używanym do tworzenia wiązania peptydowego, przenoszą ładunek ujemny. Pozostałości te to kwas glutaminowy i kwas asparaginowy-zauważ, że ich nazwy zawierają w rzeczywistości termin „kwas” ze względu na obecność dwóch grup karboksylowych.
łańcuchy boczne lizyny, argininy i histydyny mają silne grupy podstawowe i są dodatnio naładowane. Hydrofilowe aminokwasy, które są polarne, ale nie naładowane, to asparagina, glutamina, seryna, treonina i tyrozyna., Hydrofilowe i naładowane łańcuchy boczne aminokwasów są eksponowane na powierzchni białka i są szczególnie rozpowszechnione w kieszeniach enzymatycznych lub cząsteczkach transportowych. Odsłonięte ładunki elektryczne przekazują naturę i aktywność białka innym cząsteczkom i działają jak magnesy przyciągające podobne siły do interakcji.
kilka aminokwasów przyczynia się do budowy białka dzięki unikalnym cechom charakterystycznym dla ich łańcuchów bocznych. Struktura proliny różni się od innych aminokwasów tym, że jej łańcuch boczny jest związany z azotem, a także z centralnym węglem., Aminokwas ten jest chemicznie niereaktywny (hydrofobowy), ale ze względu na pięcioczłonowy pierścień zakłóca geometrię składającego się białka, powodując nagłe zmiany w konformacji, fizycznie wprowadzając załamania i zakręty do łańcucha polipeptydowego. Glicyna nie ma łańcucha bocznego w ogóle tylko drugi atom wodoru przyłączony do α-węgla. Nie wykazując silnego polarnego charakteru lub elektroujemności, jest zwykle postrzegany w miejscach, w których części łańcucha polipeptydowego zginają się i zbliżają do siebie.
Cysteina jest aminokwasem powszechnie znanym z tego, że w znacznym stopniu wpływa na strukturę białek., Ma grupę sulfhydrylową odpowiedzialną za tworzenie wiązań dwusiarczkowych, które stabilizują trzeciorzędową strukturę białek i w znacznym stopniu przyczyniają się do funkcji molekularnych, o których dowiesz się w dalszej części tego tekstu.
struktura wtórna i wszystkie pętle
skąd wiemy, jak naprawdę wyglądają białka po złożeniu? Istnieją dwie metody pozwalające spojrzeć na strukturę białka; dyfrakcja rentgenowska i magnetyczny rezonans jądrowy (NMR)., Metoda dyfrakcji rentgenowskiej tworzy trójwymiarową mapę konturową elektronów w krysztale białkowym opartą na tym, jak promienie rentgenowskie odbijają się, gdy przechodzą przez próbkę. NMR mierzy odstępy między białkami w nasyconym roztworze, a informacja o ograniczeniach przestrzennych jest używana do określenia struktur fałdowych każdego białka. Te dwa testy razem pomagają nam zrozumieć, czym jest złożony kształt białka.
kształt białka zależy wyłącznie od sekwencji aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. To prawda; to jest tak jak DNA, unikalny kod tworzy unikalny projekt., Fałdowanie białek jest wynikiem właściwości fizycznych łańcuchów bocznych aminokwasów i ich interakcji z otoczeniem wokół nich. Białka składają się w najbardziej energooszczędny kształt zwany native state w kilku krokach lub poziomach w strukturze białka.
fałdowanie i architektura białek
po wystawieniu na działanie warunków w cytozolu lub świetle ER łańcuchy polipeptydowe przyjmują miejscową organizację zwaną strukturą wtórną, która optymalizuje interakcje między łańcuchami bocznymi aminokwasów ze sobą i wodą., Kręgosłup polipeptydu składa się na spirale i wstążki odpowiednio α-helisy i β-arkusze. Zarówno α-helisa, jak i β-arkusz są segmentami polipeptydu, które mają regularną geometrię i są splecione razem z łagodnymi i niezbyt łagodnymi skrętami i oddzielone mniej zorganizowanymi pętlami.
helisa Alfa jest strukturą, która pakuje α-węgle z obrotem zapewniającym korzystne kąty dla tworzenia silnego wiązania wodorowego i szczelnego pakowania łańcuchów bocznych. Arkusze Beta są płaskimi strukturami złożonymi z kilku pasm β połączonych z sąsiednimi pasmami β poprzez wiązanie wodorowe., W β-arkuszach łańcuch polipeptydowy może przebiegać w tym samym (równoległym) lub w przeciwnym kierunku (anty-równoległym). Wiązania wodorowe są bardziej stabilne, gdy arkusz β ma pasma antyrównoległe, a nie równoległe. Równoległe arkusze mają tendencję do zakopywania się wewnątrz struktury białka. Struktury wtórne są połączone niestrukturalnymi odcinkami tworzącymi wiele pętli.
trzeciorzędowa struktura białka
istnieje wiele sposobów, w jaki struktury drugorzędowe mogą wiązać się ze sobą w dużą siatkę 3D., Trzeciorzędowa struktura białka jest trójwymiarową kombinacją α-Helis i β-arkuszy, które składają się obok siebie w wyniku nienowartościowych interakcji między grupami bocznymi aminokwasów a środowiskiem otaczającym pojedynczy polipeptyd. Na tym etapie białka zaczynają krzepnąć swoją strukturę przez dodatkowe wiązania, takie jak wiązania dwusiarczkowe między dwiema cysteinami. Najważniejszą cechą trzeciorzędowych struktur jest obecność zachowanych regionów o podobnych funkcjach znanych jako domeny funkcjonalne., Struktury trzeciorzędowe są mniej stabilne, a w rzeczywistości większość z nich zmienia kształt w trakcie życia białka, często wielokrotnie. Zmiany konformacyjne w obrębie tych domen funkcjonalnych są podstawą funkcji białka. Mogą być trwałe podczas składania i dojrzewania białek lub odwracalne i służyć jako sposób regulacji aktywności białek w skali reakcji po reakcji. Domeny białkowe są regionami o podobnej aktywności. Niekoniecznie mają zachowaną sekwencję., Na przykład domena kinazy, odpowiedzialna za przyłączenie grupy fosforanowej, ma inny kształt i sekwencję, zależną od substratu, do którego przyłączona jest grupa fosforanowa. Struktury drugorzędowe tworzące domeny nie muszą leżeć kolejno w łańcuchu polipeptydowym. Mogą być nawet częścią kilku różnych polipeptydów w przypadku białek wielomerycznych.
motywy są podgrupą domen funkcjonalnych, które mają ewolucyjnie zachowane sekwencje, nadając im oczywiście zachowany kształt., Jednym z przykładów, zwojowe motywy są bardzo regularnymi nadbudówkami dwóch Helis α sparowanych, tworząc konfigurację włóknistą, która jest podstawą stabilnych dimerów. Zwykle istnieją dwie identyczne α-helisy owinięte wokół siebie w konformację leworęczną i stabilizowane przez oddziaływania hydrofobowe. Międzycząsteczkowe wiązania jonowe między łańcuchami bocznymi w α-helisie, oddalone od siebie o 3,6 reszt, dają przestrzeń pozostałości hydrofobowych do interakcji z podobnym motywem na przeciwstawnym białku.,
struktura czwartorzędowa
struktura czwartorzędowa jest wynikiem połączenia dwóch lub więcej polipeptydów w jedno funkcjonalne białko multimeryczne. Podjednostki są montowane przez interakcje między domenami lub regionami w białku i utrzymywane razem przez interakcje hydrofobowe (dwa mokre zwierciadła) i wiązania dwusiarczkowe., Jeśli podjednostki są takie same, struktura jest opisana z przedrostkiem homo, a jeśli są różne z przedrostkiem hetero (jak w glikogenie mięśni fosforylazy homodimeru lub jak w heterotrimerycznych białkach G)
procesy wewnątrzkomórkowe, takie jak sygnalizacja, zależą od interakcji między cząsteczkami. Im lepsze dopasowanie molekularne między dwiema cząsteczkami, tym więcej wiązań mogą tworzyć, lub silniejsze interakcje (powinowactwo między nimi). Sekwencja aminokwasów podyktowana przez gen, a z kolei właściwości łańcuchów bocznych aminokwasów decydują o kształcie, a z kolei o oddziaływaniach.