Główna zawartość
Rzędowość struktury białka
Uporządkowanie struktury białkowej: pierwszorzędowej, drugorzędowej, trzeciorzędowej i czwartorzędowej. Alfa helisa i pofałdowana harmonijka beta (lub beta-kartka). Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Wprowadzenie
Czy zastanawiałeś się kiedykolwiek, dlaczego białko jaj zmienia się z przejrzystego w mętne, gdy usmażysz jajko? Jeśli tak, ta sekcja jest dla Ciebie!
Białko jaja zawiera duże ilości białek zwanych albuminami, a albuminy zwykle mają określony kształt 3D dzięki wiązaniom utworzonym pomiędzy różnymi aminokwasami w białku. Ogrzewanie powoduje zerwanie tych wiązań oraz odsłania aminokwasy hydrofobowe (nienawidzące wody), zazwyczaj schowane wewnątrz białka
Jak wspomniano w ostatnim artykule na temat białek i aminokwasów, kształt białka jest bardzo ważny dla jego funkcji. Żeby zrozumieć, w jaki sposób białko uzyskuje swój ostateczny kształt lub konformację, musimy zrozumieć cztery poziomy struktury białka: pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową.
Pierwszorzędowa struktura
Najprostszy poziom struktury białka, struktura pierwszorzędowa, jest po prostu sekwencją aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Na przykład, hormon insulina posiada dwa łańcuchy polipeptydowe, A i B, pokazane na schemacie poniżej. (Cząsteczka insuliny pokazana tutaj to insulina krowia, chociaż jej struktura jest podobna do insuliny ludzkiej.) Każdy łańcuch ma swój własny zestaw aminokwasów, uporządkowany w określonej kolejności. Na przykład, sekwencja łańcucha A zaczyna się od glicyny na N-końcu i kończy na asparaginie na C-końcu i różni się od sekwencji łańcucha B.
Sekwencja białka jest określona przez DNA genu kodującego białko (lub kodującego część białka w przypadku białek wielo-podjednostkowych). Zmiana w sekwencji DNA genu może prowadzić do zmiany sekwencji aminokwasów w białku. Zmiana nawet tylko jednego aminokwasu w sekwencji białka może wpłynąć na jego ogólną strukturę i funkcję.
Na przykład zmiana pojedynczego aminokwasu jest związana z anemią sierpowatą, chorobą dziedziczną, która atakuje krwinki czerwone. W anemii sierpowatej jeden z łańcuchów polipeptydowych tworzących hemoglobinę, białko transportujące tlen we krwi, ma niewielką zmianę w sekwencji. Kwas glutaminowy, który jest normalnie szóstym aminokwasem w łańcuchu β (jednym z dwóch rodzajów łańcuchów białkowych tworzących hemoglobinę) jest zastąpiony waliną. To podstawienie jest przedstawione dla fragmentu łańcucha β na diagramie poniżej.
Najbardziej interesujące jest to, że cząsteczka hemoglobiny składa się z dwóch łańcuchów α i dwóch łańcuchów β, z których każdy składa się z około 150 aminokwasów, co w sumie daje około 600 aminokwasów w całym białku. Różnica pomiędzy prawidłową cząsteczką hemoglobiny a cząsteczką występującą w przypadku anemii sierpowatej, to tylko dwa aminokwasy z około 600.
Osoba, której ciało produkuje tylko zmutowaną hemoglobinę będzie cierpieć na anemię sierpowatą. Dzieje się tak, ponieważ zmiana kwasu glutaminowego na walinę powoduje, że cząsteczki hemoglobiny zbijają się w długie włókna. Włókna zniekształcają czerwone krwinki o kształcie dysku, nadając im kształt półksiężyca. Przykłady "sierpowatych" komórek, zmieszanych z prawidłowymi o kształcie dysku, można zobaczyć poniżej, na zdjęciu próbki krwi.
Zmutowane komórki czerwonych krwinek klinują się podczas próby przepłynięcia przez naczynia krwionośne. Zaklinowane komórki upośledzają przepływ krwi i mogą powodować poważne problemy zdrowotne u osób z anemią sierpowatą, w tym duszności, zawroty głowy, bóle głowy i bóle brzucha.
Struktura drugorzędowa
Następny poziom struktury białka, struktura drugorzędowa, odnosi się do lokalnych zagięć w strukturze, które tworzą się w polipeptydzie z powodu interakcji pomiędzy atomami w szkielecie. (Szkielet odnosi się tylko do łańcucha polipeptydowego z wyłączeniem grup R - chodzi o to, że struktura drugorzędowa nie obejmuje atomów grupy R.) Najbardziej popularnymi rodzajami struktur drugorzędowych są helisa α oraz harmonijka β. Obydwie struktury są stabilizowane przez wiązania wodorowe, które tworzą się pomiędzy O grupy karbonylowej jednego aminokwasu a H grupy aminowej drugiego aminokwasu.
W helisie α, grupa karbonylowa (C=O) jednego aminokwasu tworzy wiązanie wodorowe z H grupy aminowej (N-H) aminokwasu, który znajduje się cztery aminokwasy dalej w łańcuchu polipeptydowym. (Np. grupa karbonylowa aminokwasu 1 będzie tworzyła wiązanie wodorowe z grupą N-H aminokwasu 5.) Ten wzór wiązania powoduje zwijanie się łańcucha polipeptydowego w strukturę spiralną, przypominającą zwiniętą wstążkę, w której każdy zakręt helisy zawiera 3,6 aminokwasów. Grupy R aminokwasów wystają na zewnątrz helisy α, gdzie mogą oddziaływać z innymi związkami
W harmonijce β, dwa lub więcej segmentów łańcucha polipeptydowego ustawiają się obok siebie, tworząc strukturę podobną do harmonijki, stabilizowaną przez wiązania wodorowe. Wiązania wodorowe tworzą się między grupą karbonylową a aminową szkieletu, podczas gdy grupy R rozciągają się powyżej i poniżej płaszczyzny harmonijki
Istnieje mniejsze lub większe prawdopodobieństwo znalezienia pewnych aminokwasów w helisie α lub harmonijce β. Na przykład, aminokwas prolina jest czasami nazywany "łamaczem helisy", ponieważ jego nietypowa grupa R (która wiąże się z grupą aminową tworząc pierścień) tworzy zgięcie w łańcuchu co nie jest zgodne z formacją helisy
Wiele białek zawiera zarówno helisy α jak i harmonijki β, chociaż niektóre zawierają tylko jeden rodzaj struktury drugorzędowej (lub nie tworzą żadnego typu).
Struktura trzeciorzędowa
Ogólna trójwymiarowa struktura polipeptydu jest nazywana jego strukturą trzeciorzędową. Struktura trzeciorzędowa wynika przede wszystkim z interakcji pomiędzy grupami R aminokwasów tworzących białko.
Oddziaływania grup R, które tworzą strukturę trzeciorzędową obejmują wiązania wodorowe, wiązania jonowe, interakcje dipol-dipol oraz siły dyspersyjne Londona - zasadniczo całą gamę wiązań niekowalencyjnych. Na przykład, grupy R z podobnymi ładunkami odpychają się nawzajem, podczas gdy grupy o przeciwnych ładunkach mogą tworzyć wiązania jonowe. Podobnie polarne grupy R mogą tworzyć wiązania wodorowe uczestniczyć w innych interakcjach dipol-dipol. Równie ważne dla struktury struktury trzeciorzędowej są oddziaływania hydrofobowe, w przypadku których aminokwasy z niepolarnymi, hydrofobowymi grupami R skupiają się razem wewnątrz białka, pozostawiając hydrofilowe aminokwasy na zewnątrz, aby oddziaływały z cząsteczkami wody.
Wreszcie, istnieje specjalny rodzaj wiązania kowalencyjnego, który może wpływać na strukturę trzeciorzędową: wiązania disiarczkowe. Wiązania disiarczkowe, kowalencyjne wiązania pomiędzy łańcuchami bocznymi zawierającymi siarkę z cysteiny, są o wiele silniejsze od pozostałych rodzajów wiązań tworzących strukturę trzeciorzędową. Działają one jak molekularne "agrafki", utrzymując części polipeptydu mocno połączone ze sobą.
Struktura czwartorzędowa
Wiele białek składa się tylko z pojedynczego łańcucha polipeptydowego i ma tylko trzy poziomy struktury (te, które właśnie omówiliśmy). Jednakże, niektóre białka zbudowane są z wielu łańcuchów polipeptydowych, zwanych również podjednostkami. Kiedy te podjednostki łączą się, nadają białku jego strukturę czwartorzędową.
Spotkaliśmy się już z jednym przykładem białka o strukturze czwartorzędowej: hemoglobiną. Jak wspomniano już wcześniej, hemoglobina transportuje tlen we krwi i jest zbudowana z czterech podjednostek, dwóch struktur α i dwóch β. Innym przykładem jest polimeraza DNA, enzym syntetyzujący nowe nici DNA, który zbudowany jest z dziesięciu podjednostek
Ogólnie rzecz biorąc, te same oddziaływania które stabilizują strukturę trzeciorzędową (w większości słabe oddziaływania, takie jak wiązania wodorowe i siły dyspersyjne Londona) również łączą ze sobą podjednostki, nadając białku strukturę czwartorzędową.
Denaturacja i zwijanie białka
Każde białko ma swój niepowtarzalny kształt. Jeśli temperatura lub pH w środowisku białka ulegnie zmianie lub jeśli białko zostanie wystawione na działanie chemikaliów, interakcje te mogą zostać zakłócone, powodując utratę trójwymiarowej struktury białka i powrót do nieustrukturyzowanego łańcucha aminokwasów.
Gdy białko traci swoją strukturę wyższego rzędu, ale nie swoją sekwencję pierwotną, mówi się, że jest zdenaturowane. Zdenaturowane białka są zazwyczaj niefukncjonalne.
W przypadku niektórych białek denaturację można odwrócić. Ponieważ pierwotna struktura polipeptydu jest nadal nienaruszona (aminokwasy nie uległy rozkładowi), może być w stanie ponownie przekształcić się (sfałdować) w swoją funkcjonalną formę, jeśli powróci do normalnego środowiska. Jednakże w innych przypadkach denaturacja może być trwała. Jednym z przykładów nieodwracalnej denaturacji białka jest smażenie jajka. Białko albuminy w płynnym białku jaja staje się nieprzezroczyste i stałe, ponieważ jest denaturowane przez ciepło z kuchenki, i nie powróci do swojego pierwotnego stanu surowego jaja nawet po ochłodzeniu.
Naukowcy odkryli, że niektóre białka mogą ponownie fałdować się po denaturacji, nawet gdy są same w probówce. Ponieważ białka te mogą same przechodzić z niestrukturalnych do pofałdowanych, ich sekwencje aminokwasowe muszą zawierać wszystkie informacje potrzebne do fałdowania. Jednak nie wszystkie białka są w stanie wykonać tę sztuczkę, a sposób, w jaki białka normalnie się fałdują w komórce, wydaje się bardziej skomplikowany. Wiele białek nie fałduje się samodzielnie, ale otrzymuje pomoc od białek opiekuńczych (szaperonów).
Szukaj wiadomości poza Khan Academy
Do you want to learn more about protein structure and folding? Check out this scrollable interactive from LabXchange.
Do you want to learn more about the effect of temperature on protein folding? Check out this interactive image from LabXchange.
LabXchange to bezpłatna platforma edukacyjna online stworzona przez Wydziale Arts and Sciences uniwersytetu Harvarda i wspierana przez Fundację Amgen.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji