Przegląd budowy i funkcji białek - od enzymów do prionów -

Transkrypt

1 Przegląd budowy i funkcji białek - od enzymów do prionów - Zakład Biologii Molekularnej Instytut Biochemii, Wydział Biologii UW Takao Ishikawa

2 Kontakt Imię i nazwisko: Takao Ishikawa Mail: takao@biol.uw.edu.pl Slajdy: takao.pl Twarzą w twarz: pok. 105/D, Wydział Biologii UW ul. Miecznikowa 1 Telefon:

3 Co piszą o białkach? Wyraz wprowadzony przez Jönsa J. Berzeliusa w 1883 r. w celu podkreślenia znaczenia tej grupy związków. Termin pochodzi od greckiego słowa proteios, które oznacza pierwszorzędny. Białko to liniowa sekwencja aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniem peptydowym.

4 Funkcje energetyczne Funkcje komunikacyjne Funkcje mechaniczne i transportowe Funkcje magazynujące i wydalnicze

5 Funkcje białek zależą od ich KSZTAŁTU = KONFORMACJI

6 Funkcje białek Ochronne Hormony Strukturalne Ruchowe Enzymatyczne Transportowe

7 Funkcje białek Ochronne Hormony Strukturalne Ruchowe Enzymatyczne Transportowe

8 Organizacja budowy białek Struktura pierwszorzędowa Struktura drugorzędowa Struktura trzeciorzędowa Struktura czwartorzędowa

9 Struktura pierwszorzędowa >gi : insulin [Homo sapiens] FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTRREAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEG SLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENYCN >sp P11387 DNA topoisomerase 1 [Homo sapiens] MSGDHLHNDSQIEADFRLNDSHKHKDKHKDREHRHKEHKKEKDREKSKHSNSEHKDSEKK HKEKEKTKHKDGSSEKHKDKHKDRDKEKRKEEKVRASGDAKIKKEKENGFSSPPQIKDEP EDDGYFVPPKEDIKPLKRPRDEDDADYKPKKIKTEDTKKEKKRKLEEEEDGKLKKPKNKD KDKKVPEPDNKKKKPKKEEEQKWKWWEEERYPEGIKWKFLEHKGPVFAPPYEPLPENVKF YYDGKVMKLSPKAEEVATFFAKMLDHEYTTKEIFRKNFFKDWRKEMTNEEKNIITNLSKC DFTQMSQYFKAQTEARKQMSKEEKLKIKEENEKLLKEYGFCIMDNHKERIANFKIEPPGL FRGRGNHPKMGMLKRRIMPEDIIINCSKDAKVPSPPPGHKWKEVRHDNKVTWLVSWTENI QGSIKYIMLNPSSRIKGEKDWQKYETARRLKKCVDKIRNQYREDWKSKEMKVRQRAVALY FIDKLALRAGNEKEEGETADTVGCCSLRVEHINLHPELDGQEYVVEFDFLGKDSIRYYNK VPVEKRVFKNLQLFMENKQPEDDLFDRLNTGILNKHLQDLMEGLTAKVFRTYNASITLQQ QLKELTAPDENIPAKILSYNRANRAVAILCNHQRAPPKTFEKSMMNLQTKIDAKKEQLAD ARRDLKSAKADAKVMKDAKTKKVVESKKKAVQRLEEQLMKLEVQATDREENKQIALGTSK LNYLDPRITVAWCKKWGVPIEKIYNKTQREKFAWAIDMADEDYEF

10 Aminokwasy H H2N C R α COOH

11 Optycznie L i D

12 L i D Optycznie czynne i nieczynne

13 L i D

14 Właściwości

15 Hydrofobowe

16 Hydrofilowe

17 Szczególne Dwie cysteiny mogą tworzyć mostki dwusiarczkowe

18 Wiązanie peptydowe H H H2N C COOH + H2N C COOH R R H H H H2N C C N C COOH + H2O R O R Wiązanie amidowe

19 Wiązanie peptydowe H H H2N C COOH + H2N C COOH R R H H H H2N C C N C COOH + H2O R O R Wiązanie peptydowe

20 Brak swobody...

21 Rezonans chemiczny

22 Swoboda obrotu Aminokwas - - Wiązanie peptydowe

23 Wykres Ramachandrana +130 o Najczęstsze kombinacje -40 o wartości kątów ψ i ϕ to o -60 o

24 Struktura drugorzędowa α-heliks β-kartka

25 Struktura drugorzędowa Lokalna, powtarzająca się struktura przestrzenna łańcucha głównego białka zbudowana z sąsiadujących ze sobą aminokwasów, która utrzymywana jest wiązaniami wodorowymi

26 α-heliks

27 α-heliks

28 α-keratyna

29 α-keratyna

30 β-kartka

31 Fibroina

32 Struktury Cartoon Patyczkowo-kuleczkowe Czaszowe

33 Model cartoon

34 Model patyczkowy

35 Model czaszowy

36 Struktura trzeciorzędowa Globalna struktura przestrzenna białka Wzajemne relacje położenia struktur drugorzędowych

37 Siły stabilizujące Wiązania wodorowe Oddziaływania jonowe Wiązania kowalencyjne Oddziaływania van der Waalsa Oddziaływania hydrofobowe

38 Krajobraz fałdowania Niestabilne Stabilne

39 Ile potencjalnych konformacji? Białko o długości 364 aminokwasów 363 wiązania peptydowe Dwa parametry, kąty ψ i ϕ przy każdym wiązaniu = 1,

40 Paradoks Levinthala Zbadanie każdej konformacji zajmuje 1 ns ns = 1, ns = 1, s 1 rok = s = s To zaledwie 3, s

41 Mostki dwusiarczkowe

42 Mostki dwusiarczkowe Tlen utlenia!

43 Mostki dwusiarczkowe Tlen utlenia! Może powodować mutacje

44 Mostki dwusiarczkowe Tlen utlenia! Może powodować mutacje Komórka pracuje nad utrzymaniem środowiska redukującego

45 Mostki dwusiarczkowe Tlen utlenia! Może powodować mutacje Komórka pracuje nad utrzymaniem środowiska redukującego -SH HS-

46 Struktura czwartorzędowa Oddziaływania między polipeptydami Kompleksy białkowe

47

48 ADP + Pi ATP

49 ADP + Pi ATP

50

51

52

53

54

55

56 Klasyfikacja białek Liczba polipeptydów (podjednostek) białko jedno- vs wielopodjednostkowe Obecność kofaktora białko proste vs złożone Kształt globularne vs fibrylarne

57 Liczba podjednostek

58 Obecność kofaktora

59 Kształt

60 PrP C PrP Sc konwersja Normalna Patogenna

61 Priony PrP C PrP Sc Rozpuszczalne w środowisku wodnym Podatne na trawienie proteazami Dominująca struktura drugorzędowa Tak Tak α-heliks Nie Nie β-kartka Morfologia Struktura

62 1. 2. PrP C PrP Sc 3.

63 Reszty cukrowe PrP C Reszta lipidowa

64 Reszty cukrowe PrP C Reszta lipidowa

65 Modyfikacje (posttranslacyjne) białek Fosfataza P Białko Kinaza Grupa fosforanowa pochodzi od ATP

66 Właściwości białek

67 Doświadczenie Anfinsena

68 Czyli? Funkcjonalne białko o właściwej konformacji denaturacja renaturacja zmiana struktury pierwszorzędowej (proteoliza) Niefunkcjonalne, zdenaturowane białko o innej konformacji zmiana stanu skupienia koagulacja Agregat

69 Enzymy: są katalizatorami, które zmieniają szybkość reakcji, same nie ulegając zmianie są wysoce specyficzne ich aktywność może być regulowana m.in. przez modyfikacje posttranslacyjne

70

71 Grupa fosforanowa

72 Grupa fosforanowa

73 Klasyfikacja enzymów EC dehydrogenaza alkoholowa EC Nazwa Typ reakcji 1 Oksydoreduktazy Utlenianie i redukcja cząsteczek (przenoszenie elektronów) 2 Transferazy Przenoszenie grup funkcyjnych między cząsteczkami 3 Hydrolazy Hydroliza cząsteczek 4 Liazy 5 Izomerazy 6 Ligazy Odszczepianie grup innym sposobem niż za pomocą hydrolizy lub utleniania Zmiana konfiguracji cząsteczki, np. cis - trans, L - D, aldehyd - keton itd. Wytworzenie cząsteczki przez połączenie dwóch różnych cząsteczek

74 EC1 Oksydoreduktazy Pirogronian Kwas mlekowy EC2 Transferazy Kinaza P

75 EC3 Hydrolazy Fosfataza P EC4 Liazy Dehydrataza H2CO3 CO 2 + H2O

76 EC5 Izomerazy O O = C O - = C O - H C NH3 + NH3 + C H CH3 CH3 EC6 Ligazy trna + alanina Alanylo-tRNA

77 Jak przyspieszyć reakcje? zwiększyć częstość zderzania cząsteczek zwiększyć energię każdego zderzenia obniżyć energię aktywacji ustawić odpowiednio cząsteczki reagujące

78 Jak przyspieszyć reakcje? zwiększyć częstość zderzania cząsteczek zwiększyć energię każdego zderzenia obniżyć energię aktywacji ustawić odpowiednio cząsteczki reagujące

79 Energia aktywacji Bez katalizatora Energia Substrat Produkt Czas reakcji

80 Energia aktywacji Bez katalizatora Energia Substrat Produkt Z katalizatorem Czas reakcji

81 Rozpoznawanie substratu

82 Model indukowanego dopasowania

83 Kompleks enzym-substrat

84 Centrum (kieszeń) aktywne (katalityczne)

85 Kofaktory (koenzymy) mogą być niezbędne do poprawnego działania enzymów jony nieorganiczne: Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Mn 2+, Co 3+, Mo 2+ itd. niebiałkowe cząsteczki organiczne: koenzymy (np. ATP, NAD +, witaminy) grupa prostetyczna kofaktory związane na stałe z enzymem

86 Kinetyka Michaelisa-Menten Szybkość początkowa reakcji Stężenie substratu

87 Dlaczego początkowa?

88 Kinetyka Michelisa-Menten Szybkość reakcji vmax Enzym 2 Enzym 1 1/2 vmax KM 2 KM 1 Stężenie substratu

89 Szybkość reakcji Enzym 2 vmax Enzym 1 1/2 vmax KM 2 KM 1 Stężenie substratu Stała Michaelisa Enz. 1 > Enz. 2 Powinowactwo Enz. 1 < Enz. 2

90 Równanie Michaelisa- Menten v = vmax [S] KM + [S]

91 Optymalne warunki pracy ~7 Temperatura Wartość ph

92 A co w 100 oc?

93 A co w 100 oc?

94 Pepsyna

95 Pepsyna

96 Aktywny enzym Trombina Proenzym Trombinogen

97

98 Krzepnięcie krwi Fibrynogen

99 Krzepnięcie krwi Fibrynogen Fibryna Działanie trombiny (proteazy)

100 Krzepnięcie krwi Fibrynogen Fibryna Polimer fibryny

101 Trombina Zablokowana hirudyną Aktywna

102 Inhibitory enzymów Cząsteczki hamujące reakcje katalizowane przez enzymy Inhibitory kompetycyjne konkurują o centrum aktywne z substratem Inhibitory niekompetycyjne wiążą się z innymi miejscami niż centrum aktywne

103 Inhibitory niekompetycyjne Reakcja Hamowanie

104 Substrat samobójczy Na stałe wiąże się z enzymem i uniemożliwia jego dalsze działanie Często stosowany w terapii Penicylina Uniemożliwienie syntezy ściany komórkowej AZT (azydotymidyna) Zablokowanie namnażania wirusa HIV

105 Podobieństwo strukturalne Deoksytymidyna (właściwy substrat) Azydotymidyna (substrat samobójczy)

106 Sprzężenie zwrotne (ujemne) Enzym X Enzym Y Enzym Z A B C D

107 Sprzężenie zwrotne (ujemne) Enzym X Enzym Y Enzym Z A B C D

108 Izoenzymy Katalizują te same reakcje, ale różnią się właściwościami fizycznymi lub kinetycznymi Optimum ph Powinowactwo do substratu Wrażliwość na inhibitory

109 Badanie LDH H4 (serce) H3M1 H2M2 H1M3 M4 (wątroba)

110 Glukometr Oksydaza glukozowa katalizuje reakcję utleniania Glukoza -> Glukozo-1,5-lakton Reakcji towarzyszy przepływ elektronów Urządzenie wykrywa przepływ prądu Im więcej glukozy, tym większy przepływ Większa liczba na wyświetlaczu...

111 Na deser też enzymy

112 Inwertaza Sacharoza -> Glukoza + Fruktoza Cukry proste mają większą higroskopijność i wyciągają wodę z czekolady Utwardzoną masę cukrową zalewa się czekoladą