โครงสร้างโปรตีน

โปรตีนมีการจัดระเบียบตามลำดับชั้น ตั้งแต่ลำดับกรดอะมิโนไปจนถึงการรวมตัวกันของหน่วยย่อยหลายหน่วย และสถาปัตยกรรมนี้เองที่ทำให้โปรตีนแต่ละชนิดมีหน้าที่เฉพาะเจาะจง

Definition

โครงสร้างโปรตีนคือการจัดเรียงตัวเชิงพื้นที่ของอะตอมในพอลิเปปไทด์ ซึ่งอธิบายได้สี่ระดับ: ลำดับปฐมภูมิ, องค์ประกอบทุติยภูมิ เช่น แอลฟาเฮลิกซ์และเบต้าชีท, การพับตัวสามมิติระดับตติยภูมิของสายโซ่เดี่ยว และการรวมตัวกันของหน่วยย่อยระดับจตุรภูมิ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างโปรตีนสี่ระดับตามแบบแผน ได้แก่ ระดับปฐมภูมิ (ลำดับ), ระดับทุติยภูมิ (รูปแบบพันธะไฮโดรเจนเฉพาะที่), ระดับตติยภูมิ (การพับตัวทั้งหมดของสายโซ่เดียว) และระดับจตุรภูมิ (การรวมตัวกันของสายโซ่หลายสาย) พร้อมด้วยพันธะและอันตรกิริยาที่กำหนดแต่ละระดับ และวิธีการทดลองที่ใช้ในการกำหนดโครงสร้าง

Core questions

• อะไรที่ทำให้แอลฟาเฮลิกซ์และเบต้าชีทมีความเสถียร?
• ลำดับปฐมภูมิเพียงพอที่จะระบุโครงสร้างตติยภูมิได้อย่างไร?
• โปรตีนเส้นใย (fibrous) และโปรตีนก้อนกลม (globular) แตกต่างกันอย่างไร?
• โครงสร้างโปรตีนถูกกำหนดด้วยการทดลองได้อย่างไร?

Key theories

โครงสร้างทุติยภูมิที่มีพันธะไฮโดรเจน

Pauling และ Corey ได้ทำนายแอลฟาเฮลิกซ์และเบต้าชีทจากลักษณะระนาบของพันธะเพปไทด์และเรขาคณิตของการสร้างพันธะไฮโดรเจนของโครงกระดูกหลัก ก่อนที่จะมีการสังเกตเห็นทั้งสองโครงสร้างนี้ ซึ่งเป็นการวางรากฐานทางกายภาพของโครงสร้างทุติยภูมิแบบปกติ

Mechanisms

พันธะเพปไทด์มีลักษณะเป็นระนาบและมีพันธะคู่บางส่วน ซึ่งจำกัดการหมุนของโครงกระดูกหลักให้อยู่ในมุมไดฮีดรัล phi และ psi ที่แสดงในแผนภาพ Ramachandran โครงสร้างทุติยภูมิจะเกิดขึ้นเมื่อกลุ่มเอไมด์และคาร์บอนิลของโครงกระดูกหลักสร้างพันธะไฮโดรเจนในรูปแบบที่สม่ำเสมอ; โครงสร้างตติยภูมิจะมีความเสถียรจากผลกระทบของภาวะไม่ชอบน้ำ (hydrophobic effect) ที่ฝังหมู่ข้างที่ไม่ชอบน้ำไว้ภายใน รวมถึงพันธะไฮโดรเจน, สะพานเกลือ (salt bridges), อันตรกิริยาแบบวานเดอร์วาลส์ และบางครั้งก็มีพันธะไดซัลไฟด์

Clinical relevance

การกำหนดโครงสร้างด้วยเทคนิค X-ray crystallography, NMR และ cryo-electron microscopy เป็นพื้นฐานของการออกแบบโดยอาศัยโครงสร้างในสาขาวิชาเคมีและวัสดุศาสตร์; การทำนายโครงสร้างด้วยคอมพิวเตอร์ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการเชื่อมโยงลำดับกับโครงสร้าง การอธิบายนี้เป็นเชิงพรรณนา ไม่ใช่เชิงแนะนำ

History

แอลฟาเฮลิกซ์และเบต้าชีทถูกเสนอโดย Pauling และ Corey ในปี 1951; โครงสร้างไมโอโกลบินของ Kendrew ในปี 1958 เป็นแบบจำลองโปรตีนที่มีความละเอียดระดับอะตอมเป็นครั้งแรก ตามมาด้วยฮีโมโกลบินของ Perutz ในเวลาไม่นาน ซึ่งยืนยันโครงสร้างทุติยภูมิที่ทำนายไว้และเป็นจุดเริ่มต้นของชีววิทยาโครงสร้าง

Key figures

• Linus Pauling
• Robert Corey
• John Kendrew
• Max Perutz
• G. N. Ramachandran

Seminal works

• pauling1951
• kendrew1958
• nelson2021

Frequently asked questions

แอลฟาเฮลิกซ์และเบต้าชีทแตกต่างกันอย่างไร?

แอลฟาเฮลิกซ์คือสายโซ่เดี่ยวที่ขดเป็นเกลียวโดยมีพันธะไฮโดรเจนอยู่ภายในส่วนเดียวกันของโครงกระดูกหลัก ในขณะที่เบต้าชีทจะจัดเรียงสายโซ่ที่ยืดออกขนานกัน โดยมีพันธะไฮโดรเจนเชื่อมระหว่างสายโซ่

ทำไมพันธะเพปไทด์จึงมีลักษณะเป็นระนาบ?

การเกิดเรโซแนนซ์ทำให้พันธะเพปไทด์ C–N มีลักษณะเป็นพันธะคู่บางส่วน ซึ่งป้องกันการหมุนรอบพันธะนี้และทำให้อะตอมทั้งหกของหน่วยเพปไทด์อยู่ในระนาบเดียวกัน