Struktura i funkcja białek (I mgr)

Transkrypt

1 Struktura i funkcja białek (I mgr) Dr Filip Jeleń fj@protein.pl Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer Biochemia Carl Branden, John Tooze Introduction to Protein Structure

2 Białka stanowią aż 75% suchej masy tkanek miękkich naszego ciała z gr. proteios - pierwszorzędny, o największym znaczeniu białka są polimerami zbudowanymi z zestawu 20 różnych aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi -> już dla 100aa białka liczba możliwych sekwencji aminokwasowych ( ) przekracza

3 Białka znaczne zróżnicowanie właściwości fizykochemicznych poszczególnych reszt aminokwasowych umożliwia tworzenie przez łańcuchy białkowe bardzo różnorodnych struktur trójwymiarowych odznaczających się często dużym stopniem komplikacji pozwala to na pełnienie przez białka tak wielu różnych funkcji różnorodność białek jest widoczna już w ich rozmiarach znane są białka o masach od tysiąca do ponad miliona Da

4 Białka są najbardziej różnorodnymi i wielofunkcyjnymi cząsteczkami występującymi w komórce Wiązanie - różnorodność rozpoznawanych cząsteczek; komplementarność kształtu i oddziaływań polarnych Kataliza - przyspieszanie reakcji do 17 rzędów wielkości, odpowiednie ułożenie grup reaktywnych, stabilizacja stanu przejściowego, kataliza kwasowo-zasadowa

5 Molekularny przełącznik - zmiana konformacyjna pod wpływem ph lub wiązania liganda przełącza funkcję Białka strukturalne - specyficzna asocjacja podjednostek i białek pozwala na spontaniczne powstawanie nawet bardzo złożonych struktur

6 Wyróżniamy cztery poziomy organizacji struktury białek

7 Od właściwości łańcuchów bocznych zależy wkład różnych reszt aminokwasowych w zwijanie i funkcje białek w ph 7 końcowe grupy łańcucha polipeptydowego (aminowa i karboksylowa) są zjonizowane -zaangażowane tylko w oddziaływania van der Waalsa -unikanie wody i pakowanie się na siebie jest podstawą efektu hydrofobowego -Ala i Leu faworyzują powstawanie helisy w przeciwieństwie do proliny -aromatyczny pierścień Phe czasami uczestniczy w słabych polarnych oddziaływaniach

8 -mogą tworzyć wiązania wodorowe między sobą, z łańcuchem głównym i innymi cząsteczkami polarnymi (m.in. z wodą) -niektóre dysponują ładunkiem (w zależności od ph i otoczenia)

9 - aa hydrofilowe tworzą wiązania wodorowe ze sobą, z łańcuchem głównym, z polarnymi związkami organicznymi i z wodą - Glu i Asp pk a 5 (ujemnie naładowane w ph 7), ale w otoczeniu hydrofobowym pk a może wzrosnąć powyżej 7 i wtedy służą jako donory protonu - Lys pk a 10 (w ph 7 dodatnio naładowana), ale w otoczeniu hydrofobowym może spaść poniżej 6 i wtedy Lys staje się akceptorem protonu

10 - His ma dwie grupy N-H, każda o pk a około 6 -- gdy jedna traci proton, pk a drugiej staje się >10 -- gdy obie są uprotonowane His jest ujemnie naładowana (bardzo rzadko) -- gdy jedna jest uprotonowana, His jest neutralna i zdolna do przyjęcia bądź oddania protonu - Arg jest prawie zawsze uprotonowana - Grupa SH cysteiny jest najsilniejszym nukleofilem

11 - Ser, Thr, Gln i Asn są akceptorami i donorami protonu -- aa amfipatyczne najczęściej uczestniczą w tworzeniu interfejsów między elementami hydrofobowymi a polarnymi - Tyr zwykle nie jonizuje w ph 7 (pk a =9). Grupa OH jest donorem i akceptorem wiązania wodorowego, a aromatyczny pierścień Tyr uczestniczy w słabych oddziaływaniach polarnych - Met jest najmniej polarna z grupy aa amfipatycznych, ale jej siarka często uczestniczy w oddziaływaniach z jonami metali

12 Sposób organizacji kodu genetycznego odzwierciedla wzajemne podobieństwa aminokwasów Więcej białek niż genów u Eukariontów: -alternatywny splicing -editing RNA

13 Częstość podstawień aminokwasowych w tym samym białku pochodzącym z różnych organizmów conservative substitutions

14 Tworzenie i hydroliza wiązania peptydowego Wiązanie kowalencyjne tworzone pomiędzy kwasem karboksylowym i grupą aminową dwóch α-aminokwasów z uwolnieniem jednej cząsteczki wody. Wiązania amidowe są bardzo stabilne w środowisku wodnym w ph bliskim 7. W komórce tworzenie i hydroliza wiązań peptydowych kontrolowane są enzymatycznie.

15 Rozciągnięty łańcuch polipeptydowy Rezonans delokalizacja elektronów w obrębie wiązania peptydowego powoduje: -częściowy charakter wiązania podwójnego (CNO w jednej płaszczyźnie, ograniczona możliwość rotacji i konformacji; podwyższona stabilność) -polarność wiązania peptydowego, moment dipolowy (możliwe oddziaływania)

16 Oddziaływania stabilizujące białko oddziaływania z wodą lub za jej pośrednictwem C=O i N-H we wnętrzu białka nie mogą tworzyć wiązań wodorowych z cząsteczkami wody, więc tworzą je między sobą prowadząc do powstania struktur II rzędowych i stabilizacji struktury

17 Wykres Ramachandrana Prawie we wszystkich białkach łańcuch główny przyjmuje taką konformację, w której kąty torsyjne phi i psi powtarzają się, tworząc regularne wzory elementy struktury drugorzędowej Ograniczenia steryczne określają możliwe typy struktury drugorzędowej

18 Zgięcie beta (beta/hairpin/reverse turn) najprostszy element struktury II-rzędowej -NH -O n+3 (n+2) Część grup C=O i N-H nie tworzy HB w obrębie łańcucha, dlatego zgięcia występują najczęściej na powierzchni cząsteczki białka gdzie tworzą HB z wodą Obecność zgięć beta pozwala ograniczyć rozmiary białka i nadać mu bardziej zwartą strukturę

19 Helisa alfa najpopularniejsza struktura II-rzędowa 3.6 reszty na skręt wiązania wodorowe pomiędzy C=O i N-H znajdującymi się blisko siebie w sekwencji n+4

20 Parametry elementów helikalnych n+4 n+3 n+5

21 Amfipatyczność helis alfa -łańcuchy boczne wystają co 100 o -reszty oddalone od siebie o 3-4 aminokwasy grupują się po tej samej stronie helisy -helisy amfipatyczne stabilizują pakowanie helisa-helisa i często występują na powierzchni białka

22 Helisy zawierające reszty proliny Struktura kolagenu helisa lewoskrętna (Gly-X-Y)n gdzie X, Y to Pro, Pro-OH lub (rzadziej) Lys Helisy poliprolinowe wszystkie proliny w formie trans tworzą lewoskrętną helisę (3 reszty na skręt); motyw w białkach sygnalnych rozpoznawany przez domeny SH3

23 Struktury beta bardziej stabilna nie są eksponowane do rozpuszczalnika, najczęściej przeplatane helisami Silnie rozciągnięty, zwykle lekko skręcony łańcuch polipeptydowy odległość między resztami 3,3 Å Możliwość utworzenia struktury amfipatycznej

24 Kompleks Rap Raf pakowanie helisy na równoległe włókno beta międzycząsteczkowa struktura beta jako interfejs oddziaływania białko-białko

25 Baryłka beta ( -barrel) -włókna beta, ze względu na konfiguracje L aminokwasów, mają tendencję do prawoskrętu -aminokwasy rozgałęzione na węglu beta (Val, Ile) łatwo akomodują się w strukturze beta (w porównaniu z gęsto upakowaną helisą) białko wiążące retinol z niepolarnym ligandem związanym we wnętrzu baryłki

26

27 Przewidywanie struktury drugorzędowej - trafność przewidywań zaledwie ok. 70% - najłatwiej określić położenie helis (tworzone dzięki oddziaływaniom reszt sąsiadujących ze sobą w sekwencji) - najtrudniej przewidzieć granice pętli i miejsca zgięć

28 Tworzenie struktury trzeciorzędowej Intermediaty zwijania (barnaza)

29 Efekt hydrofobowy -minimalizacja powierzchni hydrofobowej dostępnej dla rozpuszczalnika -zbliżenie polaryzowalnych grup hydrofobowych umożliwia powstanie między nimi oddziaływań van der Waalsa -tym samym wciągniecie polarnych grup C=O i N-H łańcucha głównego staje się siłą sprawczą powstania struktur drugorzędowych

30 Porównanie struktur TIM (izomerazy triozofosforanowej) i DHFR (reduktazy kw. dihydrofoliowego) -podobne elementy struktury drugorzędowej mogą tworzyć białka o całkiem różnych strukturach III -wynika to ze sposobu łączenia elementów - występowania pętli lub zgięć

31 Pętle -pętle w białkach zwykle ulokowane są na powierzchni, eksponowane do rozpuszczalnika -ponieważ ich wkład w stabilizację struktury białka jest niewielki, w obrębie pętli łatwiej tolerowane są mutacje -dzięki temu pętle łatwo dostosowują się do powierzchni ligandów i często tworzą interfejsy oddziaływań białko-białko

32 Pierwsza powłoka hydratacyjna elastazy -cząsteczki wody ściśle związane z białkiem stanowią część jego struktury

33 Wnętrze zwiniętego białka - atomy we wnętrzu są upakowane prawie jak w ciele stałym -kanały i szczeliny pozwalają jednak na ruch atomów i zapewniają elastyczność -jeśli w rdzeniu znajdują się większe przestrzenie, to wypełnione są cząsteczkami wody, które mogą oddziaływać z okolicznymi grupami polarnymi