Սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքը այն ձևն է, որով պոլիպեպտիդային շղթան ծալվում է եռաչափ տարածության մեջ: Այս կոնֆորմացիան առաջանում է միմյանցից հեռու գտնվող ամինաթթուների ռադիկալների միջև քիմիական կապերի ձևավորման պատճառով: Այս գործընթացն իրականացվում է բջջի մոլեկուլային մեխանիզմների մասնակցությամբ և հսկայական դեր է խաղում սպիտակուցներին ֆունկցիոնալ ակտիվություն տալու գործում։
Երրորդական կառուցվածքի առանձնահատկությունները
Սպիտակուցների երրորդական կառուցվածքին բնորոշ են քիմիական փոխազդեցությունների հետևյալ տեսակները՝
- իոնային;
- ջրածին;
- ջրաֆոբ;
- վան դեր Վալս;
- դիսուլֆիդ.
Այս բոլոր կապերը (բացառությամբ կովալենտային դիսուլֆիդի) շատ թույլ են, սակայն քանակի պատճառով կայունացնում են մոլեկուլի տարածական ձևը։
Իրականում, պոլիպեպտիդային շղթաների ծալման երրորդ մակարդակը երկրորդական կառուցվածքի տարբեր տարրերի համակցություն է (α-սպիրիկներ, β-ծալքավոր շերտեր ևհանգույցներ), որոնք կողմնորոշված են տարածության մեջ՝ կողային ամինաթթուների ռադիկալների քիմիական փոխազդեցությունների պատճառով։ Սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքը սխեմատիկորեն ցույց տալու համար α-պտուտակները նշվում են գլաններով կամ պարուրաձև գծերով, ծալված շերտերը՝ նետերով, իսկ օղակները՝ պարզ գծերով:
Երրորդական կոնֆորմացիայի բնույթը որոշվում է շղթայում ամինաթթուների հաջորդականությամբ, ուստի նույն առաջնային կառուցվածքով երկու մոլեկուլները հավասար պայմաններում կհամապատասխանեն տարածական փաթեթավորման նույն տարբերակին: Այս կոնֆորմացիան ապահովում է սպիտակուցի ֆունկցիոնալ ակտիվությունը և կոչվում է բնիկ։
Սպիտակուցի մոլեկուլի ծալման ժամանակ ակտիվ կենտրոնի բաղադրիչները մոտենում են միմյանց, որոնք առաջնային կառուցվածքում կարող են զգալիորեն հեռացվել միմյանցից։
Միաշղթա սպիտակուցների համար երրորդական կառուցվածքը վերջնական ֆունկցիոնալ ձևն է: Բարդ բազմաշերտ սպիտակուցները կազմում են չորրորդական կառուցվածք, որը բնութագրում է մի քանի շղթաների դասավորությունը միմյանց նկատմամբ:
Քիմիական կապերի բնութագրում սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքում
Մեծ չափով պոլիպեպտիդային շղթայի ծալումը պայմանավորված է հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ ռադիկալների հարաբերակցությամբ։ Առաջինները հակված են փոխազդելու ջրածնի (ջրի բաղկացուցիչ տարր) հետ և, հետևաբար, գտնվում են մակերեսի վրա, մինչդեռ հիդրոֆոբ շրջանները, ընդհակառակը, շտապում են դեպի մոլեկուլի կենտրոն։ Այս կոնֆորմացիան էներգետիկ առումով ամենաբարենպաստն է։ ATարդյունքը հիդրոֆոբ միջուկով գնդիկ է։
Հիդրոֆիլ ռադիկալները, որոնք, այնուամենայնիվ, ընկնում են մոլեկուլի կենտրոնը, փոխազդում են միմյանց հետ՝ առաջացնելով իոնային կամ ջրածնային կապեր։ Իոնային կապեր կարող են առաջանալ հակառակ լիցքավորված ամինաթթուների ռադիկալների միջև, որոնք են՝
- արգինինի, լիզինի կամ հիստիդինի կատիոնային խմբեր (ունեն դրական լիցք);
- Գլուտամիկ և ասպարթաթթվի ռադիկալների կարբոքսիլ խմբեր (ունեն բացասական լիցք):
Ջրածնային կապերն առաջանում են չլիցքավորված (OH, SH, CONH2) և լիցքավորված հիդրոֆիլ խմբերի փոխազդեցությունից: Կովալենտային կապերը (երրորդական կոնֆորմացիայի մեջ ամենաուժեղը) առաջանում են ցիստեինի մնացորդների SH խմբերի միջև՝ ձևավորելով այսպես կոչված դիսուլֆիդային կամուրջներ։ Սովորաբար, այս խմբերը միմյանցից բաժանված են գծային շղթայի մեջ և մոտենում են միմյանց միայն կուտակման գործընթացի ժամանակ: Դիսուլֆիդային կապերը բնորոշ չեն ներբջջային սպիտակուցների մեծամասնությանը։
Կոնֆորմացիոն անկայունություն
Քանի որ սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքը ձևավորող կապերը շատ թույլ են, ամինաթթուների շղթայում ատոմների բրոունյան շարժումը կարող է առաջացնել դրանց ճեղքում և ձևավորում նոր վայրերում: Սա հանգեցնում է մոլեկուլի առանձին հատվածների տարածական ձևի աննշան փոփոխության, բայց չի խախտում սպիտակուցի բնածին կոնֆորմացիան: Այս երեւույթը կոչվում է կոնֆորմացիոն անկայունություն։ Վերջինս հսկայական դեր է խաղում բջջային պրոցեսների ֆիզիոլոգիայում։
Սպիտակուցի կառուցվածքի վրա ազդում են նրա փոխազդեցությունները ուրիշների հետմոլեկուլներ կամ միջավայրի ֆիզիկական և քիմիական պարամետրերի փոփոխություններ։
Ինչպես է ձևավորվում սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքը
Սպիտակուցը իր բնածին ձևով ծալելու գործընթացը կոչվում է ծալքավորում: Այս երևույթը հիմնված է ազատ էներգիայի նվազագույն արժեքով կոնֆորմացիա ընդունելու մոլեկուլի ցանկության վրա։
Ոչ մի սպիտակուցի կարիք չունեն միջնորդ հրահանգիչներ, որոնք կորոշեն երրորդական կառուցվածքը: Ծածկման օրինաչափությունն ի սկզբանե «գրանցվում է» ամինաթթուների հաջորդականությամբ։
Սակայն նորմալ պայմաններում, որպեսզի մեծ սպիտակուցի մոլեկուլը ընդունի հիմնական կառուցվածքին համապատասխան բնօրինակ ձևավորում, կպահանջվի ավելի քան մեկ տրիլիոն տարի: Այնուամենայնիվ, կենդանի խցում այս գործընթացը տևում է ընդամենը մի քանի տասնյակ րոպե։ Ժամանակի նման զգալի կրճատում է ապահովում մասնագիտացված օժանդակ սպիտակուցների՝ ֆոլդազների և շապերոնների ծալման մասնակցությունը։
Փոքր սպիտակուցի մոլեկուլների ծալումը (շղթայում մինչև 100 ամինաթթու) տեղի է ունենում բավականին արագ և առանց միջնորդների մասնակցության, ինչը ցույց է տվել in vitro փորձերը։
Ծալովի գործոններ
Ծալման մեջ ներգրավված օժանդակ սպիտակուցները բաժանվում են երկու խմբի՝
|
Երկու տեսակի գործոններն էլ մասնակցում են ծալման, բայց ներառված չենվերջնական արտադրանք.
Ֆոլդազների խումբը ներկայացված է 2 ֆերմենտով.
- Սպիտակուցային դիսուլֆիդ իզոմերազ (PDI) - վերահսկում է դիսուլֆիդային կապերի ճիշտ ձևավորումը մեծ քանակությամբ ցիստեինի մնացորդներով սպիտակուցներում: Այս ֆունկցիան շատ կարևոր է, քանի որ կովալենտային փոխազդեցությունները շատ ուժեղ են, և սխալ միացումների դեպքում սպիտակուցը չի կարողանա վերադասավորվել և ստանալ բնօրինակ ձևավորում:
- Պեպտիդիլ-պրոլիլ-ցիս-տրանս-իզոմերազ - ապահովում է պրոլինի կողքերում տեղակայված ռադիկալների կոնֆիգուրացիայի փոփոխություն, ինչը փոխում է այս հատվածում պոլիպեպտիդային շղթայի թեքության բնույթը:
Այսպիսով, ֆոլդազները ուղղիչ դեր են խաղում սպիտակուցի մոլեկուլի երրորդական կոնֆորմացիայի ձևավորման գործում:
Շապերոններ
Շապերոններն այլ կերպ կոչվում են ջերմային ցնցում կամ սթրեսային սպիտակուցներ: Դա պայմանավորված է բջջի վրա բացասական ազդեցության ժամանակ դրանց արտազատման զգալի աճով (ջերմաստիճան, ճառագայթում, ծանր մետաղներ և այլն):
Շապերոնները պատկանում են երեք սպիտակուցային ընտանիքների՝ hsp60, hsp70 և hsp90: Այս սպիտակուցները կատարում են բազմաթիվ գործառույթներ, այդ թվում՝
- Սպիտակուցների պաշտպանություն դենատուրացիայից;
- բացառում է նոր սինթեզված սպիտակուցների փոխազդեցությունը միմյանց հետ;
- կանխում է արմատականների միջև սխալ թույլ կապերի ձևավորումը և դրանց լաբալիզացիան (ուղղում):
Այսպիսով, կապերոնները նպաստում են էներգետիկորեն ճիշտ ձևավորման արագ ձեռքբերմանը, բացառելով բազմաթիվ տարբերակների պատահական թվարկումը և պաշտպանելով դեռևս չհասունացածսպիտակուցի մոլեկուլները միմյանց հետ անհարկի փոխազդեցությունից: Բացի այդ, ուղեկցորդները տրամադրում են՝
- սպիտակուցի փոխադրման որոշ տեսակներ;
- ծալովի հսկողություն (երրորդական կառուցվածքի վերականգնում դրա կորստից հետո);
- պահպանում է անավարտ ծալովի վիճակը (որոշ սպիտակուցների համար):
Վերջին դեպքում շապերոնի մոլեկուլը ծալման գործընթացի վերջում մնում է կապված սպիտակուցի հետ:
Դենատուրացիա
Սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքի խախտումը որևէ գործոնի ազդեցության տակ կոչվում է դենատուրացիա: Բնական կոնֆորմացիայի կորուստը տեղի է ունենում, երբ մեծ թվով թույլ կապեր, որոնք կայունացնում են մոլեկուլը, կոտրվում են: Այս դեպքում սպիտակուցը կորցնում է իր սպեցիֆիկ ֆունկցիան, սակայն պահպանում է իր առաջնային կառուցվածքը (դենատուրացիայի ժամանակ պեպտիդային կապերը չեն քայքայվում):
Դենատուրացիայի ժամանակ տեղի է ունենում սպիտակուցի մոլեկուլի տարածական աճ, և հիդրոֆոբ տարածքները նորից դուրս են գալիս մակերես: Պոլիպեպտիդային շղթան ձեռք է բերում պատահական կծիկի կոնֆորմացիա, որի ձևը կախված է նրանից, թե սպիտակուցի երրորդական կառուցվածքի որ կապերն են կոտրվել։ Այս ձևով մոլեկուլն ավելի ենթակա է պրոտեոլիտիկ ֆերմենտների ազդեցությանը:
Երրորդական կառուցվածքը խախտող գործոններ
Կան մի շարք ֆիզիկական և քիմիական ազդեցություններ, որոնք կարող են առաջացնել դենատուրացիա: Դրանք ներառում են՝
- ջերմաստիճանը 50 աստիճանից բարձր;
- ճառագայթում;
- միջավայրի pH-ի փոփոխություն;
- ծանր մետաղների աղեր;
- որոշ օրգանական միացություններ;
- Լվացող միջոցներ.
Դենատուրացնող էֆեկտի դադարեցումից հետո սպիտակուցը կարող է վերականգնել երրորդային կառուցվածքը: Այս գործընթացը կոչվում է վերականգնում կամ ծալքավորում: In vitro պայմաններում դա հնարավոր է միայն փոքր սպիտակուցների դեպքում։ Կենդանի խցում վերալիցքավորումն ապահովում են կապերոնները։
