La structure tertiaire d'une protéine est la façon dont une chaîne polypeptidique est repliée dans un espace tridimensionnel. Cette conformation est due à la formation de liaisons chimiques entre des radicaux d'acides aminés éloignés les uns des autres. Ce processus est réalisé avec la participation des mécanismes moléculaires de la cellule et joue un rôle énorme dans l'activité fonctionnelle des protéines.
Caractéristiques de la structure tertiaire
Les types d'interactions chimiques suivants sont caractéristiques de la structure tertiaire des protéines:
- ionique;
- hydrogène;
- hydrophobe;
- van der Waals;
- disulfure.
Toutes ces liaisons (à l'exception du disulfure covalent) sont cependant très faibles en raison de la quantité de stabilisation de la forme spatiale de la molécule.
En fait, le troisième niveau de repliement des chaînes polypeptidiques est une combinaison de divers éléments de la structure secondaire (hélices α; couches plissées β etboucles), qui sont orientées dans l'espace en raison des interactions chimiques entre les radicaux d'acides aminés latéraux. Pour indiquer schématiquement la structure tertiaire d'une protéine, les hélices α sont indiquées par des cylindres ou des lignes en spirale, les couches pliées par des flèches et les boucles par des lignes simples.
La nature de la conformation tertiaire est déterminée par la séquence d'acides aminés dans la chaîne, donc deux molécules avec la même structure primaire dans des conditions égales correspondront à la même variante d'emballage spatial. Cette conformation assure l'activité fonctionnelle de la protéine et est dite native.
Lors du repliement de la molécule de protéine, les composants du centre actif se rapprochent, ce qui dans la structure primaire peut être considérablement éloigné l'un de l'autre.
Pour les protéines simple brin, la structure tertiaire est la forme fonctionnelle finale. Les protéines multi-sous-unités complexes forment une structure quaternaire qui caractérise l'arrangement de plusieurs chaînes les unes par rapport aux autres.
Caractérisation des liaisons chimiques dans la structure tertiaire d'une protéine
Dans une large mesure, le repliement de la chaîne polypeptidique est dû au rapport des radicaux hydrophiles et hydrophobes. Les premiers ont tendance à interagir avec l'hydrogène (élément constitutif de l'eau) et sont donc en surface, tandis que les régions hydrophobes, au contraire, se ruent vers le centre de la molécule. Cette conformation est énergétiquement la plus favorable. Àle résultat est un globule avec un noyau hydrophobe.
Les radicaux hydrophiles, qui tombent pourtant au centre de la molécule, interagissent entre eux pour former des liaisons ioniques ou hydrogène. Des liaisons ioniques peuvent se produire entre des radicaux d'acides aminés chargés de manière opposée, qui sont:
- groupes cationiques de l'arginine, de la lysine ou de l'histidine (ont une charge positive);
- Groupes carboxyle des radicaux acide glutamique et aspartique (ont une charge négative).
Les liaisons hydrogène sont formées par l'interaction de groupes hydrophiles non chargés (OH, SH, CONH2) et chargés. Des liaisons covalentes (les plus fortes dans la conformation tertiaire) apparaissent entre les groupes SH des résidus de cystéine, formant ce que l'on appelle des ponts disulfure. Typiquement, ces groupes sont espacés dans une chaîne linéaire et ne se rapprochent que pendant le processus d'empilement. Les liaisons disulfure ne sont pas caractéristiques de la plupart des protéines intracellulaires.
Labilité conformationnelle
Étant donné que les liaisons qui forment la structure tertiaire d'une protéine sont très faibles, le mouvement brownien des atomes d'une chaîne d'acides aminés peut provoquer leur rupture et leur formation à de nouveaux endroits. Cela conduit à un léger changement dans la forme spatiale des sections individuelles de la molécule, mais ne viole pas la conformation native de la protéine. Ce phénomène est appelé labilité conformationnelle. Ce dernier joue un rôle énorme dans la physiologie des processus cellulaires.
La conformation des protéines est influencée par ses interactions avec les autresmolécules ou modifications des paramètres physiques et chimiques du milieu.
Comment se forme la structure tertiaire d'une protéine
Le processus de repliement d'une protéine dans sa forme native est appelé repliement. Ce phénomène est basé sur le désir de la molécule d'adopter une conformation avec une valeur minimale d'énergie libre.
Aucune protéine n'a besoin d'instructeurs intermédiaires qui détermineront la structure tertiaire. Le schéma de ponte est initialement "enregistré" dans la séquence d'acides aminés.
Cependant, dans des conditions normales, pour qu'une grosse molécule de protéine adopte une conformation native correspondant à la structure primaire, il faudrait plus d'un billion d'années. Néanmoins, dans une cellule vivante, ce processus ne dure que quelques dizaines de minutes. Une telle réduction significative du temps est fournie par la participation au repliement de protéines auxiliaires spécialisées - foldases et chaperons.
Le repliement de petites molécules protéiques (jusqu'à 100 acides aminés dans une chaîne) se produit assez rapidement et sans la participation d'intermédiaires, ce qui a été démontré par des expériences in vitro.
Facteurs de pliage
Les protéines auxiliaires impliquées dans le repliement sont divisées en deux groupes:
- foldases - ont une activité catalytique, sont nécessaires en quantité nettement inférieure à la concentration du substrat (comme d'autres enzymes);
- chaperones - protéines avec une variété de mécanismes d'action, nécessaires à une concentration comparable à la quantité de substrat plié.
Les deux types de facteurs participent au pliage, mais ne sont pas inclus dansproduit final.
Le groupe des foldases est représenté par 2 enzymes:
- Protéine disulfure isomérase (PDI) - contrôle la formation correcte de liaisons disulfure dans les protéines contenant un grand nombre de résidus de cystéine. Cette fonction est très importante, car les interactions covalentes sont très fortes, et en cas de connexions erronées, la protéine ne pourrait pas se réarranger et prendre une conformation native.
- Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - fournit un changement dans la configuration des radicaux situés sur les côtés de la proline, ce qui modifie la nature de la courbure de la chaîne polypeptidique dans cette zone.
Ainsi, les foldases jouent un rôle correctif dans la formation de la conformation tertiaire de la molécule protéique.
Chaperons
Les chaperons sont également appelés protéines de choc thermique ou protéines de stress. Cela est dû à une augmentation significative de leur sécrétion lors d'effets négatifs sur la cellule (température, rayonnement, métaux lourds, etc.).
Les chaperons appartiennent à trois familles de protéines: hsp60, hsp70 et hsp90. Ces protéines remplissent de nombreuses fonctions, notamment:
- Protection des protéines contre la dénaturation;
- exclusion de l'interaction des protéines nouvellement synthétisées entre elles;
- prévenir la formation de liaisons faibles incorrectes entre les radicaux et leur labialisation (correction).
Ainsi, les chaperons contribuent à l'acquisition rapide de la conformation énergétiquement correcte, excluant l'énumération aléatoire de nombreuses options et protégeant les pas encore mûrsmolécules de protéines d'une interaction inutile les unes avec les autres. De plus, les chaperons fournissent:
- certains types de transport de protéines;
- contrôle du repliement (restauration de la structure tertiaire après sa perte);
- maintenir un état de repliement inachevé (pour certaines protéines).
Dans ce dernier cas, la molécule chaperon reste liée à la protéine à la fin du processus de repliement.
Dénaturation
La violation de la structure tertiaire d'une protéine sous l'influence de n'importe quel facteur est appelée dénaturation. La perte de la conformation native se produit lorsqu'un grand nombre de liaisons faibles qui stabilisent la molécule sont rompues. Dans ce cas, la protéine perd sa fonction spécifique, mais conserve sa structure primaire (les liaisons peptidiques ne sont pas détruites lors de la dénaturation).
Pendant la dénaturation, une augmentation spatiale de la molécule de protéine se produit et des zones hydrophobes remontent à la surface. La chaîne polypeptidique acquiert la conformation d'une bobine aléatoire, dont la forme dépend des liaisons de la structure tertiaire de la protéine qui ont été rompues. Sous cette forme, la molécule est plus sensible aux effets des enzymes protéolytiques.
Facteurs violant la structure tertiaire
Il existe un certain nombre d'influences physiques et chimiques qui peuvent provoquer une dénaturation. Ceux-ci incluent:
- température supérieure à 50 degrés;
- rayonnement;
- modifier le pH du milieu;
- sels de métaux lourds;
- certains composés organiques;
- détergents.
Après la fin de l'effet dénaturant, la protéine peut restaurer la structure tertiaire. Ce processus est appelé renaturation ou repliement. Dans des conditions in vitro, cela n'est possible que pour les petites protéines. Dans une cellule vivante, le repliement est assuré par des chaperons.
