Ordinea structurii proteice

Te-ai întrebat vreodată de ce albușul oului se schimbă din transparent în opac atunci când prăjești un ou? Dacă da, atunci această secțiune este pentru tine!

Albușurile ouălor conțin o cantitate mare de proteine, numite albumine, și albuminele au de obicei o formă 3D specifică, mulțumită legăturilor formate între diferiții aminoacizi din proteină. Căldura face ca aceste legături să se rupă și expune aminoacizii hidrofobi (cei cărora nu le place apa), care sunt de obicei ținuți în interiorul proteinei $^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript. Aminoacizii hidrofobi, încercând să scape de apa care îi înconjoară în albușul oului, o să se lipească unul de celălalt, formând o rețea de proteine care îi oferă structură albușului de ou, în timp ce o transformă în albă și opacă. Ta-da! Mulțumesc, proteină denaturată, pentru încă un mic dejun sănătos.

Cum am menționat în articolul precedent despre proteine și aminoacizi, forma proteinelor este foarte importantă pentru funcția ei. Pentru a înțelege cum o proteină își dobândește forma finală sau conformația, trebuie să înțelegem cele patru nivele ale structurii proteice: primară, secundară, terțiară și cuaternară.

Cel mai simplu nivel al structurii proteice, structura primară, este doar secvența aminoacizilor din lanțul polipeptidic. De exemplu, hormonul insulină are două lanțuri polipeptidice, A și B, cum este reprezentat în diagrama de mai jos. (Molecula de insulină care este prezentată aici este insulină de vacă, dar structura ei este asemănătoare cu cea a insulinei omului). Fiecare lanț are propriul set de aminoacizi, asamblați într-o anumită ordine. De exemplu, secvența lanțului A începe cu glicină la terminalul N și se termină cu asparagină la terminalul C, și este diferită de secvența lanțului B.

Secvența unei proteine este determinată de ADN-ului genei care codifică proteina (sau care codifcă o porțiune a proteinei, pentru proteinele multi-subunitare). O modificare a secvenței din gena ADN poate duce la o schimbare în secvența aminoacizilor a proteinei. Chiar și schimbând doar un aminoacid din secvența de proteine poate afecta structura și funcția proteinei.

De exemplu, o singură modificare a aminoacidului este asociată cu anemia falciformă, o boală ereditară care afectează globulele roşii. În anemia falciformă, unul din lanţurile polipeptidice care compun hemoglobina, proteina care transportă oxigenul în sânge, are o uşoară modificare a secvenţei. Acidul glutamic care este, în mod normal, al şaselea aminoacid din lanţul hemoglobină-β (unul dintre cele două tipuri de lanţuri proteice care alcătuiesc hemoglobina) este înlocuit cu o valină. Această substituţie este prezentată pentru un fragment din lanţul β în diagrama de mai jos.

Cel mai remarcabil este faptul că o moleculă de hemoglobină este formată din două lanţuri α şi două lanțuri β, fiecare constând din aproximativ 150 de aminoacizi, pentru un total de aproximativ 600 de aminoacizi în întreaga proteină. Diferenţa dintre o moleculă de hemoglobină normală şi o moleculă cu anemie falciformă este de doar 2 aminoacizi din aproximativ 600.

O persoană cu hematii în formă de seceră va avea simptome de anemie falciformă. Acestea apar deoarece înlocuirea acidului glutamic cu valina determină moleculele de hemoglobină să se asambleze în fibre lungi. Fibrele distorsionează hematiile în formă de semilună. Exemple de hematii „în formă de seceră” pot fi observate în proba de sânge de mai jos, amestecate cu celule normale cu formă de disc.

Celulele în formă de seceră se blochează în timp ce încearcă să circule prin vasele de sânge. Celulele blocate afectează fluxul sanguin şi pot cauza probleme grave de sănătate persoanelor cu anemie falciformă, inclusiv senzaţie de lipsă de aer, ameţeli, dureri de cap şi dureri abdominale.

Următorul nivel al structurii proteice, structura secundară, se referă la structurile locale pliate care se formează în cadrul unei polipeptide, datorită interacţiunilor dintre atomii din schelet. (Scheletul se referă doar la lanţul polipeptidic în afară de grupurile R – deci tot ceea ce vrem să spunem aici este că structura secundară nu implică atomi din R.) Cele mai frecvente tipuri de structuri secundare sunt helixul α şi foaia β. Ambele structuri sunt ținute în formă de legăturile de hidrogen; care se formează între carbonil O al unui aminoacid şi amino H al celuilalt.

Într-un α helix, carbonilul (C=O) dintr-un aminoacid este legat de hidrogenul H din gruparea amino (N-H) a altui aminoacid aflat la o distanță de patru poziții anterioare în lanț. (exemplu, carbonilul de aminoacid 1 ar forma o legătură de hidrogen la N-H al aminoacidului 5.) Acest tip de legătură trage lanţul polipeptidic într-o structură spiralată, care seamănă cu o panglică încurcată; fiecare rotire a helixului conţine 3.6 aminoacizi. Grupurile R ale aminoacizilor se dispun în exteriorul helixul α, unde sunt libere să interacţioneze $^3$cubed.

Într-o foaie β, două sau mai multe segmente ale unui lanţ polipeptidic se aliniază unul lângă celălalt, formând o structură asemănătoare unei foi ținute împreună cu ajutorul legăturilor pe bază de hidrogen. Legăturile de hidrogen se formează între grupările scheletice de carbonil şi amino, în timp ce grupările R se extind deasupra şi sub planul foii $^3$cubed. Componentele unei foi β pot fi paralele, îndreptate în aceeaşi direcţie (însemnând că N şi C-terminali se potrivesc), sau antiparalele, îndreptate în direcţii opuse (însemnând că N-terminal al unei componente este poziţionat lângă C-terminal al celeilalte).

Anumiţi aminoacizi sunt mai mult sau mai puţin susceptibili să se regăsească în foi α-helices sau β-pleacă. De exemplu, aminoacidul prolină este uneori numit „helix breaker” deoarece grupul său neobișnuit R (care se leagă de grupul amino pentru a forma o inelă) creează o curbă în lanț și nu este compatibil cu formația helix$^4$start superscript, 4, end superscript. Prolina se găsește, de obicei, în regiunile nestructurate ale structurilor secundare. În mod similar, aminoacizii precum triptofanul, tirozina şi fenilalanina, care au structuri inelare mari în grupele R; se găsesc adesea în foi beta-plate, poate pentru că structura de plăci β plasate oferă suficient spaţiu pentru lanţurile laterale $^4$start superscript, 4, end superscript.

Multe proteine conţin atât helix-uri α, cât şi foi β, deşi unele conţin un singur tip de structură secundară (sau nu formează nici un tip).

Structura globală tridimensională a unei polipeptide se numeşte structura terţiară. Structura terțiară se datorează în principal interacțiunilor dintre grupurile R ale aminoacizilor care alcătuiesc proteina.

Interacțiunile dintre grupările R care contribuie la structura terțiară includ legăturile pe bază de hidrogen, legături ionice, forțele dipol-dipol și forțele de dispersie Londom – practic întreaga gamă de legături ne-covalente. De exemplu, grupările R cu încărcături similare se resping reciproc, în timp ce cele cu sarcini opuse pot forma o legătură ionică. În mod similar, grupările R pot forma legături de hidrogen şi alte interacţiuni dipol-dipol. De asemenea, importante pentru structura terțiară sunt interacțiunile hidrofobe, în care aminoacizi cu grupări R nepolare și hidrofobe se grupează în interiorul proteinei, lăsând aminoacizii hidrofilici pe exterior, pentru a interacţiona cu moleculele de apă înconjurătoare.

În cele din urmă, există un tip special de legătură covalentă care poate contribui la structura terțiară: legătura disulfidă. Legăturile disulfide, legături covalente dintre lanțurile laterale care conțin sulf, ale cisteinei, sunt mult mai puternice decât celelalte tipuri de legături care contribuie la structura terțiară. Ele acţionează ca nişte "ace de siguranţă" moleculară, menţinând părţile polipeptidei ferm legate una de cealaltă.

Multe proteine sunt alcătuite dintr-un singur lanţ de polipeptide şi au doar trei niveluri de structură (cele pe care tocmai le-am discutat). Cu toate acestea, unele proteine sunt formate din mai multe lanţuri polipeptidice, cunoscute şi sub denumirea de subunităţi. Când aceste subunităţi se adună, ele dau proteinei structura cuaternară.

Am întâlnit deja un exemplu de proteină cu structură cuaternară: hemoglobina. După cum s-a menţionat anterior, hemoglobina transportă oxigenul în sânge şi este formată din patru subunităţi, câte două dintre tipurile α şi β. Un alt exemplu este ADN-polimeraza, o enzimă care catalizează sintetiza de noi catene de ADN şi este compusă din zece subunităţi$^5$start superscript, 5, end superscript.

În general, aceleași tipuri de interacțiuni care contribuie la structura terțiară ( interacțiuni slabe, cum ar fi legăturile de hidrogen și forțele de dispersie London) țin, de asemenea, subunitățile împreună în structur cuaternară.

Fiecare proteină are propria sa formă unică. Dacă temperatura sau pH-ul mediului unei proteine sunt modificate, sau dacă este expusă la substanţe chimice, aceste interacţiuni pot leza catenele determinând proteina să îşi piardă structura tridimensională şi să se transforme înapoi într-un şir nestructurat de aminoacizi. Atunci când o proteină își pierde structura de ordin înalt, dar nu și secvența sa primară, se spune că este denaturată. Proteinele denaturate sunt, de obicei, nefuncționale.

În cazul anumitor proteine, denaturarea poate fi reversibilă. Deoarece structura primară a polipeptidei este încă intactă (aminoacizii nu au fost divizaţi), poate să se regenereze în forma sa funcţională dacă este reintrodus în mediul său normal. Alteori, însă, denaturarea este permanentă. Un exemplu de denaturare ireversibilă a proteinelor este atunci când un ou este prăjit. Proteina de albumină din albușul lichid al oului devine opacă şi solidă, pe măsură ce este denaturată de căldura aragazului, și nu se va întoarce la starea sa originală, de ou crud, nici atunci când se răcește.

Cercetătorii au constatat că unele proteine se pot plia din nou după denaturare, chiar dacă sunt singure într-o eprubetă. Deoarece aceste proteine pot trece de la nestructurate la pliate, de unele singure, secvențele de aminoacizi trebuie să conțină toate informațiile necesare pentru pliere. Cu toate acestea, nu toate proteinele sunt capabile să facă acest truc, iar felul în care proteinele se pliază, în mod normal, într-o celulă pare să fie mai complicat. Multe proteine nu se pliază de unele singure, ci obțin asistență din partea proteinelor chaperone (chaperonine).

Vrei să afli mai multe despre structura proteinelor și plierea acestora? Vezi această listă interactivă de la LabXchange.

Vrei să afli mai multe despre efectul temperaturii asupra plierii proteinelor? Vezi această imagine interactivă de la LabXchange.