Структура на белковините

Структура на белковините е тридимензионалниот распоред на атомите на полипептидната молекула. Полипептидот е полимер составен од низа на мономери, т.е. аминокиселини. Аминокиселинскиот мономер исто така се нарекува и остаток (односно аминокиселински остаток). Белковините настануваат при реакција на кондензација, во текот на која аминокиселините губат една молекула на вода и меѓусебно градат пептидни врски. По договор, низа со помалку од 30 аминокиселини се означува како пептид, наместо белковина.^[1] За да можат да ја вршат својата биолошка функција, белковините се склопуваат во една или повеќе специфични просторни конформации, кој процес е поттикнат од големиот број на не-ковалентни интеракции, како што се водородните врски, јонските интеракции, Ван дер Валсовите сили и хидрофобните интеракции. За да се разберат функциите на белковините на молекуларно ниво, често е неопходно да се утврди нивната тридимензионална структура. Ова е тема на истражување на структурната биологија, во која се употребуваат разни техники, како што се рендгенската кристалографија, NMR спектроскопијата и интерферометријата со двојна поларизацијата, за да се утврди структурата на белковините.

Сликата погоре содржи стисливи врски

Интерактивен дијаграм на белковинската структура; за пример е искористен PCNA.

Третичната структура на белковината се состои од начинот на формирање на полипептид од комплексна молекуларна форма. Ова е предизвикано од интеракции на Р-групата како што се јонски и водородни врски, дисулфидни мостови и хидрофобни и хидрофилни интеракции.

Опсегот на големини на белковинските структури варира од десетици до неколку илјади аминокиселини.^[2] Според физичката големина, која може да биде помеѓу 1-100 nm, белковините се класифицираат како наночестички. Во биолошките системи многу големи агрегати можат да бидат составени од белковински подединици. На пример, илјадници актински молекули се групираат за да формираат микрофиламент.

Белковините обично подлежат на повратни структурни промени во текот на вршењето на нивната биолошка функција. Алтернативните структури на истата белковина се означуваат како различни конформациони изомери, или, едноставно, конформации, а транзициите помеѓу нив се нарекуваат конформациони промени.

Нивоа на белковинска структура

Постојат четири различни нивоа на белковинска (белковинска) структура.

Првична структура

Главна статија: Првична структура на белковините

Првичната структура на белковините се однесува на низата на аминокиселини во полипептидниот синџир. Првичната структура се одржува од пептидните врски кои се создаваат во процесот на биосинтеза на белковините. Двата краја од полипептидниот синџир се нарекуваат карбоксилен терминал (C-терминал или C-крај) и амино терминал (N-терминал или N-крај) врз основа на природата на слободната група на секој од краевите на полипептидниот синџир. Броењето на аминокиселинските остатоци секогаш започнува од N-терминалниот крај (NH₂-групата), што претставува крајот каде аминогрупата не е вклучена во градење на пептидна врска. Првичната структура на белковината ја одредува генот кој кодира за таа белковина. Специфична низа на нуклеотиди во ДНК се транскрибира во иРНК, која ја чита рибозомот во процесот наречен транслација. Редоследот на аминокиселините во инсулинот бил откриен од Фредерик Сангер, кој утврдил дека белковините имаат точно определени аминокиселински низи.^[3][4] Низата на еден белковина е единствена за таа белковина и ја дефинира структурата и функцијата на таа белковина. Низата на белковината може да се определи со методи како што се Едманова деградација или тандемската масена спектрометрија. Сепак, честопати, таа се чита директно од генската низа со употреба на генетскиот код. Строго се препорачува да се користат зборовите „аминокиселински остатоци“ кога се дискутира за белковини, бидејќи при формирање на пептидна врска се губи молекула на вода, па затоа се вели дека белковините се составени од аминокиселински остатоци. Пост-транслационите модификации, како што се формирањето на дисулфидни врски, фосфорилациите и гликозилациите, исто така се сметаат за дел од првичната структура, иако не можат да се читаат од генот. На пример, инсулинот е составен од 51 аминокиселини во две полипептидни вериги. Едната верига има 31 аминокиселина, а другата има 20 аминокиселини.

Вторична структура

Главна статија: Вторична структура на белковините

Структура на α-завојница со водородни врски (жолти точки)

Вторичната структура се однесува на доста чести, локални потструктури кои се јавуваат на ’рбетот од полипептидниот синџир. Двата главни типа на вторична структура, α-завојница и β-нишка или β-плочи, биле предложени во 1951 година од страна на Лајнус Полинг и соработниците. Овие вторични структури се одредени од обрасци на водородни врски помеѓу пептидните групи на полипептидниот синџир. Тие имаат правилна геометрија, со ограничувања на специфични вредности на диедарските агли ψ и φ на Рамачандровиот дијаграм. И α-завојницата и β-плочата претставуваат начин на заситеност на сите дарители и акцептори на водородни врски во склоп на ’рбетот на полипептидниот синџир. Постојат и делови од белковините кои се подредени, но не во некоја од овие чести структури. Тие не треба да се мешаат со случајните навои (англ. random coil), кои се несклопени полипептидини синџири без фиксна тридимензионална структура. Неколку последователни вторични структури можат да формираат „супервторична единица“.^[5]

Третична структура

Главна статија: Третична структура на белковините

Третичната структура се однесува на тридимензионална структура на мономерни и мултимерни белковински молекули. α-завојниците и β-набраните-плочи се склопуваат во компактна глобуларна структура. Склопувањето е поттикнато од не-специфични хидрофобни интеракции, т.е. ориентацијата на хидрофобните остатоци кон внатрешноста на молекулата за да избегнат контакт со вода, но структурата е стабилна само кога деловите на белковинските домени се „замрзнуваат“ во одредени структури со помош на специфични третични интеракции, како што се солените мостови, водородните врски, јакото пакување на страничните ланци и дисулфидните врски. Дисулфидните врски се исклучително ретки кај цитоплазматските белковини, бидејќи цитоплазмата обично е редуцирачка средина.

Четвртична структура

Главна статија: Четвртична структура на белковините

Четвртичната структура е тридимензионална структура која ја чини агрегација на две или повеќе поединечни полипептиди синџири (подединици) кои се однесуваат како единствена функционална единица (мултимер). Резултирачкиот мултимер се стабилизира со истите не-ковалентни интеракции и дисулфидни врски кои се присутни во третичната структура. Постојат повеќе можни организации на четвртичната структура.^[6] Комплексите на две или повеќе полипептиди (т.е. повеќе подединици) се нарекуваат мултимери. Доколку комплексот содржи две подединици се нарекува димер, ако содржи три подединици се нарекува тример, тетрамер ако содржи четири подединици, пентамер ако содржи пет единици итн. Подединиците често се сродни една со друга преку операции на симетричност, како двојна оска во димер. Мултмерите кои се изградени од идентични подединици имаат имиња кои почнуваат со претставката „хомо-“ (на пр. хомотетрамер), а оние кои се изградени од различни подединици имаат имиња кои почнуваат со претставката „хетеро-“, на пример, хетеротетрамер, како што се двата алфа и двата бета ланци на хемоглобинот.

Домени, мотиви и склопови во белковинската структура

Белковински домени. Двете прикажани белковински структури споделуваат заеднички домен (темноцрвено).

Белковините често се состојат од неколку структурни единици. Овие единици ги вклучуваат домените, мотивите и склоповите (англ. folds). И покрај фактот што постојат околу 100.000 различни белковини кај еукариотските организми, бројот на различните домени, структурни мотиви и склопови е многу помал.

Структурни домен

Структурниот домен е елемент на целокупната белковинска структура кој е самостојно стабилен и често се склопува независно од остатокот на белковинскиот синџир. Повеќето домени не се уникатни за белковинските производи на еден ген или едно генско семејство, но се појавуваат во многу различни белковини. Домените често се именуваат и издвојуваат врз основа на нивната биолошка функција во белковината на која тие припаѓаат; на пример „калциум-врзувачки домен на калмодулин“. Бидејќи тие се независно стабилни, можат да бидат „разменети“ со генетско инженерство помеѓу две белковини за да се добие химерна белковина.

Структурен и низен мотив

Структурните и низните мотиви се кратки сегменти од тридимензионалната структура на белковините или аминокиселинските низи кои се наоѓаат во голем број на различни белковини.

Супервторична структура

Супервторична структура се однесува на одредена комбинација на елементи на вторичната структура, како што се β-α-β единиците или завојница-свиок-завојница мотивот. Некои од нив се нарекуваат и структурни мотиви.

Белковински склоп

Белковински склоп се однесува на општа белковинска архитектура, како завоен сноп, β-цилиндар, Розманов склоп или различни „склопови“, наведени во Базата на податоци за структурна класификација на белковините (англ. SCOP - Structural Classification of Proteins database).^[7] Сличен концепт е белковинска топологија кој се однесува на распоредот на врските во рамките на белковината.

Супердомен

Супердоменот се состои од два или повеќе сочувани домени со номинално независно потекло, но потоа наследени како една структурна/функционална единица.^[8] Пример за супердомен е белковинска тирозинска фосфатаза-C2 домен (PTP-C2) парот кај PTEN (анг. phosphatase and tensin homolog), тензинот, ауксилинот и мембранската белковина TPTE2. Овој супердомен се среќава во белковините на животните, растенијата и габите.

Склопување на белковините

Главна статија: Склопување на белковините

Во текот на транслацијата, полипептидот излегува од рибозомот како случаен навој и се склопува во својата нативна состојба.^[9] Бидејќи склопот е одреден од мрежата на интеракции помеѓу аминокиселините во полипептидот, конечната структура на белковинскиот ланец е детерминирана од неговата аминокиселинска низа (догма на Анфинсен).^[10]

Стабилност на белковините

Стабилноста на белковините зависи од неколку фактори како што се: 1) Нековалентни електростатички интеракции 2) Хидрофобни интеракции. Енергиите на овие интеракции се од редот на 20-40 kJ/mol.^[11] Белковините се многу чувствителни на промена на температурата што може да резултира со отклопување или денатурација. Белковинската денатурација може да резултира со губење на функцијата и губење на нативната состојба.

Рендгенската кристалографија и калориметријата покажуваат дека не постои општ механизам кој го опишува дејството на температурната промена на функциите и структурата на белковините. Ова се должи на фактот што белковините не претставуваат униформна класа на хемиски супстанци од енергетски аспект. Структурата и стабилноста на поединечна белковина зависи од односот на нејзините поларни и неполарни аминокиселински остатоци. Тие придонесуваат за конформационите и нето енталпиите на локалните и не-локалните интеракции.

Ако се земат предвид слабите меѓумолекулски интеракции одговорни за структурниот интегритет, тогаш е тешко да се предвиди ефектот на температурата, бидејќи постојат премногу непознати фактори кои придонесуваат за хипотетичката рамнотежа на слободните енергии и нејзината температурна зависност. Внатрешните солени мостови се одговорни за топлинска стабилност, а дали студените температури влијаат на дестабилизација на овие врски сè уште е непознато.

Во принцип, слободната енергија на стабилизација на водорастворливите глобуларни белковини не надминува 50-100 kJ/mol.^[12] Стабилизацијата е заснована на еквивалент на неколку водородни врски, јонски парови, или хидрофобни интеракции, иако бројни меѓумолекулски интеракции резултираат со стабилизација. Земајќи го предвид големиот број на водородни врски, кои се одговорни за стабилизацијата на вторичните структури, и стабилизацијата на внатрешното јадро со хидрофобни интеракции, слободната енергија на стабилизација излегува како мала разлика помеѓу големи броеви. Затоа, структурата на нативната белковина не е оптимизирана за максимална стабилност.^[13]

Одредување на структурата на белковините

Примери на белковински структури од PDB (Protein Data Bank)

Брзина на одредување на белковинската структура според метод и година

Околу 90% од белковинските структури на располагање во Банката на податоци за белковини (англ. Protein Data Bank) се утврдени со рендгенска кристалографија.^[14] Овој метод овозможува да се измери тридимензионалната (3-D) густина на дистрибуцијата на електроните во белковинската молекула, во кристализирана состојба, и на тој начин се утврдуваат 3-D координатите на сите атоми до одредена резолуција. Околу 9% од познатите белковински структури се добиени со техники на јадрена магнетна резонанца (NMR). За поголемите белковински комплекси, се употребува крио-електронска микроскопија за откривање на структурата. Резолуцијата обично е помала од таа кај рендгенската кристалографија, или NMR, но максималната резолуција постојано се зголемува. Оваа техника сè уште е особено значајна за многу големи белковински комплекси, како што се белковините на вирусната обвивка и амилоидни влакна.

Општата вторична структура може да се определи со циркуларен дихроизам (CD). Вибрационата спектроскопија, исто така, може да се користи за да се одликува конформацијата на пептидите, полипептидите и белковините.^[15] Дводимензионалната инфрацрвена спектроскопија е метод за испитување на структурите на флексибилните пептиди и белковини кои не можат да се изучуваат со други методи.^[16][17] Поквалитативна слика за структурата на белковините често може да се добие со протеолиза. Новите имплементации на овој пристап, вклучувајќи ја брзата паралелна протеолиза (FASTpp), можат да ја истражат структурираната фракција и нејзината стабилност без потреба од прочистување.^[18] Откако структурата на белковината е експериментално утврдена, понатамошните детални студии можат да се изведат компјутерски, користејќи молекуларни динамички симулации на структурата.

Анализа на белковинска низа: Ансамбли

Шематски приказ на два главни пристапи на ансамбл моделирање.^[19]

Белковините имаат варијабилни степени на стабилност, а оние кои имаат доста ниска стабилност се нарекуваат интринзично неструктурирани белковини. Овие белковини постојат и функционираат во релативно „хаотична“ состојба, а кај нив недостасува стабилна третична структура. Како резултат на тоа, тие тешко можат да се опишат со стандарден модел за белковинска структура, кој е дизајниран за белковини со фиксни третични структури. За таа цел создадени се конформациони ансамбли, за да се обезбеди поточна и подинамична репрезентација на конформациската состојба на интринзично неструктурираните белковини. Конформационите ансамбли функционираат така што ги претставуваат различните конформации на интринзично неструктурираните белковини во рамките на ансамбл податотека (типот кој може да се најде на База на податоци за белковински ансамбл Архивирано на 10 март 2018 г.).

Бази на податоци за белковински структури

Базата на структури на белковини е база на податоци која ја чинат различните експериментално утврдени структури на белковини. Целта на повеќето бази на податоци за белковински структури е да ги организираат и да ги обележат структурите на белковините, обезбедувајќи пристап на биолошката заедница до експерименталните податоци на корисен начин. Податоците вклучени во базите на структури на белковини често содржат 3D координати, како и експериментални информации, како што се димензии на ќелиите и аглите за структурите утврдени со рендгенска кристалографија. Главната улога на базите на структури на белковини е обезбедување на структурни информации, додека базите на податоци за низи се фокусираат на информации за аминокиселинските низи. Базите на податоци за структурата на белковините се особено значајни во компјутерската биологија, како што е дизајнот на лекови на основа на структурата на белковина за која тој лек треба да се врзе.^[20]

Структурна класификација

Белковинските структури можат да се групираат врз основа на нивната сличност или заедничкото еволутивно потекло. Базата на податоци за структурна класификација на белковините (англ. SCOP - Structural Classification of Proteins database)^[21] и CATH базата^[22] обезбедуваат две различни структурни класификации на белковините. Споделување на иста или слична структура меѓу белковини се смета како доказ за еволутивната сродност меѓу тие белковини и се користи за нивно групирање во белковински натсемејства.^[23]

Компјутерско предвидување на белковинската структура

Главна статија: Предвидување на структурата на белковините

Добивањето на белковинска низа е многу полесно отколку одредувањето на тридимензионалната структура на таа белковина. Сепак, структурата на една белковина дава многу повеќе увид во нејзината функција отколку нејзината низа. Поради тоа развиени се голем број на методи за компјутерско предвидување на белковинската структура од аминокиселинската низа.^[24] Ab initio методите на предвидување ја користат само низата на белковината. Методот на компјутерско предвидување користи веќе постоечки белковински структури кои ги споредува со новите предложени структури.

Поврзано

• Биомолекуларна структура
• Белковински домен
• Структура на нуклеинските киселини