proteinstruktur och funktion
proteiner är byggstenarna i cellstrukturer och motorer av cellulära aktiviteter. De är modulära i naturen och deras interaktioner med andra molekyler i cellen är beroende av närvaron av specifika funktionella domäner. Den exakta formen av domänen, till följd av närvaron av icke kovalenta bindningar mellan rester i en polypeptidkedja bestämmer om funktionen., Det mest kända exemplet på formfunktionsförhållandet är” key and lock ” – teorin om enzymatisk funktion. Förändringen av enzymatisk ficka, på grund av mutation eller modifiering av en aminosyrarester förändrar enzymets affinitet och/eller specificitet. Kort sagt, desto bättre passar mellan två molekyler, desto bättre fungerar det, desto fler bindningar kan göras, desto snabbare kan signalen passera, eller de starkare två molekylerna ansluta (tror vidhäftningsmolekyler).
proteinets 3D-konformation beror på interaktionerna mellan aminosyror i polypeptidkedjan., Eftersom sekvensen av aminosyrorna är beroende av den genetiska koden kodas proteinets form i DNA. Proteiner har fyra nivåer av organisation. Primär struktur avser den linjära sekvensen av aminosyrorna förbundna med peptidbindningarna. Den sekundära strukturen består av lokal förpackning av polypeptidkedja i α-helices och β-ark på grund av vätebindningar mellan peptidbindning – central kol ryggrad. Tertiär (3D) struktur är en form som härrör från vikning av sekundära strukturer som bestäms av interaktioner mellan sidokedjor av aminosyror., Quaternary struktur beskriver arrangemanget av polypeptidkedjorna i multi subenhet arrangemanget.
den här videon visar de 4 nivåerna av proteinstruktur.
är Anpassad från RCSBProtein Data Bank under CC-BY licens
Allt som behövs för att ge ett protein unik form och är därför en unik funktion är ”skriven” i ett fragment av DNA som kallas en gen. Varje gång en gen transkriberas, antingen under cellens livstid eller i någon cell som har samma DNA, naturligt eller rekombinant, dyker proteinerna upp lika och antar sin förprogrammerade funktion.,
primär struktur av proteiner
proteiner är den viktigaste och mångsidiga klassen av makromolekyler i cellen. Rollerna som spelas av dessa molekyler omfattar allt från transport av näringsämnen, katalyserar biokemiska reaktioner till att vara strukturella komponenter i celler eller molekylmotorer. Proteiner är linjära polymerer av aminosyror förbundna med peptidbindningar. De syntetiseras från mallsträngen av DNA och innehåller unika och specifika aminosyrasekvenser i en linjär form som kallas en primär struktur.,
endast tjugo aminosyror är nödvändiga och tillräckliga för att generera tusentals proteiner i en cell. Det betyder inte att det bara finns tjugo aminosyror. Detta är en vanlig missuppfattning. Det finns otaliga aminosyror som finns i världen, men de är involverade i andra metaboliska reaktioner men inte proteinsyntes. Hur individuellt protein får sin identitet ligger i den beställda kombinationen av aminosyror, som bestämmer alla dess egenskaper.
aminosyror som är förbundna med en peptidbindning kallas en polypeptidkedja., Polypeptidkedjan består av en sekvens av aminosyror dikterade av genen. En sekvens av aminosyrakedjorna ger mångfald avgörande för att möta livets krav. Bevarande av specifika proteinsekvenser är så viktigt att cellen har regleringsmekanismer på plats för att säkerställa att endast perfekta proteiner produceras. Varje separat sekvens har en unik ordning som förmedlar en mycket unik funktion. Om du skulle ändra ett enda arrangemang av kedjan, skulle den kedjan ha en helt annan funktion., Proteinfunktionen kan äventyras eller förloras helt om sekvensen är ur ordning. Men inte alla mutationer eller proteinmodifieringar leder till katastrofala konsekvenser. Några av dem gör cellen och organismen bättre anpassad till miljötryck, en process du känner som evolution.
egenskaper hos aminosyror och deras sidokedjeskillnader
aminosyror har samma basstruktur, vilket är viktigt för korrekt kemisk bindningsbildning mellan angränsande molekyler. Varje aminosyra har ett centralt kol som betecknas som α-kol., Α-kolet har alltid följande fyra grupper kopplade till det:
- – NH2 en grundläggande aminogrupp
- – COOH en sur grupp (känd som en karboxylgrupp)
- –h en väteatom
- –R en sidokedja
-r symboliserar den variabla sidokedjan, som är den enda kemiska gruppen som skiljer sig mellan alla tjugo aminosyror. I huvudsak sidokedjan gör aminosyran unik och kan ses som dess fingeravtryck.,
den viktigaste egenskapen hos aminosyror som påverkar vikningen och därefter funktionen hos hela proteinmolekylen är deras kända och förutsägbara interaktion med vatten. Aminosyror kan därför delas in i hydrofila och hydrofoba grupper. Hydrofoba, aka icke-polära aminosyror har mättade kolväten som deras sidokedjor. Dessa aminosyror är alanin, valin, metionin, leucin och isoleucin och två aminosyror med aromatiska ringar tryptofan och fenylalanin., Hydrofoba, icke-polära aminosyror spelar en viktig roll i proteinvikning eftersom de tenderar att rita ihop och klumpa bort från vatten. Dessa aminosyror bildar vanligtvis transmembrandomäner och finns djupt begravda i det hydrofoba interiören hos de flesta globulära proteiner.
hydrofila aminosyror interagerar lätt med vatten. Denna grupp innehåller aminosyror som joniserar och blir elektriskt laddade (både negativt och positivt) vid dissociation och aminosyror som är polära men oladdade., Aminosyror som har sidokedjor med en karboxylgrupp förutom karboxylgruppen vid α-kol som används vid bildandet av peptidbindning bär en negativ laddning. Dessa rester är glutaminsyra och asparaginsyra – märka deras namn innehåller faktiskt termen ”syra” på grund av närvaron av två karboxylgrupper.
sidokedjorna av lysin, arginin och histidin har starka grundläggande grupper och är positivt laddade. Hydrofila aminosyror som är polära men oladdade är asparagin, glutamin, serin, treonin och tyrosin., Hydrofila och laddade sidokedjor av aminosyror exponeras på proteinets yta och är särskilt utbredda i enzymatiska fickor eller transportmolekyler. De exponerade elektriska laddningarna förmedlar proteinets natur och aktivitet till andra molekyler och verkar som magneter som lockar liknande krafter att interagera.
flera aminosyror bidrar till proteinstrukturen på grund av unika egenskaper som är karakteristiska för deras sidokedjor. Strukturen av prolin skiljer sig från de andra aminosyrorna i det faktum att dess sidokedja är bunden till kväve såväl som det centrala kolet., Denna aminosyra är kemiskt icke-reaktiv (hydrofob), men på grund av sin femledade ring stör den geometrin hos ett vikningsprotein som orsakar abrupta skift till konformation genom att fysiskt införa kinks och böjar till en polypeptidkedja. Glycin har ingen sidokedja alls bara en andra väteatom fäst vid α-kolet. Inte uppvisar stark polär karaktär eller elektronegativitet, det ses vanligtvis på platser där delar av polypeptidkedjan böjer sig och kommer nära varandra.
cystein är en aminosyra som är allmänt känd för att påverka proteinstrukturen kraftigt., Den har en sulfhydrylgrupp som ansvarar för bildandet av disulfidbindningar som stabiliserar tertiär struktur av proteinerna och bidrar kraftigt till molekylära funktioner som du kommer att lära dig senare i denna text.
den sekundära strukturen och alla slingorna
hur vet vi vilka proteiner som verkligen ser ut när de viks? Det finns två metoder som gör det möjligt för oss att se in i proteinstrukturen; röntgendiffraktion och kärnmagnetisk resonans (NMR)., Röntgendiffraktionsmetoden ger en tredimensionell konturkarta av elektronerna i en proteinkristall baserat på hur röntgenstrålar studsar när de passerar genom provet. NMR mäter avståndet mellan proteiner i mättad lösning och information om utrymmesbegränsningar används för att bestämma vikstrukturer för varje protein. Dessa två tester tillsammans hjälper oss att förstå vad den vikta formen av ett protein är.
formen på ett protein bestäms enbart av aminosyrasekvensen i polypeptidkedjan. Det är rätt; det är precis som DNA, unik kod gör en unik design., Proteinvikning är resultatet av fysikaliska egenskaper hos aminosyrans sidokedjor och deras interaktioner med miljön runt dem. Proteiner viks in i den mest energieffektiva formen som kallas native state i flera steg eller nivåer i proteinstruktur.
proteinvikning och arkitektur
när de utsätts för förhållandena i er: s cytosol eller lumen antar polypeptidkedjor lokal organisation som kallas sekundär struktur som optimerar interaktioner mellan sidokedjor av aminosyror med varandra och vatten., Polypeptid-ryggraden viks i spiraler och band av α-helices respektive β-ark. Både α-helix och β-ark är segment av polypeptiden som har en regelbunden geometri och är spetsade tillsammans med mjuka och inte så mjuka varv och separerade av mindre organiserade slingor.
Alpha helix är en struktur som packar α-kol med rotation som ger gynnsamma vinklar för bildandet av stark vätebindning och tätt packning av sidokedjor. Beta-ark är plana strukturer som består av flera β-strängar bundna till de närliggande β-strängarna genom vätebindning., I β-ark kan polypeptidkedjan köras i samma (parallell) eller motsatt riktning (Anti-parallell). Vätebindningar är stabilare när β-arket har antiparallella snarare än parallella strängar. Parallella ark tenderar att begravas inuti proteinstrukturen. De sekundära strukturerna är förbundna med ostrukturerade sträckor som bildar flera slingor.
proteinets tertiära struktur
det finns många sätt som de sekundära strukturerna kan bunta ihop i en stor 3D-gitter., Tertiär struktur av proteinet är en tredimensionell kombination av α-helices och β-ark som viks bredvid varandra som ett resultat av icke-kovalenta interaktioner mellan aminosyrans sidogrupper och miljön som omger den enda polypeptiden. I detta skede börjar proteiner stelna sin struktur genom ytterligare bindningar, såsom disulfidbindningar mellan två cysteiner. Det viktigaste inslaget i tertiära strukturer är närvaron av bevarade regioner med liknande funktioner som kallas funktionella domäner., De tertiära strukturerna är mindre stabila, och de flesta av dem ändrar form under proteinets livstid, ofta flera gånger. Konformationsförändringar inom dessa funktionella domäner är grunden för proteinets funktion. De kan vara permanenta under proteinvikning och mognad eller reversibel och fungera som ett sätt att reglera proteinaktiviteten på en reaktion genom reaktionsskala. Proteindomäner är regioner med liknande aktivitet. De har inte nödvändigtvis en bevarad sekvens., Till exempel har en kinasdomän, ansvarig för att fästa fosfatgrupp en annan form, och sekvens, beroende på substratet fosfatgruppen är fäst vid. Sekundära strukturer som bildar domäner behöver inte ligga sekventiellt i en polypeptidkedja. De kan till och med vara delar av flera olika polypeptider vid multimera proteiner.
motiv är en undergrupp av funktionella domäner som har evolutionärt bevarade sekvenser, vilket ger dem naturligtvis bevarad form., Ett exempel, coiled-coil motiv är mycket vanliga överbyggnader av två α-helices parade upp för att bilda den fibrösa konfigurationen som är basen av stabila dimrar. Vanligtvis finns det två identiska α-helices lindade runt varandra i en vänsterhänt konformation och stabiliseras av hydrofoba interaktioner. Intermolekylära jonbindningar mellan sidokedjor i en α-helix, 3.6 rester från varandra, ger hydrofoba rester utrymme att interagera med ett liknande motiv på det motsatta proteinet.,
kvartär struktur
kvartärstrukturen är ett resultat av en sammansättning av två eller flera polypeptider i ett funktionellt multimerprotein. Subenheter är sammansatta av interaktioner mellan domäner eller regioner i proteinet och hålls samman av hydrofoba interaktioner (två våta speglar) och disulfidbindningar., Om subenheterna är desamma beskrivs strukturen med prefixet homo och om de skiljer sig från prefixet hetero (som i muskelglykogenfosforylashomodimer eller som i heterotrimera g-proteiner)
intracellulära processer såsom signalering beror på interaktionen mellan molekyler. Ju bättre den molekylära passformen mellan två molekyler desto fler bindningar de kan bilda, eller desto starkare interaktionen (affinitet mellan dem). Aminosyrasekvensen dikteras av en gen, och i sin tur egenskaper hos aminosyrans sidokedjor bestämma om formen och i sin tur om interaktioner.