IZBIRNI PREDMET, APRIL/MAJ 2012

STRUKTURA IN FUNKCIJA PROTEINOV

Matjaž Zorko

2. predavanje:

Od 1D do 3D strukture proteinov

1. del

DOSEGLJIVO: http://ibk.mf.uni-lj.si/teaching/objave/izbir1MZ.htm

E-mail: zorko@mf.uni-lj.si

PRIMARNA STRUKTURA PROTEINOV = SEKVENCA AMINOKISLIN

Nekatere po-translacijske modifikacije prištejemo k primarni strukturi, nekatere

pa ne – terminologija tu ni dorečena. Pri kolagenu npr. hidroksi-Pro in hidroksi-

Lys upoštevamo, glikozilacije pa ne. K primarni strukturi nekateri štejejo tudi

mesta (Cys), kjer se vzpostavijo-SS- mostički.

Aminokislinsko sekvenco lahko določimo

Postopna identifikacija AK od N-konca proti C-koncu.

Zanesljivo se da to narediti le za peptide do cca 40 AK.

Ala – Phe - Arg Tyr - Lys Glu - Ser

tripsin

Ala - Phe - Arg - Tyr - Lys - Glu - Ser

kimotripsin

Ala – Phe Arg - Tyr Lys - Glu - Ser

Zato sekvenco razsekajo na peptide na dva

različna načina, določijo sekvenco vseh peptidov

in s poravnavo dobijo sekvenco proteina.

Sekvenco lahko določimo tudi

s sekvenciranjem gena ali z

masno spektrometrijo

Sekvence analiziramo in lahko dobimo pomembne podatke

EF-Tu protein (fragmenti)

Evolucijsko drevo bakterij na osnovi sekvence GroEL

Samosestavljanje v višje strukture

Osnova samosestavljanja je optimalna povezava med

deli polipeptidne verige s pretežno šibkimi vezmi v

strukturo z minimalno prosto entalpijo (G).

I. II. III. IV.

NEKOVALENTNE INTERAKCIJE

• odboj pri tesnem stiku

• van der Waalsove interakcije

• elektrostatske interakcije

• vodikova vez

• hidrofobne interakcije

• ion - p interakcije (aromatske spojine)

Izračun za dva C atoma

• z zmanjšanjem razdalje se moč

odboja povečuje in prevlada moč

privlaka

• prekrivanje elektronskih orbital ni

mogoča (‘Pauling’)

• odboj definira dimenzije

• VEDNO ga imamo!

ODBOJNE SILE

Vezavna energija je majhna 1 do nekaj kJ/mol (1 > 2 > 3)

VENDAR: VEDNO PRISOTNA MED VSEMI MOLEKULAMI V STIKU!

Van der Waalsove interakcije

1. dipol – dipol:

2. dipol – inducirani dipol:

3. inducirani dipol – inducirani dipol:

→ →

Polarizabilnost – večja pri večjih molekulah!

| | | | |

| | | | |

126 dK

eeto

dK

ee

→ | | | | |

VODA, PEPTIDNA VEZ!

Odboj in Van der Waalsov privlak združimo v Lennard-Jonesov

potencial:

6

6)(d

C

d

CdE

n

n

s

s

C je konstanta, n je največkrat 12!

Elektrostatska interakcija

K I K+ I –

2F

dD

ee

0,8 2,6

R1-COO- H3N+-R2

Šibka v vodni raztopini: Močna v kristalih

E > 100 kJ/mol

E = 10-30 kJ/mol

D = dielektrična konstanta

medij D

vakuum 1

CCl4 2.24

DMF 36.7

voda 80

Elektrostatska interakcija v proteinih (salt-bridges)

Nabite AK:

+: Arg, Lys, (His)

-: Asp, Glu

Dve možnosti:

• znotraj proteinske strukture (proč od

vode) – močna, a destabilizirajoča!

• na površini (v vodi) – šibka in redka

Dodatna težava: naboji

niso točkasti,

interakcija je šibkejša.

Asp

-

Arg

NH3+

Vodikova vez

Orientacija je pomembna

+

-

-

Biološko pomembni primeri

Dolžina O-O = 2.8 - 3.7 Å; energija = ~ 10 kJ/mol

V proteinih med AK

A B

ASW < BSW

ASL > BSL

Hidrofobne interakcije so lahko zelo pomembne,

kadar so hidrofobne površine velike

Termodinamika prenosa nepolarne molekule (npr. heksana) med

plinom, tekočino in trdno snovjo v vodni raztopini.

T = 20 °C DHtr(laq) = 0 T = 140 °C TDStr(laq) = 0

DG = DH - TDS

Ion - p interaction:

+ -

:::::

(H3N+-)

Phe

NH4

Posebne značilnosti šibkih interakcij v

proteinih

• veliko interakcij znotraj ene same molekule

• interakcije niso neodvisne

• koncept ‘efektivne koncentracije’

• kooperativnost

Koncept efektivne koncentracije

3

2

5

9

Kooperativnost

Kooperativnost ni vedno enaka

Najbolj stabilna je interakcija med skupinami, ki jih druge skupine trdno

držijo v optimalni orientaciji in razdalji, v tem primeru C-D; ne pozabimo pa,

da je stabilnost vsake od interakcij odvisna od stabilnosti vseh ostalih.

Primarna struktura = sekvenca aminokislin

1 2 3 4 5

Samosestavljanje: od primarne do terciarne

(kvartarne) strukture

Osnova samosestavljanja je optimalna povezava med deli polipeptidne verige s

pretežno šibkimi vezmi v strukturo z minimalno prosto entalpijo (G). Končna stabilna

struktura je odvisna od sekvence in okolja (T, sestava raztopine (pH), interakcije).

Povezava AK s peptidno vezjo je endergonski proces. [AK I. , DG > 0]

Samosestavljanje v višje strukture je eksergonski proces. [I. II. III. IV. , DGi < 0]

I. II. III. IV.

Trans-peptidna vez.

cis-peptidna vez

V -obratih ob Pro je ~6% peptidnih vezi cis

Polipeptidna veriga je omejeno vrtljiva.

Torzijska kota pri vrtenju ravnin. Vsaka

sprememba kota je nova konformacija.

Konformacije etana.

3HC-CH3

C C

Sterično oviranje zaradi radikalov.

Začetni položaj:

Φ = Ψ = 0 deg

Ramachandran diagram

Predvidel različne vrste

II. strukture: vijačnice in

-strukture

Potrditev Ramachandranovih računov na osnovi

razrešene strukture 12 proteinov.

Ramachandranov diagram za poli-Gly.

Vijačnice - heliksi

Desni a heliks. • H-vezi med CO in HN v peptidni vezi

• CO1-HN5, CO2-HN6, itd

• Radikali molijo ven

• Radikali lahko stabilizirajo ali pa ne

• Struktura kompaktna, fleksibilnost

majhna, znotraj ni prostora za vodo

• Dipolni moment se kompenzira

C-konec

N-konec

_

+ Φ ni vrtljiv

Ψ

Stereo prikaz a heliksa iz mioglobina kita (E. heliks).

Radikali (rumeno) so usmerjeni navzven.

Relativna verjetnost, da najdemo AK v posamezni sekondarni strukturi

H-vezi pri heliksih različne vrste.

1 2 3 4 5

a-heliks

daleč najpogostejši

kratka (~2 obrata) in redka

Primerjava med heliksi.

310 a P

Poliprolinski I in II heliks.

I: desni, cis peptidna vez II: levi, trans peptidna vez

½

strukture. (a) antiparalelna struktura.

(b) paralelna struktura.

Nagubani list.

N-t.

N-t. C-t.

C-t.

Stereo predstavitev antiparalelne strukture

(konkanavalin)

strukture so pogosto v notranjosti proteina in so

največkrat ukrivljene (karboksipeptidaza A).

Povezave med polipeptidnimi verigami v strukturah.

(a) In (b) sta običajni, (c) doslej niso našli.

Zavoji (obrati).

difference!

Zanka Ω (Ω loop) - 40 to 54 AK v Cyt C

Ω Pomen zaradi gibljivosti!

3 OVERHEADS!

Fibrilarni proteini

Microskopska organizacija a keratina v lasu.

Ovita heliksa (coiled coil) se „držita“ z nonpolarnima

roboma.

Helikalno kolo – helical wheel

Pogled s strani.

-S-S- vezi stabilizirajo strukturo keratina (frizerji!)

Sekvenca C-terminalnega dela ene verige (a1) trojnega

heliksa kolagena.

Trojni heliks kolagena

Vodikove vezi med verigami vzdržujejo trojni heliks.

Pro

Hyp

Gly

Elektronsko-mikroskopska slika kolagenskega vlakna.

Kovalentne povezave med

Lys, Hyl, in His v kolagenu.

Če nekatere Gly zamenjamo z Ala, kolagen ni vč

stabilen.