Proteini so v glavnem zelo nestabilne molekule.Le v majhnem obsegu so stabilni pod določenimi fiziološkimi pogoji.Energija, potrebna za denaturacijo proteina s 100 AK je le 40kJ/mol(0,4kJ/mol za en AK ostanek). Kljub temu pa je bolj stabilna kot nezviti proteini.Struktura proteina je rezultat ravnotežja med različnimi nekovalentni vplivi na protein, kot so hidrofobni efekt, elektrostatične interakcije in H-vezi.Govora bo o tem, katere sile stabilizirajo protein in s katerimi procesi proteini dosežejo svoje najbolj stabilno stanje.

1.SILE,KI STABILIZIRAJO PROTEINE

HIDROFOBNI EFEKT:
Struktura proteinov je najbolj odvisna od hidrofobnega efekta, ki je posledica tega, da želijo biti nekatere snovi čim manj v stiku z vodo.Pomembna lastnost,s katero lahko določimo deleže polipeptidnih verig, ki so v notranjosti proteina je hidropatija.Pove nam kakšna je tendenca do vode;večja kot je hidropatičnost polipeptidne verige, bolj se bo ta veriga zvila v notranjost proteina.

ELEKTROSTATIČNE INTERAKCIJE:
V notranjosti nativnih proteinov so pomembne tudi Van der Waalsove sile, ki so sicer šibke in kratkega dosega, zato tudi v nezvitih proteinih nimajo vpliva.
H-vezi imajo glavno vlogo v strukturi proteina, vendar prispevajo le majhen delež k stabilnosti.To pa zato, ker skupine, vezane z vodikovimi vezmi v nezloženih proteinih tvorijo energetsko ekvivalentne H-vezi z vodnimi molekulami.
Skupina dveh ionov z nasprotnima nabojema, je znana kot ionski par.Približno 75 nabitih aminokislinskih ostankov oblikuje ionski par, ki je v glavnem na površini proteina.Kljub močnim silam med nasprotno nabitima ionoma prispevajo te interakcije le malo k stabilnosti proteina.

DISULFIDNE VEZI:
Disulfidne vezi se tvorijo med polipeptidnimi verigami, ko se protein zlaga v svojo nativno konformacijo.
Disulfidne vezi se redko pojavljajo v intracelularnem prostoru.Mogoče jih je zaslediti v proteinih, izločenih iz celice v bolj ugoden ekstracelularen prostor.
Tudi kovinski ioni se lahko vežejo na proteine.Znan je t.i."zinc-finger", ki vsebuje 25-60 ostankov zbranih okoli enega ali dveh Zn2+ ionov. Zn ima samo eno oksidacijsko stanje, zato ne podleže redoks reakcijam v celici.Poleg tega lahko reagira z različnimi atomi; torej z različnimi aminokislinami.



2.DENATURACIJA IN RENATURACIJA PROTEINOV

Zaradi nizke stabilnosti so proteini bolj podvrženi denaturaciji.Denaturirani so lahko pod specifičnimi pogoji in z različnimi substancami:

1.Segrevanje povzroči spremembo določenih lastnosti, kot so:optična rotacija, viskoznost in UV-absorbcija. Ostre spremembe lahko povztročijo, da se celoten polipeptid razveže ali stopi. Sicer pa ima večina proteinov tališče krepko pod 1000C.
2.Spremembe pH vrednosti vplivajo na ionizacijsko stanje aminokislinskih ostankov in njihovo zmožnost tvorbe H-vezi.
3.Detergenti delujejo na nepolarne proteinske ostanke in so z vmešavanjem v hidrofobične reakcije odgovorni za strukturo proteina.
4.Gvanidinijev ion in urea sta najbolj pogosta proteinska denaturanta. Povečata topnost nepolarnih substanc v vodi. Nepolarni AK ostanki v proteinu postanejo topni v vodi in kaotropni agensi na ta način oslabijo hidrofobne reakcije v proteinu.
5.Reducenti : najbolj uporaben je merkaptoetanol, ki reducira disulfidne mostičke.Naredili so slednji poskus:

Denaturirani proteini se lahko ponovno renaturirajo, kar so prvič pokazali s poskusom z RNAzo A. RNAza A (124 AK,enojna veriga) vsebuje osem cisteinov,zato lahko tvori štiri disulfidne mostičke.Če jo izpostavimo koncentrirani raztopini uree(8M) v prisotnosti reducenta
2-merkaptoetanola(HOCH2 CH2 SH),RNAza A denaturira. Ko pa ureo odstranimo in raztopino izpostavimo kisiku in pH=8,v prisotnosti 2-merkaptoetanola,dobimo RNAzo A,ki je skoraj 100 encimsko učinkovita,torej se je protein vrnil v nativno obliko.To pomeni, da so se tvorili vsi štirje disulfidni mostički.Verjetnost, da so se mostički povezali na pravi način, kot v nativni molekuli,če predpostavimo, da je povezovanje potekalo naključno je



1/7*1/5*1/3*1/1 =1/105(pribl.1 ),



torej je precej očitno, da renaturacija ni potekala naključno.
Poskus nam pove, da se protein v normalnih pogojih ne zvija naključno in ne tvori disulfidnih vezi s tistimi molekulami,ki se prve zaletijo,ampak išče ustrezno energijsko stanje,ki je njegova nativna konformacija.Doseže jo lahko le ob ustreznih renaturacijskih pogojih.Če te pogoje obrnemo in pustimo denaturiran protein v urei, ki ga prisili da se giba neorganizirano, nato bi dodali kisik, ki bi naključno tvoril S-S mostičke, dobimo po odstranitvi uree le 1 nativnih konformacij.
Tako zmes,v kateri je le malo nativnih oblik,bi lahko pretvorili v čisto nativno zmes z dodatkom 2-merkaptoetanola ali PDI encima.Oba stimulirata mešanje S-S vezi in tako pomagata proteinom do nativne konformacije.



3.POTI ZVIJANJA PROTEINOV:

Kako se protein zguba v nativno konformacijo
Ena možnost bi bila ta , da bi se protein zgubal tolikokrat , dokler ne bi končno našel stabilne in učinkovite strukture. Znanstveniki so dokazali, da ta možnost odpade;čas potreben za to, da protein poišče vse konformacije, ki jih ima na voljo, je ocenjen na t= 10n/1013 s (n=št.AK).Že za relativno majhen protein, z n=100, bi bil čas okoli 20 milijard let.
Očitno je, da se morajo proteini gubati po nekako določenih poteh, pri čemer je približevanje nativni strukturi povezano s hitrim naraščanjem konformacijske stabilnosti (in padanjem proste entalpije).Predvidevajo, da se proteini zvijajo preko več vmesnih stopenj:
1.Zvijanje se prične s formacijo kratkih(8-15AK) odsekov sekundarne strukture(heliksi in listi), ki se obnašajo kot začasna jedra zvijanja.
2.Stabilnost jeder narašča z njihovo velikostjo.Ko dosežejo neko minimalno dolžino, se spontano povežejo v DOMENO.
3.V multidomenskih proteinih se domene povezujejo v MOLTEN GLOBULE-strukturo, ki ima ogromno sekundarno a neurejeno terciarno strukturo, tako da so hidrofobne AK deloma še izpostavljene raztopini.
4.Preko mnogo majhnih konformacijskih sprememb se "molten globule" preoblikuje v bolj kompaktno terciarno strukturo, ki je pravzaprav že nativna konformacija proteina z eno podenoto.
5.V proteinu z več podenotami se te podenote združijo v kvartarno strukturo, ki po malenkostih konformacijskih spremembah tvori nativno obliko proteina.











4.VLOGA POMOŽNIH PROTEINOV:
Če denaturirane proteine postavimo v fiziološko raztopino(pripravljeno v laboratoriju), se bodo ti proteini sicer skušali vrniti v nativno konformacijo, vendar bo proces potekal zelo počasi, poleg tega bo imelo mnogo proteinov na koncu drugačno konformacijo, kot jo imajo v celici. V celici ta proces poteka nekaj minut in je učinkovitejši, za kar poskrbijo molekule pomožnih proteinov, ki proteinom pomagajo pri zvijanju v nativno obliko.Takšen protein je PDI in molekulski šaperoni:

F PDI-protein disulfidna izomeraza
je evkariontski encim(486AK), ki pospeši preoblikovanje disulfidnih vezi v proteinu, dokler ti ne dosežejo nativnih parov. PDI vsebuje tri Cys ostanke, od katerih mora eden biti v -SH obliki za encimsko učinkovitost. Proces lahko poteče na dva načina:























F Molekulski šaperoni
Vezava šaperona stabilizira nezguban polipeptid hkrati pa preprečuje nepravilno gubanje ali agregacijo in omogoča, da se polipeptidna veriga zguba v pravo konformacijo.Razredi molekulskih šaperonov so:
-heat shock proteins(Hsp 70). Njihova sinteza se močno poveča pri visokih temperaturah.Zavirajo denaturacijo in agregacijo, torej procese, ki se pospešijo pri višjih T.Prav tako stabilizirajo odvito polipetidno verigo pri transportu iz citosola v celične organele.
-šaperonini so veliki proteini z več podenotami, ki so komponenta bakterij mitohondrija kloroplastov. Poznamo dve vrsti šaperoninov:
-Hsp 60 proteini so sestavljeni iz 14 podenot.Oba skupaj obkrožata veliko centralno votlino, v kateri lahko ščitijo tudi zelo velik globularni protein.
-Hsp 10 proteini so sestavljeni iz enojnega 6-členskega obroča.

Šaperonini poenostavijo gubanje proteinov v nativno obliko.Odvita polipeptidna veriga se s pomočjo Hsp 70 transportira v notranjost šaperoninov in se tam notri zguba v nativno konformacijo.Za ta proces je potrebna ATP-energija.



5.BOLEZNI, POVEZANE Z ZVIJANJEM PROTEINOV:

Alzheimerjeva in Creutzfeldt-Jakobsonova bolezen in še veliko drugih nevroloških bolezni je povezano z nepravilnim zvijanjem proteinov.