18.Wielopoziomowa struktura białek
Łańcuch polipeptydowy fałduje się, dzięki czemu powstaje specyficzny kształt (konformacja) białka. Konformacja to przestrzenne ułożenie atomów w strukturze, które można wyznaczyć na podstawie sekwencji aminokwasów. Istnieją cztery poziomy struktury białek określane jako struktura pierwszorzędowa, drugorzędowa, trzeciorzędowa i występująca czasami, lecz nie zawsze, czwartorzędowa.
Struktura pierwszorzędowa
Struktura pierwszorzędowa białka to liniowa sekwencja aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Sekwencję tę wyznacza się na podstawie kolejności ułożenia zasad azotowych w genie kodującym dane białko. W strukturze pierwszorzędowej zawarte jest również położenie wszystkich innych wiązań kowalencyjnych. Są to głównie wiązania dwusiarczkowe między resztami cysteiny, sąsiadującymi ze sobą w przestrzeni, ale nie w sekwencji liniowej aminokwasów. Takie wiązania poprzeczne między odrębnymi łańcuchami polipeptydowymi lub między różnymi częściami tego samego łańcucha powstają na skutek utlenienia grup SH w resztach cysteiny, sąsiadujących ze sobą w przestrzeni. Powstały dwusiarczek jest nazywany resztą cystyny. Wiązania dwusiarczkowe występują często w białkach zewnątrzkomórkowych, ale rzadko w białkach wewnątrzkomórkowych. Niektóre białka, takie jak kolagen zawierają kowalencyjne wiązania poprzeczne między łańcuchami bocznymi reszt lizyny (Lys).
Struktura drugorzędowa
To regularne pofałdowanie regionów łańcucha polipeptydowego. Najczęściej występującymi sposobami pofałdowania białka są α helisa i struktura β.
W przypominającej cylinder α helisie aminokwasy ustawiają się w ten sposób, że powstaje regularna konformacja określana potocznie jako spirala. Tlen karbonylowy każdego wiązania peptydowego jest połączony wiązaniem wodorowym z wodorem grupy aminowej czwartego z kolei aminokwasu, przy czym wiązanie wodorowe przebiega prawie równolegle do osi helisy. Na jeden obrót α helisy przypada 3,6 aminokwasów, co odpowiada 0,54nm, natomiast odległość między dwoma aminokwasami wzdłuż osi α helisy wynosi 0,15nm. Wszystkie łańcuchy boczne aminokwasów znajdują się na zewnątrz cylindrycznej helisy. Pewne aminokwasy występują w α helisie częściej niż inne. W szczególności rzadko występuje w niej prolina (Pro), która na skutek braku atomu wodoru związanego z atomem azotu nie może tworzyć prawidłowego układu wiązań wodorowych. Z tej przyczyny Pro występuje często na końcu α helisy, ponieważ zmienia kierunek łańcucha polipeptydowego i przerywa strukturę helisy. Różne białka wykazują różny stopień pofałdowania łańcucha polipeptydowego np. mioglobina zawiera osiem α helis.
W strukturze β wiązania wodorowe powstają między wiązaniami peptydowymi różnych łańcuchów polipeptydowych lub różnych części tego samego łańcucha. Płaskie wiązanie peptydowe sprawia, że łańcuch polipeptydowy przyjmuje postać pofałdowanej kartki z łańcuchami bocznymi aminokwasów znajdującymi się powyżej lub poniżej jej płaszczyzny. Łańcuchy polipeptydowe sąsiadujące ze sobą w strukturze β mogą być równoległe lub antyrównoległe, zależnie od tego, czy przebiegają one w tym samym kierunku czy przeciwnym. Łańcuch polipeptydowy w obrębie tej struktury jest do tego stopnia rozciągnięty, że odległość między dwoma sąsiednimi atomami węgla alfa wynosi 0,35nm. Struktury β są zawsze lekko zakrzywione i w obecności kilku łańcuchów polipeptydowych mogą się ścieśnić i utworzyć beczułkę β. Wielokrotne struktury β są podstawą wytrzymałości i sztywności białek strukturalnych, takich jak fibroina jedwabiu, która prawie całkowicie składa się z antyrównoległych struktur β.
Tworząc ściśle upakowaną strukturę białka globularnego łańcuch polipeptydowy często zmienia kierunek przebiegu, formując „spinkę do włosów” lub zwrot β. W zwrotach β tlen karbonylowy jednego aminokwasu jest połączony wiązaniem wodorowym z wodorem grupy aminowej czwartego z kolei aminokwasu. Zwroty β często łączą końce antyrównoległych struktur β. Rejony łańcucha polipeptydowego pozbawione regularnej struktury drugorzędowej przyjmują konformację zwoju lub pętli. Taką postać może przyjąć ponad połowa łańcucha polipeptydowego typowego białka globularnego.
Struktura trzeciorzędowa
Dotyczy przestrzennego ułożenia aminokwasów zarówno odległych w sekwencji liniowej, jak i tych, które ze sobą sąsiadują. Końcowa struktura przestrzenna jest determinowana przez sekwencję aminokwasów. W przypadku rozpuszczalnych w wodzie białek globularnych takich jak mioglobina, podstawową siłą odpowiedzialną za fałdowanie się łańcucha polipeptydowego jest energetyczny wymóg oddzielenia niepolarnych aminokwasów od wodnego, hydrofilowego otoczenia przez schowanie ich w hydrofobowym wnętrzu. Łańcuch polipeptydowy fałduje się spontanicznie w ten sposób, że większość jego hydrofobowych łańcuchów bocznych zostaje skierowana do wnętrza powstającej struktury, a większość jego polarnych, obdarzonych ładunkiem łańcuchów bocznych znajduje się na jej powierzchni. Biologicznie aktywna (natywna) przestrzenna konformacja białka jest utrzymywana nie tylko dzięki oddziaływaniom hydrofobowym, ale także przez siły elektrostatyczne, wiązania wodorowe i, jeśli są obecne, kowalencyjne wiązania dwusiarczkowe. Siły elektrostatyczne obejmują wiązania jonowe między przeciwstawnie naładowanymi grupami i liczne słabe oddziaływania van der Waalsa między ściśle upakowanymi alifatycznymi łańcuchami bocznymi we wnętrzu białka.
Struktura czwartorzędowa
W przypadku białek zawierających więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy, takich jak hemoglobina, występuje najwyższy poziom organizacji białka zwany strukturą czwartorzędową. Dotyczy ona przestrzennego ułożenia polipeptydowych podjednostek i natury oddziaływań między nimi. Tymi oddziaływaniami mogą być wiązania kowalencyjne (np. wiązania dwusiarczkowe) lub oddziaływania niekowalencyjne (siły elektrostatyczne, wiązania wodorowe i oddziaływania hydrofobowe).
Natywna przestrzenna konformacja białka utrzymywana jest przez zestaw wiązań niekowalencyjnych (siły elektrostatyczne, wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe) i wiązania kowalencyjne, czyli wiązania dwusiarczkowe i wiązania peptydowe między kolejnymi aminokwasami.
Siły elektrostatyczne- oddziaływania między dwoma grupami jonowymi o przeciwstawnym ładunku, często nazywane również parą jonową lub mostkiem solnym. Występuje np. między grupą aminową lizyny i grupą karboksylową asparaginianu. Do tego typu oddziaływań zalicza się także niekowalencyjne połączenia między obojętnymi cząsteczkami- oddziaływania van der Waalsa. Są to oddziaływania elektrostatyczne między trwałymi i/lub indukowanymi dipolami, takimi jak grupy karbonylowe w wiązaniach peptydowych.
Wiązania wodorowe- oddziaływania między grupą donorową będącą słabym kwasem oraz akceptorowym atomem zawierającym wolną parę elektronów i posiadającym dzięki temu cząstkowy ładunek ujemny, co jest czynnikiem przyciągającym atom wodoru. W układach biologicznych grupą donorową jest atom tlenu lub azotu. Długość wiązań wodorowych wynosi 0,27-0,31nm i wykazują ściśle ukierunkowany charakter. Jeśli donor, atom wodoru i akceptor leżą w jednej linii, powstaje wiązanie kolinearne. Wiązania wodorowe są silniejsze niż oddziaływania van der Waalsa, ale dużo słabsze niż wiązania kowalencyjne. Odgrywają istotną rolę w tworzeniu struktury przestrzennej nie tylko białek, ale także innych biologicznych makrocząsteczek, takich jak dwuniciowa helisa DNA, lub ich zestawów, takich jak dwuwarstwa lipidowa. Ponadto są podstawą właściwości wody i jej roli rozpuszczalnika biochemicznego.
Oddziaływania hydrofobowe- odpowiedzialne za minimalizowanie powierzchni kontaktu niepolarnych cząsteczek z otaczającą je wodą. Można je zaobserwować w przypadku cząsteczek amfipatycznych (lipidy, detergenty), tworzących micele w roztworze wodnym. W procesie powstawania struktury białka dochodzi także do eliminacji kontaktu między niepolarnymi łańcucami bocznymi i roztworem wodnym. Są istotnym czynnikiem warunkującym strukturę białek, ich fałdowanie się i stabilność.
Wiązania dwusiarczkowe- kowalencyjne wiązania między dwiema resztami cysteiny, położonymi blisko siebie w końcowej strukturze przestrzennej białka, których funkcja polega na stabilizacji struktury. Powstają w utleniającym środowisku retikulum endoplazma tycznego, dlatego można je znaleźć głównie w białkach zewnątrzkomórkowych i podlegających sekrecji.
W odpowiednich warunkach fizjologicznych białka fałdują się spontanicznie osiągając natywną konformację. Proces ten nie wymaga udziału matrycy zewnętrznej, co oznacza że struktura przestrzenna białka jest determinowana przez jego strukturę pierwszorzędową. Wyniki badań nad białkiem RNAzą A dowodzą, że o fałdowaniu się białka w natywną konformację decydują głównie jego reszty aminokwasowe skierowane do wnętrza powstającej struktury. Uzyskana dzięki mutacjom zmiana reszt aminokwasowych zlokalizowanych na powierzchni ma mniejszy wpływ na proces fałdowania, niż zmiana reszt znajdujących się wewnątrz.
Chociaż w warunkach In vitro (w laboratorium) białka mogą fałdować się bez udziału białek pomocniczych, roces ten jest długotrwały. W warunkach In vivo (w komórce) proces ten przebiega w ciągu kilku minut, ponieważ występują tu trzy klasy białek pomocniczych: izomerazy dwusiarczkowe białek, izomerazy peptydyloprolilowe cis-trans oraz molekularne cha perony.
Strukturę białka można wyznaczyć niemal na poziomie atomowym za pomocą technik krystalografii rentgenograficznej i spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).