3.3: Zwijanie białek

Przegląd

Białka to łańcuchy aminokwasów połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi. Podczas syntezy białko zwija się w trójwymiarową konformację, która ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji biologicznej. Interakcje między aminokwasami składowymi kierują fałdowaniem białek, a zatem struktura białka zależy przede wszystkim od sekwencji aminokwasów.

Struktura białka ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji biologicznej

Białka pełnią szeroki zakres funkcji biologicznych, takich jak katalizowanie reakcji chemicznych, zapewnianie obrony immunologicznej, magazynowanie, transport, komunikacja komórkowa, ruch i wsparcie strukturalne. Funkcja białka zależy głównie od jego zdolności do rozpoznawania i wiązania innych cząsteczek, analogicznie do zamka i klucza. Stąd specyficzna aktywność każdego białka zależy od jego unikalnej trójwymiarowej architektury.

Aby białko było funkcjonalne, musi się dokładnie składać. Większość białek przechodzi przez kilka form pośrednich, zanim złoży się w najbardziej stabilną, biologicznie aktywną strukturę. Nieprawidłowe fałdowanie białek ma szkodliwy wpływ na ogólne funkcjonowanie komórki. U ludzi kilka chorób wynika z gromadzenia się nieprawidłowo sfałdowanych lub nierozwiniętych białek. Należą do nich mukowiscydoza, choroba Alzheimera, Parkinsona, ALS i choroba Creutzfeldta-Jakoba.

Kluczowe determinanty struktury białek

Białka składają się z jednego lub większej liczby łańcuchów aminokwasów, zwanych polipeptydami. Polipeptyd syntetyzuje się w postaci liniowego łańcucha, który szybko zwija się, tworząc trójwymiarową strukturę. Terminy polipeptyd i białko są czasami używane zamiennie, ale najczęściej zwinięty polipeptyd, który może pełnić funkcję biologiczną, nazywany jest białkiem. Strukturę białka opisuje się zwykle na czterech poziomach: pierwotnym, wtórnym, trzeciorzędowym i czwartorzędowym. Większość polipeptydów składa się w ogólnie zwarte, kuliste struktury trzeciorzędowe, takie jak hemoglobina, białko przenoszące tlen we krwi. Niektóre białka, takie jak keratyny, mogą tworzyć długie włókna powszechnie występujące we włosach i paznokciach.

Sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym jest głównym wyznacznikiem jego struktury. Sekwencja aminokwasów określa rodzaj i lokalizację struktur drugorzędowych. Ponadto ogólna trzeciorzędowa struktura białka jest stabilizowana głównie przez wiązania chemiczne między łańcuchami bocznymi aminokwasów — unikalnymi grupami chemicznymi, które odróżniają aminokwasy od siebie. Te łańcuchy boczne są naładowane dodatnio lub ujemnie, polarne, nienaładowane lub niepolarne.

Aminokwasy mają unikalne właściwości fizyczne i chemiczne w zależności od grup łańcuchów bocznych. Na przykład polarne i naładowane aminokwasy oddziałują z wodą, tworząc wiązania wodorowe i nazywane są hydrofilowymi; podczas gdy aminokwasy niepolarne unikają interakcji z wodą i nazywane są hydrofobowymi. Dlatego też, gdy białko ulega zwinięciu w środowisku komórkowym, łańcuchy boczne hydrofobowych aminokwasów są zakopane w rdzeniu białka z dala od wodnego otoczenia, podczas gdy hydrofilowe łańcuchy boczne aminokwasów są odsłonięte na powierzchni białka.

Ciasno upakowane hydrofobowe aminokwasy w rdzeniu białka prowadzą do powstawania słabych oddziaływań Van der Waalsa pomiędzy grupami łańcuchów bocznych. Obecność tych sił Van der Waalsa nadaje dodatkową stabilność złożonemu białku. Aminokwasy polarne eksponowane na powierzchni białka mogą swobodnie tworzyć wiązania wodorowe z cząsteczkami wody lub innymi łańcuchami bocznymi aminokwasów polarnych. Dodatnio i ujemnie naładowane aminokwasy są również obecne na zewnątrz białka, gdzie tworzą wiązania jonowe z innymi pobliskimi, przeciwnie naładowanymi aminokwasami.

Wiązania dwusiarczkowe tworzą się pomiędzy dwiema grupami sulfhydrylowymi lub SH na aminokwasie cysteinie. Jest to bardzo silna interakcja, która działa jak wzmocnienie złożonego białka. Obecność wiązań dwusiarczkowych blokuje złożone białko w jego najbardziej preferowanej trójwymiarowej konformacji. Prawidłowe zwijanie białka zależy również od innych czynników środowiska komórkowego, takich jak pH, stężenie soli, temperatura itp. Zmiana warunków fizycznych i chemicznych w środowisku białka wpływa na interakcje chemiczne utrzymujące białko razem i może powodować nieprawidłowe fałdowanie białka lub to, że rozkładają się i tracą swoją funkcję biologiczną — w procesie znanym jako denaturacja białek.

Po utworzeniu struktury drugorzędowej białko zapada się w trzeciorzędową formę kulistą, co jest unikalnym i indywidualnym potwierdzeniem 3D, które kieruje jego funkcją.

Mówiąc dokładniej, wzory składania są determinowane przez różne interakcje chemiczne. Po pierwsze, zwartość jest regulowana przez hydrofobowość grup bocznych aminokwasów, tak że łańcuchy niepolarne są wpychane do środka, tworząc hydrofobowy rdzeń z dala od środowiska wodnego. Słabe przyciąganie van der Waalsa pomaga utrzymać skupiony rdzeń.

Na zewnątrz leżą głównie aminokwasy z naładowanymi lub biegunowymi łańcuchami bocznymi, które mogą swobodnie oddziaływać z wodą. Łańcuchy boczne o przeciwnych ładunkach mogą tworzyć wiązania jonowe, podczas gdy podobnie naładowane strony odpychają się nawzajem. Polarne łańcuchy boczne mogą tworzyć wiązania wodorowe, zarówno z wodą, jak i innymi cząsteczkami polarnymi.

Wreszcie, jako zbrojenie działają mostki dwusiarczkowe. Wiązania te zachodzą między dwoma sąsiednimi monomerami cysteiny, które zawierają grupy sulfhydrylowe lub SH na swoich łańcuchach bocznych. Siarka na jednym wiąże się kowalencyjnie z drugim. Obecność tych interakcji chemicznych i wiązań zabezpiecza białko w jego najbardziej korzystnym potwierdzeniu.