Protein tertiær struktur - Protein tertiary structure

Interaktivt diagram over proteinstruktur ved hjælp af PCNA som et eksempel. ( FBF : 1AXC )

Den tertiære struktur af et protein består i den måde, hvorpå et polypeptid dannes i en kompleks molekylær form. Dette er forårsaget af R-gruppe-interaktioner såsom ioniske og hydrogenbindinger, disulfidbroer og hydrofobe og hydrofile interaktioner.

Protein tertiær struktur er den tredimensionale form af et protein . Den tertiære struktur vil have en enkelt "peptidkæde" af polypeptidkæde med en eller flere sekundære proteinstrukturer , proteindomænerne . Aminosyre- sidekæder kan interagere og binding i en række måder. Interaktionerne og bindingerne af sidekæder inden for et bestemt protein bestemmer dets tertiære struktur. Protein tertiær struktur er defineret af dets atomkoordinater . Disse koordinater kan enten henvise til et proteindomæne eller til hele den tertiære struktur. Et antal tertiære strukturer kan foldes ind i en kvaternær struktur .

Historie

Videnskaben om proteinernes tertiære struktur er gået fra en hypotese til en med detaljeret definition. Selvom Emil Fischer havde foreslået, at proteiner var lavet af polypeptidkæder og aminosyresidekæder, var det Dorothy Maud Wrinch, der inkorporerede geometri i forudsigelsen af proteinstrukturer . Wrinch demonstrerede dette med Cyclol- modellen, den første forudsigelse af strukturen af et kugleprotein . Moderne metoder er i stand til, uden forudsigelse, at bestemme tertiære strukturer inden for 5 Å (0,5 nm) for små proteiner (<120 rester) og under gunstige betingelser sikre forudsigelser om sekundær struktur .

Determinanter

Stabilitet for indfødte stater

Termostabilitet

Et protein foldet ind i dets oprindelige tilstand eller nativ konformation har typisk en lavere Gibbs fri energi (en kombination af entalpi og entropi ) end den udfoldede konformation. Et protein vil have tendens til konformationer med lav energi, som bestemmer proteinets foldning i det cellulære miljø. Fordi mange lignende konformationer vil have lignende energier, er proteinstrukturer dynamiske og svinger mellem store disse lignende strukturer.

Globulære proteiner har en kerne af hydrofobe aminosyrerester og en overfladeområde vand -exposed ladede, hydrofile rester. Dette arrangement kan stabilisere interaktioner inden for den tertiære struktur. For eksempel hjælper disulfidbindinger mellem cysteinrester i secernerede proteiner, som ikke er badet i cytoplasma , med at opretholde den tertiære struktur. Der er fælles om stabile tertiære strukturer set i proteiner med forskellig funktion og forskellig udvikling . For eksempel er TIM-tønden , opkaldt efter enzymet triosephosphateisomerase , en almindelig tertiær struktur, ligesom den meget stabile, dimere , viklede spiralstruktur er. Derfor kan proteiner klassificeres efter de strukturer, de har. Databaser over proteiner, der bruger en sådan klassificering, inkluderer SCOP og CATH .

Kinetiske fælder

Folding kinetik kan fælde et protein i en høj energi konformation, dvs. en højenergi mellemliggende kropsbygning blokerer adgang til den laveste energi konformation. Konformationen med høj energi kan bidrage til proteinets funktion. For eksempel influenza hemagglutinin protein er en enkelt polypeptidkæde, som ved aktivering er proteolytisk spaltes til dannelse af to polypeptidkæder. De to kæder holdes i en konformation med høj energi. Da den lokale pH falder proteinet gennemgår en energetisk gunstig konformationel omlejring der gør det muligt at penetrere værten cellemembranen .

Metastabilitet

Nogle tertiære proteinstrukturer kan eksistere i langvarige tilstande, der ikke er den forventede mest stabile tilstand. For eksempel viser mange serpins (serinproteaseinhibitorer) denne metastabilitet . De gennemgår en konformationsændring, når en sløjfe af proteinet skæres af en protease .

Chaperone proteiner

Det antages almindeligvis, at et proteins oprindelige tilstand også er den mest termodynamisk stabile, og at et protein når sin oprindelige tilstand i betragtning af dets kemiske kinetik , før det oversættes . Protein chaperones inden for en celles cytoplasma bistå en nysyntetiseret polypeptid at nå sin native tilstand. Nogle chaperoneproteiner er meget specifikke i deres funktion, for eksempel proteindisulfidisomerase ; andre er generelle i deres funktion og kan hjælpe de fleste kugleformede proteiner, for eksempel det prokaryote GroEL / GroES- system af proteiner og de homologe eukaryote varmechokproteiner (Hsp60 / Hsp10-systemet).

Cytoplasmisk miljø

Forudsigelse af tertiær proteinstruktur er afhængig af at kende proteinets primære struktur og sammenligne den mulige forudsagte tertiære struktur med kendte tertiære strukturer i proteindatabanker . Dette tager kun højde for det cytoplasmatiske miljø, der er til stede på tidspunktet for proteinsyntese, i det omfang et lignende cytoplasmatiske miljø også kan have påvirket strukturen af proteiner, der er registreret i proteindatabanken.

Ligandbinding

Strukturen af et protein, for eksempel et enzym , kan ændre sig ved binding af dets naturlige ligander, for eksempel en cofaktor . I dette tilfælde er strukturen af proteinet bundet til liganden kendt som holostruktur, af det ubundne protein som apo-struktur.

Struktur stabiliseret ved dannelse af svage bindinger mellem aminosyresidekæder - Bestemmes ved foldning af polypeptidkæden på sig selv (ikke-polære rester er placeret inde i proteinet, mens polære rester hovedsageligt er placeret udenfor) - Indhylning af proteinet bringer proteinet tættere på og relaterer a-til placeret i fjerne regioner af sekvensen - Erhvervelse af den tertiære struktur fører til dannelsen af lommer og steder, der er egnede til genkendelse og binding af specifikke molekyler (biospecificitet)

Beslutsomhed

Kendskabet til den tertiære struktur af opløselige globulære proteiner er mere avanceret end den for membranproteiner, fordi førstnævnte er lettere at studere med tilgængelig teknologi.

Røntgenkrystallografi

Røntgenkrystallografi er det mest almindelige værktøj, der bruges til at bestemme proteinstrukturen . Det giver høj opløsning af strukturen, men det giver ikke information om proteins konformationsfleksibilitet .

NMR

Protein-NMR giver relativt lavere opløsning af proteinstruktur. Det er begrænset til mindre proteiner. Det kan dog give information om konformationsændringer af et protein i opløsning.

Kryogen elektronmikroskopi

Kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) kan give information om både et proteins tertiære og kvaternære struktur. Det er særligt velegnet til store proteiner og symmetriske komplekser af proteinunderenheder .

Dobbelt polarisationsinterferometri

Dobbelt polarisationsinterferometri giver supplerende information om overfladefangede proteiner. Det hjælper med at bestemme struktur- og konformationsændringer over tid.

Projekter

Forudsigelsesalgoritme

Den hjem Folding @ projekt på Stanford University er et distribueret computing forskningsindsats som bruger ca. 5 petaflops (≈10 x86 petaflops) ledig computing. Det sigter mod at finde en algoritme, som konsekvent vil forudsige proteintertiære og kvaternære strukturer givet proteinets aminosyresekvens og dets cellulære forhold.

En liste over software til forudsigelse af protein tertiær struktur kan findes på Liste over software til forudsigelse af proteinstruktur .

Proteinaggregationssygdomme

Proteinaggregeringssygdomme såsom Alzheimers sygdom og Huntingtons sygdom og prionsygdomme såsom bovin spongiform encephalopati kan forstås bedre ved at konstruere (og rekonstruere) sygdomsmodeller . Dette gøres ved at forårsage sygdommen i forsøgsdyr, for eksempel ved at administrere et toksin , såsom MPTP, til at forårsage Parkinsons sygdom eller ved genetisk manipulation . Forudsigelse om proteinstruktur er en ny måde at skabe sygdomsmodeller på, som kan undgå brugen af dyr.

Protein Tertiary Structure Retrieval Project (CoMOGrad)

At matche mønstre i tertiær struktur af et givet protein med et stort antal kendte tertiære proteinstrukturer og hente de fleste lignende i rangordnet rækkefølge er i hjertet af mange forskningsområder som funktionsprognose af nye proteiner, undersøgelse af evolution, sygdomsdiagnose, lægemiddelopdagelse, antistofdesign osv. CoMOGrad-projektet på BUET er en forskningsindsats for at indrette en ekstremt hurtig og meget præcis metode til proteintertiær strukturgenvinding og udvikle onlineværktøj baseret på forskningsresultater.

Languages

In other projects