Name: how protein shape controls function
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 15 s
Channel: JoVE

Białka to polimery aminokwasów połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi. Większość białek składa się w określone trójwymiarowe struktury, aby pełnić swoją funkcję.
Strukturę białka dzieli się na cztery kategorie: pierwszorzędowe, drugorzędowe, trzeciorzędowe i czwartorzędowe.
Liniowa sekwencja aminokwasów w białku jest jego pierwotną strukturą. Sekwencje te są odczytywane w kolejności syntezy polimerów, od N-końca, wolnego końca aminowego, do C-końca, wolnego końca karboksylowego.
Struktury drugorzędowe powstają w wyniku wiązania wodorowego między tlenem z grupy karbonylowej jednego aminokwasu a wodorem z grupy aminowej innego aminokwasu. Typowe struktury drugorzędne obejmują α-helisy i β-plisowane prześcieradła. 
Te i inne struktury łączące, takie jak zwoje β, dalej oddziałują, tworząc trójwymiarową strukturę białka, znaną jako struktura trzeciorzędowa.
Tworzenie struktury trzeciorzędowej następuje w wyniku interakcji między grupami R aminokwasów.
Grupy R o przeciwnych ładunkach mogą tworzyć wiązania jonowe, a siarka w dwóch cysteinach może tworzyć kowalencyjny mostek dwusiarczkowy. Inne czynniki przyczyniające się do tego to hydrofobowe oddziaływania między hydrofobowymi łańcuchami bocznymi i wiązania wodorowe między polarnymi łańcuchami bocznymi.
Dodatkowo niektóre białka tworzą struktury czwartorzędowe, zespoły dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych. Na przykład hemoglobina jest białkiem składającym się z czterech podjednostek, dwóch α i dwóch β.
Naukowcy mogą wykorzystać strukturę białka do przewidywania jego funkcji i lokalizacji w komórce. Białka w cytoplazmie komórki mają na swojej powierzchni aminokwasy hydrofilowe, które oddziałują z wodą w cytoplazmie i mają rdzenie hydrofobowe.
Natomiast białka obecne w błonach komórkowych często mają na powierzchni aminokwasy hydrofobowe, które oddziałują z glicerofosfolipidami w błonie i mają rdzenie hydrofilowe.

<ol>
	<li>Nelson, D. L. i Cox, M. M. (2008). Zasady biochemii Lehningera (wyd. 5). W.H. Freemana. Strona 113-140</li>
	<li>Struktura krystaliczna hemoglobiny w stanie T z tlenem związanym we wszystkich czterech hemach.Paoli, M., Liddington, R., Tame, J., Wilkinson, A., Dodson, G. (1996) J Mol Biol 256: 775</li>
</ol>

białko i struktura białka

Białka są jednymi z najobficiej występujących cząsteczek organicznych w żywych systemach i mają najbardziej zróżnicowany zakres funkcji spośród wszystkich makrocząsteczek. Białka mogą być strukturalne, regulacyjne, kurczliwe lub ochronne. Mogą służyć w transporcie, magazynowaniu lub błonach; mogą też być toksynami lub enzymami. Ich struktury, podobnie jak funkcje, są bardzo zróżnicowane. Wszystkie są jednak polimerami aminokwasów ułożonymi w sekwencji liniowej.

Kształt białka ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji. Na przykład enzym może wiązać specyficzny substrat w jego miejscu aktywnym. Jeśli to miejsce aktywne zostanie zmienione z powodu lokalnych zmian lub zmian w ogólnej strukturze białka, enzym może nie być w stanie związać się z substratem. Aby zrozumieć, w jaki sposób białko uzyskuje swój ostateczny kształt lub konformację, musimy zrozumieć cztery poziomy struktury białka: pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową.

Struktura pierwszorzędowa

Unikalna sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym jest jego strukturą pierwszorzędową. Na przykład insulina, hormon trzustki, ma dwa łańcuchy polipeptydowe, A i B, połączone ze sobą wiązaniami dwusiarczkowymi. N-końcowym aminokwasem łańcucha A jest glicyna; podczas gdy aminokwasem C-końcowym jest asparagina. Sekwencje aminokwasów w łańcuchach A i B są unikalne dla insuliny.

Gen kodujący białko ostatecznie określa unikalną sekwencję każdego białka. Zmiana sekwencji nukleotydowej regionu kodującego genu może prowadzić do dodania innego aminokwasu do rosnącego łańcucha polipeptydowego, powodując zmianę struktury i funkcji białka. W anemii sierpowatokrwinkowej łańcuch β hemoglobiny ma pojedyncze podstawienie aminokwasu, powodując zmianę struktury i funkcji białka. W szczególności walina w łańcuchu β zastępuje aminokwas - kwas glutaminowy. Z powodu tej zmiany jednego aminokwasu w łańcuchu cząsteczki hemoglobiny tworzą długie włókna, które zniekształcają dwuwklęsłe lub w kształcie dysku czerwone krwinki i powodują, że przyjmują one kształt półksiężyca lub „sierpa”, co zatyka naczynia krwionośne. Może to prowadzić do niezliczonych poważnych problemów zdrowotnych, takich jak duszność, zawroty głowy, bóle głowy i bóle brzucha u osób dotkniętych tą chorobą.

Struktura drugorzędowa

Lokalne fałdowanie polipeptydu w niektórych regionach powoduje powstanie drugorzędowej struktury białka. Najbardziej powszechne są struktury helisy α i pofałdowanej płaszczyzny β. Obie struktury utrzymują swój kształt za pomocą wiązań wodorowych. Wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy atomem tlenu w grupie karbonylowej w jednym aminokwasie i innym aminokwasem, który jest oddalony o cztery aminokwasy dalej w łańcuchu.

Każdy zwój spiralny w helisie alfa ma 3,6 reszt aminokwasowych. Grupy R polipeptydu (grupy wariantowe) wystają z łańcucha helisy α. W pofałdowanej płaszczyźnie β wiązania wodorowe między atomami w szkielecie łańcucha polipeptydowego tworzą „fałdy”. Grupy R są przyłączone do węgli i rozciągają się powyżej i poniżej fałd harmonijki. Pofałdowane segmenty są ustawione równolegle lub antyrównolegle względem siebie, a wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy częściowo dodatnim atomem wodoru w grupie aminowej i częściowo ujemnym atomem tlenu w grupie karbonylowej szkieletu peptydowego. Struktury helisy α i pofałdowanej płaszczyzny β występują w większości białek kulistych i włóknistych i odgrywają ważną rolę strukturalną.

Struktura trzeciorzędowa

Unikalną trójwymiarową strukturą polipeptydu jest jego struktura trzeciorzędowa. Struktura ta jest częściowo spowodowana interakcjami chemicznymi zachodzącymi w łańcuchu polipeptydowym. Przede wszystkim interakcje między grupami R tworzą złożoną trójwymiarową strukturę trzeciorzędową białka. Charakter grup R w zaangażowanych aminokwasach może przeciwdziałać tworzeniu wiązań wodorowych, które opisaliśmy dla standardowych struktur drugorzędowych. Na przykład grupy R o podobnych ładunkach odpychają się, a grupy o różnych ładunkach przyciągają się (wiązania jonowe). Kiedy ma miejsce fałdowanie białka, hydrofobowe grupy R niepolarnych aminokwasów znajdują się we wnętrzu białka; podczas gdy hydrofilowe grupy R leżą na zewnątrz. Interakcje między łańcuchami bocznymi cysteiny tworzą wiązania disiarczkowe w obecności tlenu, jedynego wiązania kowalencyjnego, które tworzy się podczas fałdowania białka.

Wszystkie te interakcje, słabe i mocne, determinują ostateczny trójwymiarowy kształt białka. Kiedy białko traci swój trójwymiarowy kształt, może przestać działać.

Struktura czwartorzędowa

W naturze niektóre białka tworzą się z kilku polipeptydów lub podjednostek, a interakcja tych podjednostek tworzy strukturę czwartorzędową. Słabe interakcje między podjednostkami pomagają ustabilizować ogólną strukturę. Na przykład insulina (białko globularne) ma kombinację wiązań wodorowych i dwusiarczkowych, które powodują, że zbija się ona głównie w kształt kuli. Insulina zaczyna jako pojedynczy polipeptyd i traci pewne wewnętrzne sekwencje w obecności modyfikacji potranslacyjnej po utworzeniu wiązań dwusiarczkowych, które utrzymują razem pozostałe łańcuchy. Jedwab (białko włókniste) ma jednak strukturę pofałdowanej płaszczyzny β, która jest wynikiem wiązań wodorowych pomiędzy różnymi łańcuchami.

Ten tekst został zaadaptowany z <a href="https://openstax.org/books/biology-2e/pages/3-4-proteins">Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins</a>.

Białko i struktura białka

Białka są jednymi z najobficiej występujących cząsteczek organicznych w organizmach żywych i mają najbardziej zróżnicowany zakres funkcji ze wszystkich makrocząsteczek. Białka mogą ...

Education

JoVE Core

Chemistry

Chemia

Jeden

Biochemistry

Biochemia

KEY TERMS AND CONCEPTS

Kluczowe terminy i pojęcia

Protein and Protein Structure

how protein shape controls function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence.

A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or larger changes in protein structure alter that site, the enzyme may no longer bind the substrate. To understand how a protein reaches its final conformation, it helps to study four levels of structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary.

Primary structure is the unique amino acid sequence of a polypeptide chain. In insulin, the pancreatic hormone, there are two polypeptide chains, A and B, held together by disulfide bonds. The A chain begins with glycine at the N terminus and ends with asparagine at the C terminus. The gene that encodes a protein determines this sequence, so a change in the coding region can add a different amino acid and change protein structure and function. Sickle cell anemia shows this clearly. In the hemoglobin beta chain, valine replaces glutamic acid, and that single change leads hemoglobin to form long fibers that distort red blood cells into a sickle shape and clog blood vessels. This can cause breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain.

Secondary structure comes from local folding in parts of the polypeptide chain. The most common forms are the alpha helix and the beta-pleated sheet. Hydrogen bonds hold both forms in place. These bonds form between the oxygen in a carbonyl group on one amino acid and another amino acid four positions farther along the chain. In an alpha helix, each turn contains 3.6 amino acid residues, and the R groups point outward. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonds form along the backbone to create pleats. The R groups extend above and below the folds, and the strands can align parallel or antiparallel. These structures are common in globular and fibrous proteins, where they provide support.

Tertiary structure is the full three-dimensional shape of one polypeptide. Interactions among R groups are the main force behind this folding. Like charges repel, unlike charges attract through ionic bonds, and hydrophobic R groups tend to move into the protein interior while hydrophilic R groups stay outside. Cysteine side chains can also form disulfide linkages in the presence of oxygen, and this is the only covalent bond formed during protein folding. Together, these weak and strong interactions set the final shape. If a protein loses that shape, it may no longer work.

Some proteins also form quaternary structure. This happens when several polypeptide subunits join together. Weak interactions between the subunits help stabilize the overall protein. Insulin is one example of a globular protein with hydrogen and disulfide bonds that help it form a mostly ball-like shape. It begins as a single polypeptide and then loses some internal sequences during post-translational modification after the disulfide linkages form and hold the remaining chains together. Silk is another example, but it is a fibrous protein with a beta-pleated sheet structure created by hydrogen bonding between different chains.

How Protein Shape Controls Function

functional groups

Functional Groups in Organic Chemistry

Functional groups in organic chemistry are groups of atoms that give molecules specific properties. When these groups attach to a carbon skeleton, they can change how the molecule behaves. Some functional groups make a molecule hydrophilic, or water-attracting. Others make it hydrophobic, or water-repelling. Functional groups are a key part of organic chemistry and are also found in major biological molecules. They appear in carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Each functional...

structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

Lipids are nonpolar molecules that do not mix well with water. They are hydrophobic, which means “water fearing,” because they contain mostly nonpolar carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds. In cells, lipids store long-term energy as fats, help insulate plants and animals, and form protective water-repellent layers on feathers and fur. They are also part of cell membranes and serve as building blocks for many hormones. Common lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids. A...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water and Macromolecules

Cell chemistry includes water, organic molecules, and inorganic ions. These materials shape how cells store energy, build structures, and carry out life processes. Most cellular chemistry and metabolism happen in the watery cytoplasm. Water is a key part of the cell because it has special properties tied to its polarity. In a water molecule, hydrogen and oxygen form polar covalent bonds, so the molecule has no net charge but does have a slightly positive end and a slightly negative end. Oxygen...

dna base pairing

Chargaff’s Rules and DNA Pairing

Chargaff’s rules and DNA base pairing explain how DNA strands match up. In double-stranded DNA, adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C). Chargaff also found that A equals T, G equals C, and the total amount of purines (A and G) equals the total amount of pyrimidines (C and T). Watson and Crick later showed why these matches matter. A forms two hydrogen bonds with T, while G forms three hydrogen bonds with C. These pairings keep the DNA double helix a...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates as Energy and Storage Molecules

Carbohydrates are important energy sources in human and animal diets. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates. They help provide energy to the body, especially through glucose, a simple sugar found in starch and many staple foods. Carbohydrates are identified by the stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule. This means the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is usually 1:2:1. The name carbohydrate comes from this pattern,...

protein and protein structure

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence. A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or...

amino acids

Amino Acids and Protein Building

Amino acids are the building blocks of proteins. Each amino acid has the same basic structure. A central carbon atom, called the alpha carbon, is bonded to an amino group, a carboxyl group, and a hydrogen atom. Each amino acid also has an R group, or side chain, attached to the central carbon. The R group is different for every amino acid. It helps determine whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar. Scientists call these molecules amino acids because they contain both amino...

peptide bonds

Peptide Bond Formation and Shape

Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

nucleic acids

DNA and RNA: Genetic Instructions

DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

dna replication

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence. Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA...

from dna to protein

The Genetic Code and Codons

The genetic code and codons explain how cells turn DNA information into proteins. Genes first direct the sequence of mRNA, and mRNA then directs the sequence of amino acids that make up proteins. Specific proteins and RNAs carry out this decoding. Cells copy DNA into mRNA so the original DNA stays protected while the cell uses the message for protein synthesis. Copying DNA to RNA is relatively simple. One nucleotide is added to the mRNA strand for every nucleotide read on the DNA strand.

polymers

Polymer Chains and How They Form

Polymers are long chains of molecules made from repeating units called monomers. The word polymer comes from the Greek words "poly," meaning many, and "mer," meaning parts. Polymers can be found in nature, such as DNA and proteins, or made synthetically, such as plastics. A polymer’s shape helps define its properties. Some polymers form linear chains, while others are branched or arranged in complex networks. Functional groups on a polymer also affect how it behaves. The repeating units in a...

key terms and concepts

Explore how amino acid sequence, folding, and subunit interactions shape proteins. Learn the four levels of protein structure with insulin and sickle cell examples.

How Protein Shape Controls Function | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

How Protein Shape Controls Function

Description

Transcript

Tags