-en.svg/1280px-Protein_structure_(3)-en.svg.png)
Третичная структура белка – это трехмерная форма белка . Третичная структура будет иметь одну «основу» полипептидной цепи с одной или несколькими вторичными структурами белка , белковыми доменами . Боковые цепи аминокислот и основная цепь могут взаимодействовать и связываться разными способами. Взаимодействия и связи боковых цепей внутри конкретного белка определяют его третичную структуру. Третичная структура белка определяется координатами его атомов . Эти координаты могут относиться как к белковому домену, так и ко всей третичной структуре. [1] [2] Некоторые из этих структур могут связываться друг с другом, образуя четвертичную структуру . [3]
Наука о третичной структуре белков продвинулась от гипотезы к детальному определению. Хотя Эмиль Фишер предположил, что белки состоят из полипептидных цепей и боковых цепей аминокислот, именно Дороти Мод Ринч включила геометрию в предсказание белковых структур . Ринч продемонстрировал это с помощью модели Cyclol , которая стала первым предсказанием структуры глобулярного белка . [4] Современные методы позволяют определять без предсказания третичные структуры с точностью до 5 Å (0,5 нм) для небольших белков (<120 остатков) и, при благоприятных условиях, уверенно предсказывать вторичную структуру .
Белок, свернутый в нативное состояние или нативную конформацию, обычно имеет более низкую свободную энергию Гиббса (комбинацию энтальпии и энтропии ), чем развернутая конформация. Белок будет стремиться к низкоэнергетическим конформациям, которые будут определять его складку в клеточной среде. Поскольку многие схожие конформации имеют одинаковую энергию, белковые структуры являются динамическими и колеблются между этими сходными структурами.
Глобулярные белки имеют ядро из гидрофобных аминокислотных остатков и поверхностную область из заряженных гидрофильных остатков , подвергающихся воздействию воды . Такое расположение может стабилизировать взаимодействия внутри третичной структуры. Например, в секретируемых белках, которые не погружены в цитоплазму , дисульфидные связи между остатками цистеина помогают поддерживать третичную структуру. Существует общность стабильных третичных структур, наблюдаемая в белках с разнообразными функциями и различной эволюцией . Например, ствол ТИМ , названный в честь фермента триозофосфатизомеразы , представляет собой обычную третичную структуру, как и высокостабильная димерная структура в виде спиральной спирали . Следовательно, белки можно классифицировать по структурам, которые они содержат. Базы данных белков, использующих такую классификацию, включают SCOP и CATH .
Кинетика сворачивания может захватывать белок в высокоэнергетической конформации , т.е. высокоэнергетическая промежуточная конформация блокирует доступ к конформации с самой низкой энергией. Высокоэнергетическая конформация может способствовать функции белка. Например, белок гемагглютинин гриппа представляет собой одну полипептидную цепь, которая при активации протеолитически расщепляется с образованием двух полипептидных цепей. Две цепи находятся в высокоэнергетической конформации. Когда локальный pH падает, белок претерпевает энергетически выгодную конформационную перестройку, которая позволяет ему проникнуть через мембрану клетки -хозяина .
Некоторые третичные белковые структуры могут существовать в долгоживущих состояниях, которые не являются ожидаемым наиболее стабильным состоянием. Например, многие серпины (ингибиторы сериновых протеаз) демонстрируют такую метастабильность . Они претерпевают конформационные изменения , когда петля белка разрезается протеазой . [5] [6] [7]
Обычно предполагается, что нативное состояние белка также является наиболее термодинамически стабильным и что белок достигнет своего нативного состояния, учитывая его химическую кинетику , до того, как он будет транслирован . Белки -шапероны в цитоплазме клетки помогают вновь синтезированному полипептиду достичь нативного состояния. Некоторые белки-шапероны высокоспецифичны в своей функции, например, протеиндисульфидизомераза ; другие имеют общие функции и могут помогать большинству глобулярных белков, например, прокариотической системе белков GroEL / GroES и гомологичным эукариотическим белкам теплового шока (система Hsp60/Hsp10).
Прогнозирование третичной структуры белка основано на знании первичной структуры белка и сравнении возможной предсказанной третичной структуры с известными третичными структурами в банках данных белков . При этом учитывается цитоплазматическая среда, присутствующая во время синтеза белка, только в той степени, в которой аналогичная цитоплазматическая среда также могла влиять на структуру белков, записанную в банке данных белков.
Структура белка, такого как фермент , может измениться при связывании его природных лигандов, например, кофактора . В этом случае структура белка, связанного с лигандом, известна как голоструктура, а несвязанный белок имеет апо-структуру. [8]
Структура стабилизируется за счет образования слабых связей между боковыми цепями аминокислот - Определяется сворачиванием полипептидной цепи на себя (неполярные остатки располагаются внутри белка, тогда как полярные остатки преимущественно располагаются снаружи) - Обертывание белка сближает белок и относится к а-к, расположенным в отдаленных участках последовательности - Приобретение третичной структуры приводит к образованию карманов и сайтов, пригодных для узнавания и связывания специфических молекул (биоспецифичность).
Знания о третичной структуре растворимых глобулярных белков более продвинуты, чем о мембранных белках, поскольку первые легче изучать с помощью доступных технологий.
Рентгеновская кристаллография является наиболее распространенным инструментом, используемым для определения структуры белка . Он обеспечивает высокое разрешение структуры, но не дает информации о конформационной гибкости белка .
ЯМР белков дает сравнительно более низкое разрешение структуры белка. Он ограничен более мелкими белками. Однако он может предоставить информацию о конформационных изменениях белка в растворе.
Криогенная электронная микроскопия (криоЭМ) может дать информацию как о третичной, так и о четвертичной структуре белка. Он особенно хорошо подходит для крупных белков и симметричных комплексов белковых субъединиц .
Интерферометрия с двойной поляризацией предоставляет дополнительную информацию о белках, захваченных на поверхности. Это помогает определить изменения структуры и конформации с течением времени.
Проект Folding@home в Пенсильванском университете представляет собой исследовательскую работу в области распределенных вычислений , которая использует примерно 5 петафлопс (≈10 x86 петафлопс) доступных вычислений. Целью проекта является поиск алгоритма , который будет последовательно предсказывать третичную и четвертичную структуру белка с учетом аминокислотной последовательности белка и его клеточного состояния. [9] [10]
Список программного обеспечения для прогнозирования третичной структуры белков можно найти в списке программного обеспечения для прогнозирования структуры белков .
Заболевания агрегации белков , такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Хантингтона , а также прионные заболевания, такие как губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, можно лучше понять путем построения (и реконструкции) моделей заболеваний . Это делается путем вызывания заболевания у лабораторных животных, например, путем введения токсина , такого как MPTP , вызывающего болезнь Паркинсона, или посредством генетических манипуляций . [11] [12] Прогнозирование структуры белка — это новый способ создания моделей заболеваний, который позволяет избежать использования животных. [13]
Сопоставление закономерностей третичной структуры данного белка с огромным количеством известных третичных структур белков и поиск наиболее похожих из них в ранжированном порядке лежит в основе многих областей исследований, таких как предсказание функций новых белков, изучение эволюции, диагностика заболеваний, открытие лекарств и т. д. дизайн антител и т. д. Проект CoMOGrad в BUET представляет собой исследовательскую попытку разработать чрезвычайно быстрый и очень точный метод восстановления третичной структуры белка и разработать онлайн-инструмент на основе результатов исследований. [14] [15]