ცილის მესამეული სტრუქტურა არის გზა, რომლითაც პოლიპეპტიდური ჯაჭვი იკეცება სამგანზომილებიან სივრცეში. ეს კონფორმაცია წარმოიქმნება ერთმანეთისგან დაშორებულ ამინომჟავის რადიკალებს შორის ქიმიური ბმების წარმოქმნის გამო. ეს პროცესი მიმდინარეობს უჯრედის მოლეკულური მექანიზმების მონაწილეობით და უზარმაზარ როლს თამაშობს ცილების ფუნქციური აქტივობის მინიჭებაში.
მესამეული სტრუქტურის მახასიათებლები
ქიმიური ურთიერთქმედების შემდეგი ტიპები დამახასიათებელია ცილების მესამეული სტრუქტურისთვის:
- იონური;
- წყალბადი;
- ჰიდროფობიური;
- ვან დერ ვაალსი;
- დისულფიდი.
ყველა ეს ბმა (გარდა კოვალენტური დისულფიდისა) ძალზე სუსტია, თუმცა ოდენობის გამო ისინი ასტაბილურებენ მოლეკულის სივრცულ ფორმას.
ფაქტობრივად, პოლიპეპტიდური ჯაჭვების დაკეცვის მესამე დონე არის მეორადი სტრუქტურის სხვადასხვა ელემენტების კომბინაცია (α-სპირალი; β-ნაკეციანი ფენები დამარყუჟები), რომლებიც ორიენტირებულია სივრცეში გვერდითი ამინომჟავების რადიკალებს შორის ქიმიური ურთიერთქმედების გამო. ცილის მესამეული სტრუქტურის სქემატურად აღსანიშნავად, α-სპირალი მითითებულია ცილინდრებით ან სპირალური ხაზებით, დაკეცილი ფენები ისრებით და მარყუჟები მარტივი ხაზებით.
მესამეული კონფორმაციის ბუნება განისაზღვრება ჯაჭვში ამინომჟავების თანმიმდევრობით, ამიტომ ერთი და იგივე პირველადი სტრუქტურის მქონე ორი მოლეკულა თანაბარ პირობებში შეესაბამება სივრცითი შეფუთვის ერთსა და იმავე ვარიანტს. ეს კონფორმაცია უზრუნველყოფს ცილის ფუნქციურ აქტივობას და ეწოდება მშობლიური.
პროტეინის მოლეკულის დაკეცვისას აქტიური ცენტრის კომპონენტები უახლოვდება ერთმანეთს, რომლებიც პირველად სტრუქტურაში შეიძლება მნიშვნელოვნად მოიცილონ ერთმანეთს.
ერთჯაჭვიანი ცილებისთვის, მესამეული სტრუქტურა არის საბოლოო ფუნქციური ფორმა. რთული მრავალქვეგანყოფილებიანი ცილები ქმნიან მეოთხეულ სტრუქტურას, რომელიც ახასიათებს რამდენიმე ჯაჭვის განლაგებას ერთმანეთთან მიმართებაში.
ქიმიური ბმების დახასიათება ცილის მესამეულ სტრუქტურაში
უმეტესწილად, პოლიპეპტიდური ჯაჭვის დაკეცვა განპირობებულია ჰიდროფილური და ჰიდროფობიური რადიკალების თანაფარდობით. პირველები ურთიერთქმედებენ წყალბადთან (წყლის შემადგენელი ელემენტი) და, შესაბამისად, ზედაპირზე არიან, ხოლო ჰიდროფობიური რეგიონები, პირიქით, ჩქარობენ მოლეკულის ცენტრში. ეს კონფორმაცია ენერგიულად ყველაზე ხელსაყრელია. ATშედეგი არის გლობული ჰიდროფობიური ბირთვით.
ჰიდროფილური რადიკალები, რომლებიც მაინც ხვდებიან მოლეკულის ცენტრში, ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან იონური ან წყალბადის ბმების წარმოქმნით. იონური ბმები შეიძლება წარმოიშვას საპირისპიროდ დამუხტულ ამინომჟავის რადიკალებს შორის, რომლებიც არის:
არგინინის, ლიზინის ან ჰისტიდინის
წყალბადის ბმები წარმოიქმნება დაუმუხტი (OH, SH, CONH2) და დამუხტული ჰიდროფილური ჯგუფების ურთიერთქმედებით. კოვალენტური ბმები (უძლიერესი მესამეულ კონფორმაციაში) წარმოიქმნება ცისტეინის ნარჩენების SH ჯგუფებს შორის, რომლებიც ქმნიან ეგრეთ წოდებულ დისულფიდურ ხიდებს. როგორც წესი, ეს ჯგუფები ერთმანეთისგან განლაგებულია ხაზოვანი ჯაჭვით და უახლოვდებიან ერთმანეთს მხოლოდ დაწყობის პროცესის დროს. დისულფიდური ბმები არ არის დამახასიათებელი უჯრედშიდა ცილების უმეტესობისთვის.
კონფორმაციული ლაბილურობა
ვინაიდან ობლიგაციები, რომლებიც ქმნიან ცილის მესამეულ სტრუქტურას, ძალიან სუსტია, ატომების ბრაუნის მოძრაობამ ამინომჟავის ჯაჭვში შეიძლება გამოიწვიოს მათი გაწყვეტა და ახალ ადგილებში წარმოქმნა. ეს იწვევს მოლეკულის ცალკეული მონაკვეთების სივრცითი ფორმის უმნიშვნელო ცვლილებას, მაგრამ არ არღვევს ცილის ბუნებრივ კონფორმაციას. ამ ფენომენს ეწოდება კონფორმაციული ლაბილურობა. ეს უკანასკნელი დიდ როლს თამაშობს უჯრედული პროცესების ფიზიოლოგიაში.
პროტეინის კონფორმაციაზე გავლენას ახდენს მისი ურთიერთქმედება სხვებთანმოლეკულები ან ცვლილებები გარემოს ფიზიკურ და ქიმიურ პარამეტრებში.
როგორ იქმნება ცილის მესამეული სტრუქტურა
პროტეინის დაკეცვის პროცესს მის მშობლიურ ფორმაში ეწოდება დასაკეცი. ეს ფენომენი დაფუძნებულია მოლეკულის სურვილზე, მიიღოს კონფორმაცია თავისუფალი ენერგიის მინიმალური მნიშვნელობით.
არავითარ პროტეინს არ სჭირდება შუამავალი ინსტრუქტორები, რომლებიც განსაზღვრავენ მესამეულ სტრუქტურას. დაყრის ნიმუში თავდაპირველად „ჩაწერილია“ამინომჟავების თანმიმდევრობით.
თუმცა, ნორმალურ პირობებში, იმისთვის, რომ დიდი ცილის მოლეკულა მიიღოს პირველადი სტრუქტურის შესაბამისი ბუნებრივი კონფორმაცია, დასჭირდება ტრილიონ წელზე მეტი. მიუხედავად ამისა, ცოცხალ უჯრედში ეს პროცესი მხოლოდ რამდენიმე ათეულ წუთს გრძელდება. დროის ასეთ მნიშვნელოვან შემცირებას უზრუნველყოფს სპეციალიზებული დამხმარე ცილების - ფოლდაზებისა და ჩაპერონების დაკეცვაში მონაწილეობა.
მცირე ცილის მოლეკულების დაკეცვა (ჯაჭვში 100-მდე ამინომჟავა) ხდება საკმაოდ სწრაფად და შუამავლების მონაწილეობის გარეშე, რაც აჩვენა ინ ვიტრო ექსპერიმენტებმა.
დაკეცვის ფაქტორები
დაკეცვაში მონაწილე დამხმარე ცილები იყოფა ორ ჯგუფად:
- ფოლდაზები - აქვთ კატალიზური აქტივობა, საჭიროა სუბსტრატის კონცენტრაციაზე საგრძნობლად ჩამორჩენილი რაოდენობით (როგორც სხვა ფერმენტები);
- ჩაპერონები - ცილები მოქმედების სხვადასხვა მექანიზმით, საჭირო კონცენტრაციით, რომელიც შედარებულია დაკეცილი სუბსტრატის რაოდენობასთან.
ორივე ტიპის ფაქტორი მონაწილეობს დაკეცვაში, მაგრამ არ შედისსაბოლოო პროდუქტი.
ფოლდაზების ჯგუფი წარმოდგენილია 2 ფერმენტით:
- პროტეინის დისულფიდური იზომერაზა (PDI) - აკონტროლებს დისულფიდური ბმების სწორ ფორმირებას ცისტეინის დიდი რაოდენობით ნარჩენების მქონე ცილებში. ეს ფუნქცია ძალზე მნიშვნელოვანია, ვინაიდან კოვალენტური ურთიერთქმედება ძალიან ძლიერია და მცდარი კავშირების შემთხვევაში ცილა ვერ ახერხებს თავის გადაწყობას და მშობლიურ კონფორმაციას.
- პეპტიდილ-პროლილ-ცის-ტრანს-იზომერაზა - უზრუნველყოფს პროლინის გვერდებზე მდებარე რადიკალების კონფიგურაციის ცვლილებას, რაც ცვლის პოლიპეპტიდური ჯაჭვის მოხვევის ბუნებას ამ მიდამოში.
ამგვარად, ფოლდაზები ასრულებენ მაკორექტირებელ როლს ცილის მოლეკულის მესამეული კონფორმაციის ფორმირებაში.
ჩეპერონები
ჩაპერონებს სხვაგვარად უწოდებენ სითბურ შოკს ან სტრესის ცილებს. ეს გამოწვეულია მათი სეკრეციის მნიშვნელოვანი მატებით უჯრედზე უარყოფითი ზემოქმედების დროს (ტემპერატურა, რადიაცია, მძიმე ლითონები და ა.შ.).
ჩაპერონები მიეკუთვნება ცილის სამ ოჯახს: hsp60, hsp70 და hsp90. ეს ცილები ასრულებენ ბევრ ფუნქციას, მათ შორის:
- ცილების დაცვა დენატურაციისგან;
- გამორიცხვა ახლად სინთეზირებული ცილების ურთიერთქმედების ერთმანეთთან;
- რადიკალებს შორის არასწორი სუსტი ბმების წარმოქმნის პრევენცია და მათი ლაბიალიზაცია (კორექტირება).
ამგვარად, მიმდევრები ხელს უწყობენ ენერგიულად სწორი კონფორმაციის სწრაფ შეძენას, გამორიცხავენ მრავალი ვარიანტის შემთხვევითი ჩამოთვლას და იცავენ ჯერ კიდევ არ დამწიფებულსცილის მოლეკულები ერთმანეთთან არასაჭირო ურთიერთქმედებიდან. გარდა ამისა, მოკავშირეები უზრუნველყოფენ:
- პროტეინის ტრანსპორტირების ზოგიერთი ტიპი;
- დაკეცვის კონტროლი (მესამე სტრუქტურის აღდგენა მისი დაკარგვის შემდეგ);
- დაუმთავრებელი დასაკეცი მდგომარეობის შენარჩუნება (ზოგიერთი ცილისთვის).
ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, ჩაპერონის მოლეკულა რჩება შეკრული ცილასთან დაკეცვის პროცესის ბოლოს.
დენატურაცია
ცილის მესამეული სტრუქტურის დარღვევას ნებისმიერი ფაქტორების გავლენით ეწოდება დენატურაცია. ბუნებრივი კონფორმაციის დაკარგვა ხდება მაშინ, როდესაც იშლება დიდი რაოდენობით სუსტი ბმები, რომლებიც ასტაბილურებენ მოლეკულას. ამ შემთხვევაში ცილა კარგავს თავის სპეციფიკურ ფუნქციას, მაგრამ ინარჩუნებს პირველად სტრუქტურას (დენატურაციის დროს პეპტიდური ბმები არ ნადგურდება).
დენატურაციის დროს ხდება ცილის მოლეკულის სივრცითი მატება და ჰიდროფობიური უბნები კვლავ ჩნდება ზედაპირზე. პოლიპეპტიდური ჯაჭვი იძენს შემთხვევითი ხვეულის კონფორმაციას, რომლის ფორმა დამოკიდებულია ცილის მესამეული სტრუქტურის რომელი ბმებია გატეხილი. ამ ფორმით, მოლეკულა უფრო მგრძნობიარეა პროტეოლიზური ფერმენტების ზემოქმედების მიმართ.
მესამეული სტრუქტურის დამრღვევი ფაქტორები
არსებობს მთელი რიგი ფიზიკური და ქიმიური გავლენა, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს დენატურაცია. ეს მოიცავს:
- ტემპერატურა 50 გრადუსზე ზემოთ;
- გამოსხივება;
- საშუალების pH-ის შეცვლა;
- მძიმე ლითონის მარილები;
- ზოგიერთი ორგანული ნაერთები;
- სარეცხი საშუალებები.
დენატურირების ეფექტის შეწყვეტის შემდეგ, პროტეინს შეუძლია აღადგინოს მესამეული სტრუქტურა. ამ პროცესს რენატურაცია ან ხელახალი დაკეცვა ეწოდება. ინ ვიტრო პირობებში ეს შესაძლებელია მხოლოდ მცირე პროტეინებისთვის. ცოცხალ საკანში ხელახალი დაკეცვა უზრუნველყოფილია მოკავშირეების მიერ.
