البنية الثالثية للبروتين

عادةً ما يمتلك البروتين المطوي في حالته الأصلية أو بنيته الأصلية طاقة جيبس ​​الحرة (مزيج من المحتوى الحراري والإنتروبيا ) أقل من بنيته غير المطوية. يميل البروتين إلى اتخاذ بنيات منخفضة الطاقة، مما يحدد طيه في البيئة الخلوية . ولأن العديد من البنيات المتشابهة تمتلك طاقات متقاربة، فإن بنى البروتينات ديناميكية ، وتتأرجح بين هذه البنى المتشابهة.

تتكون البروتينات الكروية من لبٍّ من بقايا الأحماض الأمينية الكارهة للماء ، ومنطقة سطحية من بقايا الأحماض الأمينية المحبة للماء والمشحونة المعرضة للماء. قد يُسهم هذا الترتيب في استقرار التفاعلات داخل البنية الثالثية. على سبيل المثال، في البروتينات المُفرزة ، التي لا تغمرها السيتوبلازم ، تُساعد روابط ثنائي الكبريتيد بين بقايا السيستين في الحفاظ على البنية الثالثية. توجد سمات مشتركة للبنى الثالثية المستقرة في البروتينات ذات الوظائف والتطورات المتنوعة . على سبيل المثال، يُعد برميل TIM ، المُسمى نسبةً إلى إنزيم إيزوميراز ثلاثي فوسفات ، بنية ثالثية شائعة ، وكذلك بنية اللولب المزدوج ثنائية الوحدات شديدة الاستقرار . لذا، يُمكن تصنيف البروتينات وفقًا للبنى التي تحتويها. تشمل قواعد بيانات البروتينات التي تستخدم هذا التصنيف SCOP و CATH .

قد تُؤدي حركية طي البروتين إلى احتجازه في هيئة ذات طاقة عالية ، أي أن هيئة وسيطة ذات طاقة عالية تمنع الوصول إلى الهيئة ذات الطاقة الأدنى. قد تُساهم هذه الهيئة ذات الطاقة العالية في وظيفة البروتين. على سبيل المثال، بروتين الهيماغلوتينين الخاص بفيروس الإنفلونزا عبارة عن سلسلة ببتيدية واحدة، وعند تنشيطها، تُشطر إنزيميًا لتكوين سلسلتين ببتيديتين. تبقى السلسلتان في هيئة ذات طاقة عالية. عندما ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني الموضعي ، يخضع البروتين لإعادة ترتيب بنيوي مُلائم طاقيًا يُمكّنه من اختراق غشاء الخلية المضيفة .

قد توجد بعض البنى البروتينية الثلاثية في حالات طويلة الأمد لا تُعدّ الحالة الأكثر استقرارًا المتوقعة. على سبيل المثال، تُظهر العديد من مثبطات سيرين بروتياز (سيربينات) هذه الحالة شبه المستقرة . إذ تخضع لتغير بنيوي عندما يقطع إنزيم البروتياز حلقة من البروتين . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

يُفترض عمومًا أن الحالة الأصلية للبروتين هي الأكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية ، وأن البروتين سيصل إلى حالته الأصلية، نظرًا لحركيته الكيميائية ، قبل ترجمته . تساعد البروتينات المرافقة داخل سيتوبلازم الخلية عديد الببتيد المُصنَّع حديثًا على الوصول إلى حالته الأصلية. بعض هذه البروتينات المرافقة شديدة التخصص في وظيفتها، مثل إنزيم إيزوميراز ثنائي كبريتيد البروتين ؛ بينما البعض الآخر عام في وظيفته وقد يساعد معظم البروتينات الكروية، مثل نظام بروتينات GroEL / GroES بدائيات النوى وبروتينات الصدمة الحرارية المتماثلة في حقيقيات النوى (نظام Hsp60/Hsp10).

يعتمد التنبؤ بالبنية الثالثية للبروتين على معرفة بنيته الأولية ومقارنة البنية الثالثية المتوقعة مع البنى الثالثية المعروفة في قواعد بيانات البروتينات . ولا يأخذ هذا في الحسبان سوى البيئة السيتوبلازمية الموجودة وقت تخليق البروتين، وذلك لأن بيئة سيتوبلازمية مماثلة قد تكون أثرت أيضًا على بنية البروتينات المسجلة في قاعدة بيانات البروتينات.

قد يتغير تركيب البروتين، مثل الإنزيم ، عند ارتباطه بالروابط الطبيعية الخاصة به، كالعامل المساعد على سبيل المثال . في هذه الحالة، يُعرف تركيب البروتين المرتبط بالرابط باسم التركيب الكامل (holo structure)، بينما يُعرف تركيب البروتين غير المرتبط باسم التركيب الخالي من الروابط (apo structure). ^{[ 9 ]}

يتم تثبيت البنية من خلال تكوين روابط ضعيفة بين السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية - يتم تحديدها من خلال طي سلسلة البولي ببتيد على نفسها (توجد البقايا غير القطبية داخل البروتين، بينما توجد البقايا القطبية بشكل رئيسي في الخارج) - يؤدي تغليف البروتين إلى تقريب البروتين وربطه بالبقايا الموجودة في مناطق بعيدة من التسلسل - يؤدي اكتساب البنية الثالثية إلى تكوين جيوب ومواقع مناسبة للتعرف على جزيئات محددة وربطها (التخصص الحيوي).

يُعد علم البلورات بالأشعة السينية الأداة الأكثر شيوعاً لتحديد بنية البروتين . فهو يوفر دقة عالية للبنية، ولكنه لا يقدم معلومات حول مرونة البروتين من حيث التكوين .

يوفر الرنين النووي المغناطيسي للبروتينات دقة أقل نسبيًا في تحديد بنية البروتين، ويقتصر استخدامه على البروتينات الصغيرة. مع ذلك، يمكنه توفير معلومات حول التغيرات البنيوية التي تطرأ على البروتين في المحلول.

يمكن للمجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) أن يوفر معلومات حول البنية الثالثية والرابعية للبروتين. وهو مناسب بشكل خاص للبروتينات الكبيرة والمعقدات المتناظرة لوحدات البروتين الفرعية .

يوفر قياس التداخل ثنائي الاستقطاب معلومات تكميلية حول البروتينات المحتجزة على السطح. ويساعد في تحديد التغيرات في البنية والتكوين بمرور الوقت.

مشروع Folding@home في جامعة بنسلفانيا هو جهد بحثي في ​​مجال الحوسبة الموزعة ، يستخدم ما يقارب 5 بيتا فلوبس (≈10 × 86 بيتا فلوبس) من موارد الحوسبة المتاحة. ويهدف المشروع إلى إيجاد خوارزمية تتنبأ باستمرار بالبنية الثالثية والرابعية للبروتينات، وذلك بمعرفة تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين وظروفه الخلوية. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

يمكن العثور على قائمة ببرامج التنبؤ بالبنية الثلاثية للبروتين في قائمة برامج التنبؤ ببنية البروتين .