Введение

Трехмерная форма белка – это третичная структура белка. Третичная структура представляет собой единую полипептидную цепь с одной или несколькими вторичными структурами белка, называемыми белковыми доменами. Боковые цепи аминокислот и полипептидный скелет могут взаимодействовать и образовывать различные типы связей. Взаимодействия и связи между боковыми цепями в конкретном белке определяют его третичную структуру. Третичная структура белка определяется его атомными координатами. Эти координаты могут относиться либо к белковому домену, либо ко всей третичной структуре. Несколько таких структур могут объединяться, образуя четвертичную структуру.

История

Наука о третичной структуре белков прошла путь от гипотез к детальному определению. Хотя Эмиль Фишер предположил, что белки состоят из полипептидных цепей и боковых цепей аминокислот, именно Дороти Мод Ринч внедрила геометрию в предсказание структуры белков. Ринч продемонстрировала это на примере модели Cyclol – первого предсказания структуры глобулярного белка. Современные методы позволяют определять третичные структуры без предварительного предсказания с точностью до 5 Å (0,5 нм) для небольших белков (менее 120 аминокислотных остатков) и, при благоприятных условиях, с уверенностью предсказывать вторичную структуру.

Термостойкость

Белок, свернутый в его нативное состояние или нативную конформацию, обычно имеет более низкую свободную энергию Гиббса (сочетание энтальпии и энтропии), чем развернутая конформация. Белок будет стремиться к конформациям с низкой энергией, что определяет его укладку в клеточной среде. Поскольку множество схожих конформаций обладают близкой энергией, структуры белков динамичны и флуктуируют между этими подобными структурами. Глобулярные белки имеют ядро, состоящее из гидрофобных аминокислотных остатков, и поверхностный слой, экспонированный воде, заряженных, гидрофильных остатков. Такая организация может стабилизировать взаимодействия внутри третичной структуры. Например, в секретируемых белках, которые не находятся в цитоплазме, дисульфидные связи между остатками цистеина помогают поддерживать третичную структуру. Наблюдается общность стабильных третичных структур у белков с разнообразными функциями и эволюционным происхождением. Например, TIM-баррель, названный в честь фермента триозофосфатизомеразы, является распространенной третичной структурой, как и высокостабильная, димерная, спирально-петлевая структура. Таким образом, белки можно классифицировать по их структурным особенностям. Базы данных белков, использующие такую классификацию, включают SCOP и CATH.

Кинетические ловушки

Кинетика сворачивания может зафиксировать белок в конформации с высокой энергией, то есть высокоэнергетическая промежуточная конформация блокирует доступ к конформации с наименьшей энергией. Конформация с высокой энергией может способствовать функции белка. Например, белок гемагглютинина вируса гриппа представляет собой единую полипептидную цепь, которая при активации протеолитически расщепляется на две полипептидные цепи. Эти две цепи удерживаются в конформации с высокой энергией. При понижении локального pH белок претерпевает энергетически выгодную конформационную перестройку, позволяющую ему проникать в мембрану клетки-хозяина.

Метастабильность

Некоторые третичные белковые структуры могут существовать в долгоживущих состояниях, которые не являются ожидаемым наиболее стабильным состоянием. Например, многие серпины (ингибиторы серинпротеаз) проявляют эту метастабильность. Они претерпевают конформационное изменение при расщеплении петли белка протеазой.

Белок-шаперон

Обычно считается, что нативное состояние белка также является наиболее термодинамически стабильным, и что белок достигнет своего нативного состояния, исходя из его химической кинетики, до завершения его синтеза. Белковые шапероны в цитоплазме клетки помогают вновь синтезированному полипептиду принять свое нативное состояние. Некоторые шапероны обладают высокой специфичностью в своей функции, например, белковая дисульфид-изомераза, в то время как другие выполняют более общую функцию и могут помогать большинству глобулярных белков, например, прокариотическая система GroEL/GroES и гомологичные ей эукариотические белки теплового шока (система Hsp60/Hsp10).

Цитоплазматическая среда

Прогнозирование третичной структуры белка основывается на знании его первичной структуры и сравнении возможных предсказанных третичных структур с известными третичными структурами, хранящимися в банках данных о белках. При этом цитоплазматическая среда, присутствующая во время синтеза белка, учитывается лишь в той мере, в которой сходная цитоплазматическая среда могла повлиять на структуру белков, зафиксированных в банках данных.

Определение

Знание третичной структуры растворимых глобулярных белков более развито, чем знание структуры мембранных белков, поскольку первые легче исследовать с использованием имеющихся технологий.

Рентгеновская кристаллография

Рентгеновская кристаллография — наиболее распространенный метод, используемый для определения структуры белка. Она обеспечивает высокое разрешение структуры, но не предоставляет информации о конформационной подвижности белка.

МНР

Протеиновый ЯМР обеспечивает сравнительно низкое разрешение структуры белка. Он применим в основном к белкам меньшего размера. Однако он может предоставить информацию о конформационных изменениях белка в растворе.

Криогенная электронная микроскопия

Криогенная электронная микроскопия (крио-ЭМ) позволяет получить информацию как о третичной, так и о четвертичной структуре белка. Она особенно хорошо подходит для изучения крупных белков и симметричных комплексов из белковых субъединиц.

Интерферометрия двойной поляризации

Интерферометрия двойной поляризации предоставляет дополнительную информацию о белках, захваченных на поверхности. Она позволяет определять изменения структуры и конформации во времени.

Болезни агрегации белков

Болезни, связанные с агрегацией белков, такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Гентингтона, а также прионные заболевания, например, губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, могут быть лучше изучены посредством создания (и воссоздания) моделей заболеваний. Это достигается путем индуцирования заболевания у лабораторных животных, например, введением токсина, такого как МТТФ, для вызывания болезни Паркинсона, или с помощью генетической манипуляции. Прогнозирование структуры белка – это новый подход к созданию моделей заболеваний, который может позволить избежать использования животных.

Проект по восстановлению третичной структуры белка (CoMOGrad)

Сопоставление фрагментов в третичной структуре заданного белка с огромным количеством известных третичных структур белков и извлечение наиболее похожих в ранжированном порядке является ключевым элементом многих областей исследований, таких как предсказание функции новых белков, изучение эволюции, диагностика заболеваний, поиск лекарственных препаратов, разработка антител и т.д. Проект CoMOGrad в BUET – это исследовательская работа, направленная на создание чрезвычайно быстрого и точного метода поиска третичных структур белков и разработку онлайн-инструмента на основе полученных результатов.