Valgu tertsiaarne struktuur on viis, kuidas polüpeptiidahelat volditakse kolmemõõtmelises ruumis. See konformatsioon tuleneb keemiliste sidemete moodustumisest üksteisest kaugel asuvate aminohapperadikaalide vahel. See protsess viiakse läbi raku molekulaarsete mehhanismide osalusel ja sellel on suur roll valkudele funktsionaalse aktiivsuse andmisel.
Tertsiaarse struktuuri tunnused
Valkude tertsiaarsele struktuurile on iseloomulikud järgmised keemilised vastasmõjud:
- iooniline;
- vesinik;
- hüdrofoobne;
- van der Waals;
- disulfiid.
Kõik need sidemed (välja arvatud kovalentne disulfiid) on siiski väga nõrgad, kuna need stabiliseerivad molekuli ruumilist kuju.
Tegelikult on polüpeptiidahelate voltimise kolmas tase sekundaarstruktuuri erinevate elementide (α-heeliksid, β-volditud kihid jasilmused), mis on ruumis orienteeritud külgmiste aminohapperadikaalide vahelise keemilise interaktsiooni tõttu. Valgu tertsiaarse struktuuri skemaatiliseks näitamiseks on α-heeliksid tähistatud silindrite või spiraalsete joontega, volditud kihid nooltega ja silmused lihtsate joontega.
Tertsiaarse konformatsiooni olemuse määrab ahela aminohapete järjestus, nii et kaks sama primaarstruktuuriga molekuli võrdsetel tingimustel vastavad samale ruumilise pakkimise variandile. See konformatsioon tagab valgu funktsionaalse aktiivsuse ja seda nimetatakse natiivseks.
Valgumolekuli voltimise käigus lähenevad aktiivtsentri komponendid üksteisele lähemale, mis primaarstruktuuris võivad üksteisest oluliselt eemalduda.
Üheahelaliste valkude puhul on tertsiaarne struktuur lõplik funktsionaalne vorm. Komplekssed mitmesubühikulised valgud moodustavad kvaternaarse struktuuri, mis iseloomustab mitme ahela paigutust üksteise suhtes.
Keemiliste sidemete iseloomustus valgu tertsiaarstruktuuris
Suural määral on polüpeptiidahela voltimine tingitud hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete radikaalide vahekorrast. Esimesed kipuvad suhtlema vesinikuga (vee koostisosa) ja asuvad seetõttu pinnal, hüdrofoobsed piirkonnad aga tormavad molekuli keskmesse. See konformatsioon on energeetiliselt kõige soodsam. ATtulemuseks on hüdrofoobse tuumaga kerake.
Hüdrofiilsed radikaalid, mis siiski langevad molekuli keskmesse, interakteeruvad üksteisega, moodustades ioonseid või vesiniksidemeid. Ioonsed sidemed võivad tekkida vastupidiselt laetud aminohapperadikaalide vahel, milleks on:
- arginiini, lüsiini või histidiini katioonsed rühmad (positiivse laenguga);
- Glutamiin- ja asparagiinhapperadikaalide karboksüülrühmad (negatiivse laenguga).
Vesiniksidemed tekivad laenguta (OH, SH, CONH2) ja laetud hüdrofiilsete rühmade vastasmõjul. Kovalentsed sidemed (kõige tugevamad tertsiaarses konformatsioonis) tekivad tsüsteiinijääkide SH-rühmade vahel, moodustades niinimetatud disulfiidsillad. Tavaliselt on need rühmad lineaarses ahelas üksteisest eemal ja lähenevad üksteisele ainult virnastamise ajal. Disulfiidsidemed ei ole iseloomulikud enamikule rakusisestele valkudele.
Konformatsiooniline labiilsus
Kuna valgu tertsiaarstruktuuri moodustavad sidemed on väga nõrgad, võib aatomite Browni liikumine aminohappeahelas põhjustada nende purunemise ja uutesse kohtadesse moodustumise. See toob kaasa molekuli üksikute osade ruumilise kuju vähese muutumise, kuid ei riku valgu natiivset konformatsiooni. Seda nähtust nimetatakse konformatsiooniliseks labiilsuseks. Viimane mängib rakuprotsesside füsioloogias tohutut rolli.
Valkude konformatsiooni mõjutavad selle koostoimed teistegamolekulid või muutused söötme füüsikalistes ja keemilistes parameetrites.
Kuidas moodustub valgu tertsiaarne struktuur
Valgu natiivseks vormiks voltimise protsessi nimetatakse voltimiseks. See nähtus põhineb molekuli soovil omandada konformatsioon minimaalse vaba energia väärtusega.
Ükski valk ei vaja vaheinstruktoreid, kes määravad kolmanda taseme struktuuri. Munemismuster on algselt "salvestatud" aminohapete järjestusse.
Normaalsetes tingimustes kuluks aga selleks, et suur valgumolekul võtaks omaks primaarstruktuurile vastava natiivse konformatsiooni, rohkem kui triljon aastat. Sellest hoolimata kestab see protsess elusrakus vaid mõnikümmend minutit. Sellise olulise aja lühenemise tagab spetsiaalsete abivalkude – foldaaside ja chaperoonide – voltimises osalemine.
Väikeste valgumolekulide (ahelas kuni 100 aminohapet) voltimine toimub üsna kiiresti ja ilma vahendajate osaluseta, mida näitasid in vitro katsed.
Kinduvad tegurid
Volitimises osalevad abivalgud jagunevad kahte rühma:
- foldaasid – neil on katalüütiline aktiivsus, neid vajatakse substraadi kontsentratsioonist oluliselt väiksemas koguses (nagu ka teised ensüümid);
- chaperones – mitmesuguse toimemehhanismiga valgud, mida on vaja volditud substraadi kogusega võrreldavas kontsentratsioonis.
Mõlemat tüüpi tegurid osalevad voltimises, kuid neid ei arvestatalõpptoode.
Foldaaside rühma esindavad 2 ensüümi:
- Valgu disulfiidisomeraas (PDI) – kontrollib disulfiidsidemete õiget moodustumist valkudes, milles on palju tsüsteiinijääke. See funktsioon on väga oluline, kuna kovalentsed interaktsioonid on väga tugevad ja ekslike ühenduste korral ei suuda valk end ümber korraldada ega omandada natiivset konformatsiooni.
- Peptidüül-prolüül-cis-trans-isomeraas – muudab proliini külgedel paiknevate radikaalide konfiguratsiooni, mis muudab polüpeptiidahela painde olemust selles piirkonnas.
Seega mängivad folaasid valgumolekuli tertsiaarse konformatsiooni moodustamisel korrigeerivat rolli.
Saatjad
Kaperone nimetatakse muidu kuumašoki- või stressivalkudeks. Selle põhjuseks on nende sekretsiooni märkimisväärne suurenemine rakule avaldatava negatiivse mõju korral (temperatuur, kiirgus, raskmetallid jne).
Caperones kuuluvad kolme valgu perekonda: hsp60, hsp70 ja hsp90. Need valgud täidavad paljusid funktsioone, sealhulgas:
- Valkude kaitse denaturatsiooni eest;
- äsja sünteesitud valkude omavahelise interaktsiooni välistamine;
- valede nõrkade sidemete tekke vältimine radikaalide vahel ja nende labialiseerimine (korrektsioon).
Seega aitavad saatjad kaasa energeetiliselt õige kehaehituse kiirele omandamisele, välistades paljude võimaluste juhusliku loendamise ja kaitstes veel mitteküpseidvalgumolekulid tarbetu vastastikmõju eest. Lisaks pakuvad saatjad:
- mõned valgu transpordiliigid;
- ümbervoltimise juhtimine (tertsiaarse struktuuri taastamine pärast selle kadumist);
- lõpetamata voltimisoleku säilitamine (mõnede valkude puhul).
Viimasel juhul jääb chaperooni molekul voltimisprotsessi lõpus valguga seotuks.
Denaturatsioon
Valgu tertsiaarse struktuuri rikkumist mis tahes tegurite mõjul nimetatakse denaturatsiooniks. Loodusliku konformatsiooni kadumine toimub siis, kui puruneb suur hulk molekuli stabiliseerivaid nõrku sidemeid. Sel juhul kaotab valk oma spetsiifilise funktsiooni, kuid säilitab oma esmase struktuuri (denatureerimise käigus peptiidsidemed ei hävi).
Denatureerimise ajal toimub valgu molekuli ruumiline suurenemine ja hüdrofoobsed alad tulevad uuesti pinnale. Polüpeptiidahel omandab juhusliku spiraali konformatsiooni, mille kuju sõltub sellest, millised valgu tertsiaarstruktuuri sidemed on katkenud. Sellisel kujul on molekul vastuvõtlikum proteolüütiliste ensüümide toimele.
Tertsiaarset struktuuri rikkuvad tegurid
Denaturatsiooni võivad põhjustada mitmed füüsikalised ja keemilised mõjud. Nende hulka kuuluvad:
- temperatuur üle 50 kraadi;
- kiirgus;
- söötme pH muutmine;
- raskemetallide soolad;
- mõned orgaanilised ühendid;
- pesuvahendid.
Pärast denatureeriva toime lõppemist võib valk taastada tertsiaarse struktuuri. Seda protsessi nimetatakse renaturatsiooniks või ümbervoltimiseks. In vitro tingimustes on see võimalik ainult väikeste valkude puhul. Elusrakus pakuvad ümbervoltimist saatjad.
