โครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนคือวิธีการพับสายโซ่โพลีเปปไทด์ในพื้นที่สามมิติ โครงสร้างนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการก่อตัวของพันธะเคมีระหว่างอนุมูลของกรดอะมิโนที่อยู่ห่างไกลจากกันและกัน กระบวนการนี้ดำเนินการโดยการมีส่วนร่วมของกลไกระดับโมเลกุลของเซลล์และมีบทบาทสำคัญในการสร้างกิจกรรมการทำงานของโปรตีน
คุณสมบัติของโครงสร้างตติย
ปฏิกิริยาเคมีประเภทต่อไปนี้เป็นลักษณะของโครงสร้างระดับอุดมศึกษาของโปรตีน:
- อิออน;
- ไฮโดรเจน
- ไม่ชอบน้ำ;
- แวนเดอร์วาลส์;
- ไดซัลไฟด์
พันธะทั้งหมดเหล่านี้ (ยกเว้นโควาเลนต์ไดซัลไฟด์) นั้นอ่อนแอมาก แต่เนื่องจากปริมาณที่พวกมันทำให้รูปร่างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลมีเสถียรภาพ
อันที่จริง การพับชั้นที่สามของสายโพลีเปปไทด์เป็นการรวมองค์ประกอบต่างๆ ของโครงสร้างทุติยภูมิ (α-helices; ชั้นจีบ β และลูป) ซึ่งถูกวางในอวกาศเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างอนุมูลของกรดอะมิโนด้านข้าง ในการแสดงแผนผังโครงสร้างระดับอุดมศึกษาของโปรตีน α-helices จะถูกระบุด้วยรูปทรงกระบอกหรือเส้นเกลียว พับชั้นด้วยลูกศร และวนเป็นเส้นธรรมดา
ธรรมชาติของโครงสร้างระดับอุดมศึกษาถูกกำหนดโดยลำดับของกรดอะมิโนในสายโซ่ ดังนั้นโมเลกุลสองโมเลกุลที่มีโครงสร้างหลักเหมือนกันภายใต้สภาวะที่เท่ากันจะสอดคล้องกับตัวแปรของการบรรจุเชิงพื้นที่แบบเดียวกัน รูปแบบนี้ช่วยรับรองการทำงานของโปรตีนและเรียกว่าพื้นเมือง
ระหว่างการพับตัวของโมเลกุลโปรตีน ส่วนประกอบของ Active Center จะชิดกันมากขึ้น ซึ่งในโครงสร้างหลักสามารถแยกออกจากกันได้อย่างมีนัยสำคัญ
สำหรับโปรตีนสายเดี่ยว โครงสร้างตติยภูมิเป็นรูปแบบการทำงานขั้นสุดท้าย โปรตีนหลายหน่วยย่อยที่ซับซ้อนสร้างโครงสร้างควอเทอร์นารีที่อธิบายลักษณะการจัดเรียงของหลายสายสัมพันธ์กัน
ลักษณะพิเศษของพันธะเคมีในโครงสร้างตติยภูมิของโปรตีน
โดยมาก การพับของสายโซ่โพลีเปปไทด์นั้นเกิดจากอัตราส่วนของอนุมูลที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ แบบแรกมีแนวโน้มที่จะมีปฏิสัมพันธ์กับไฮโดรเจน (องค์ประกอบของน้ำ) และดังนั้นจึงอยู่บนผิวน้ำ ในขณะที่บริเวณที่ไม่ชอบน้ำจะพุ่งไปที่ศูนย์กลางของโมเลกุล รูปแบบนี้เป็นที่ชื่นชอบมากที่สุดอย่างกระฉับกระเฉง ที่ผลที่ได้คือลูกกลมที่มีแกนไม่ชอบน้ำ
ไฮโดรฟิลิกแรดิคัลซึ่งตกลงมาที่ศูนย์กลางของโมเลกุล มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันเพื่อสร้างพันธะไอออนิกหรือไฮโดรเจน พันธะไอออนิกสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างอนุมูลอิสระของกรดอะมิโนที่มีประจุตรงข้าม ซึ่งได้แก่:
- หมู่ประจุบวกของอาร์จินีน ไลซีนหรือฮิสติดีน (มีประจุเป็นบวก);
- กลุ่มคาร์บอกซิลของกลูตามิกและกรดแอสปาร์ติก (มีประจุลบ)
พันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของพันธะ (OH, SH, CONH2) และกลุ่มที่ชอบน้ำที่มีประจุ พันธะโควาเลนต์ (ที่แข็งแกร่งที่สุดในรูปแบบตติยภูมิ) เกิดขึ้นระหว่างกลุ่ม SH ของซิสเทอีนที่ตกค้างซึ่งก่อตัวเป็นสะพานไดซัลไฟด์ที่เรียกว่า โดยปกติ กลุ่มเหล่านี้จะเว้นระยะห่างกันในสายโซ่เชิงเส้นและเข้าหากันเฉพาะระหว่างกระบวนการวางซ้อนเท่านั้น พันธะไดซัลไฟด์ไม่ใช่ลักษณะของโปรตีนภายในเซลล์ส่วนใหญ่
ฉลากตามรูปแบบ
เนื่องจากพันธะที่สร้างโครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนอ่อนแอมาก การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอะตอมในสายกรดอะมิโนจึงสามารถแตกตัวและก่อตัวในตำแหน่งใหม่ได้ สิ่งนี้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในรูปทรงเชิงพื้นที่ของแต่ละส่วนของโมเลกุล แต่ไม่ละเมิดโครงสร้างดั้งเดิมของโปรตีน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า lability เชิงโครงสร้าง หลังมีบทบาทสำคัญในสรีรวิทยาของกระบวนการเซลล์
โครงสร้างโปรตีนได้รับอิทธิพลจากการมีปฏิสัมพันธ์กับผู้อื่นโมเลกุลหรือการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ทางกายภาพและเคมีของตัวกลาง
โครงสร้างระดับตติยภูมิของโปรตีนเกิดขึ้นได้อย่างไร
กระบวนการพับโปรตีนให้อยู่ในรูปแบบดั้งเดิมเรียกว่าการพับ ปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับความปรารถนาของโมเลกุลในการปรับโครงสร้างโดยมีค่าพลังงานอิสระขั้นต่ำ
โปรตีนไม่ต้องการครูคนกลางที่จะกำหนดโครงสร้างระดับอุดมศึกษา รูปแบบการวางเริ่มแรก "บันทึก" ในลำดับกรดอะมิโน
อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะปกติ เพื่อให้โมเลกุลโปรตีนขนาดใหญ่ใช้รูปแบบดั้งเดิมที่สอดคล้องกับโครงสร้างปฐมภูมิ จะใช้เวลามากกว่าหนึ่งล้านล้านปี อย่างไรก็ตาม ในเซลล์ที่มีชีวิต กระบวนการนี้ใช้เวลาเพียงสองสามสิบนาที การลดเวลาอย่างมีนัยสำคัญดังกล่าวเกิดจากการมีส่วนร่วมในการพับโปรตีนเสริมพิเศษ - พับและพี่เลี้ยง
การพับตัวของโมเลกุลโปรตีนขนาดเล็ก (มีกรดอะมิโนมากถึง 100 ตัวในสายโซ่) เกิดขึ้นค่อนข้างรวดเร็วและปราศจากการมีส่วนร่วมของตัวกลาง ซึ่งแสดงให้เห็นโดยการทดลองในหลอดทดลอง
ปัจจัยพับ
โปรตีนเสริมที่เกี่ยวข้องกับการพับแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:
- foldases - มีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจำเป็นในปริมาณที่ต่ำกว่าความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างมีนัยสำคัญ (เช่นเอนไซม์อื่นๆ)
- chaperones - โปรตีนที่มีกลไกการทำงานที่หลากหลาย ต้องการความเข้มข้นเทียบเท่ากับปริมาณของซับสเตรตที่พับเก็บ
ปัจจัยทั้งสองประเภทมีส่วนร่วมในการพับ แต่ไม่รวมอยู่ในสินค้าขั้นสุดท้าย
กลุ่มของ foldases มี 2 เอ็นไซม์:
- โปรตีนไดซัลไฟด์ไอโซเมอเรส (PDI) - ควบคุมการสร้างพันธะไดซัลไฟด์ที่ถูกต้องในโปรตีนที่มีซิสเทอีนตกค้างจำนวนมาก ฟังก์ชันนี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากปฏิกิริยาของโควาเลนต์นั้นรุนแรงมาก และในกรณีที่มีการเชื่อมต่อที่ผิดพลาด โปรตีนจะไม่สามารถจัดเรียงตัวเองใหม่และใช้รูปแบบดั้งเดิมได้
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - ให้การเปลี่ยนแปลงการกำหนดค่าของอนุมูลที่อยู่ด้านข้างของโพรลีน ซึ่งจะเปลี่ยนลักษณะของการโค้งงอของสายโซ่โพลีเปปไทด์ในบริเวณนี้
ดังนั้น พับมีบทบาทแก้ไขในการสร้างโครงสร้างระดับอุดมศึกษาของโมเลกุลโปรตีน
พี่เลี้ยง
พี่เลี้ยงเรียกอีกอย่างว่าความร้อนช็อกหรือโปรตีนความเครียด เนื่องจากมีการหลั่งเพิ่มขึ้นอย่างมากในระหว่างผลกระทบต่อเซลล์ (อุณหภูมิ การแผ่รังสี โลหะหนัก ฯลฯ)
พี่เลี้ยงอยู่ในกลุ่มโปรตีนสามตระกูล: hsp60, hsp70 และ hsp90 โปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่หลายอย่าง รวมถึง:
- ปกป้องโปรตีนจากการเสื่อมสภาพ
- การยกเว้นปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนสังเคราะห์ใหม่ระหว่างกัน
- ป้องกันการก่อตัวของพันธะที่อ่อนแอที่ไม่ถูกต้องระหว่างอนุมูลและการ labialization ของพวกมัน (แก้ไข)
ดังนั้น พี่เลี้ยงมีส่วนทำให้ได้รูปแบบที่ถูกต้องอย่างรวดเร็ว ไม่รวมการสุ่มแจงนับตัวเลือกมากมายและการปกป้องที่ยังไม่สุกงอมโมเลกุลโปรตีนจากปฏิสัมพันธ์ที่ไม่จำเป็นซึ่งกันและกัน นอกจากนี้ พี่เลี้ยงยังจัดเตรียม:
- การขนส่งโปรตีนบางประเภท;
- ควบคุมการพับกลับ (การฟื้นฟูโครงสร้างตติยภูมิหลังการสูญเสีย);
- รักษาสภาพพับที่ยังไม่เสร็จ (สำหรับโปรตีนบางชนิด)
ในกรณีหลัง โมเลกุลพี่เลี้ยงยังคงจับกับโปรตีนเมื่อสิ้นสุดกระบวนการพับ
การเสื่อมสภาพ
การละเมิดโครงสร้างระดับอุดมศึกษาของโปรตีนภายใต้อิทธิพลของปัจจัยใด ๆ เรียกว่า denaturation การสูญเสียโครงสร้างดั้งเดิมเกิดขึ้นเมื่อพันธะอ่อนจำนวนมากที่ทำให้โมเลกุลเสถียรถูกทำลาย ในกรณีนี้ โปรตีนจะสูญเสียหน้าที่จำเพาะ แต่ยังคงโครงสร้างหลักของมันไว้ (พันธะเปปไทด์จะไม่ถูกทำลายในระหว่างการแปลงสภาพ)
ในระหว่างการแปลงสภาพ โมเลกุลโปรตีนจะมีพื้นที่เพิ่มขึ้น และพื้นที่ที่ไม่ชอบน้ำก็ปรากฏขึ้นอีกครั้ง ห่วงโซ่โพลีเปปไทด์ได้มาซึ่งโครงสร้างของขดลวดสุ่ม ซึ่งรูปร่างจะขึ้นอยู่กับพันธะของโครงสร้างระดับอุดมศึกษาของโปรตีนที่ถูกทำลาย ในรูปแบบนี้ โมเลกุลจะไวต่อผลกระทบของเอนไซม์สลายโปรตีนมากกว่า
ปัจจัยที่ฝ่าฝืนโครงสร้างตติย
มีอิทธิพลทางกายภาพและทางเคมีหลายอย่างที่อาจทำให้เกิดการเสียสภาพ ซึ่งรวมถึง:
- อุณหภูมิสูงกว่า 50 องศา;
- รังสี;
- เปลี่ยน pH ของตัวกลาง;
- เกลือโลหะหนัก;
- สารประกอบอินทรีย์บางชนิด;
- ผงซักฟอก
หลังจากสิ้นสุดเอฟเฟกต์การเสียสภาพ โปรตีนสามารถฟื้นฟูโครงสร้างระดับตติยภูมิได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการปรับสภาพใหม่หรือการพับใหม่ ภายใต้สภาวะในหลอดทดลอง เป็นไปได้เฉพาะสำหรับโปรตีนขนาดเล็กเท่านั้น ในห้องขังที่มีชีวิต พี่เลี้ยงจะทำการพับใหม่
