Ogólna budowa aminokwasów

Transkrypt

1 H w neutralnym ph H NH 3 + C COO - NH 2 C COOH R R grupa aminowa - NH 2 grupa karboksylowa - COOH Gly, G Ala, A Ogólna budowa aminokwasów Reguła CORN H R NH 3 + C L lewoskrętny (COO-R-N) COO - 1

2 20 aminokwasów białkowych kod 1- i 3- literowy alanina A, Ala fenyloalanina F, arginina R, Arg asparagina N, Asn kw.asparaginowy D, Asp cysteina C, Cys glutamina Q, Gln kw.glutaminowy E, Glu glicyna G, Gly histydyna H, His izoleucyna I, Ile leucyna L, Leu lizyna K, Lys metionina M, Met Phe prolina P, Pro seryna S, Ser treonona T, Thr tryptofan W, Trp tyrozyna Y, Tyr walina V, Val Aminokwasy Kolory aminokwasów Diagram Venna obrazujący relacje pomiędzy aminokwasami 2

3 cechy/kryteria: hydrofobowe/hydrofilowe alifatyczne aromatyczne, oddziaływujące warstwowo polarne-neutralne polarne naładowane dodatnio/ujemnie kwasowe, zasadowe C-β rozgałęzione małe/duże zawierające siarkę tworzące wiązania wodorowe wzmacniacze/łamacze struktur Podstawowe parametry białek Masa, pi Statystyka aminokwasów inne 3

4 Plot hydrofobowości Przewidywanie hydrofobowych i hydrofilowych rejonów w cząsteczce białka Partition Coefficients Hydrofilowe Hydrofobowe Olej Woda 4

5 Skala hydrofobowości aminokwasów (współczynniki) Fauchere & Pliska Kyte & Doolittle Hopp & Woods Eisenberg R Arg K Lys D Asp Q Gln N Asn E Glu a H His S Ser T Thr P Pro Y Tyr C Cys G Gly A Ala M Met W Trp L Leu V Val F Phe I Ile Ploty hydrofobowości Sumujemy wartości hydrofobowości aminokwasów w ustalonym rejonie (oknie) Wyliczamy i oznaczany na wykresie wartość pośrodku okna Przesuwamy okno o kolejną pozycję 5

6 Sliding Window Approach Calculate property for first subsequence Use the result (plot/print/store) I L I K E I R (Kyte & Doolittle) 5.4 / 7 = 0.77 Move to the next position in the sequence Plot hydrofobowości 1 0,5 0-0, ,5-2 ILIKEIRISHWHISKEYYAMMIE 6

7 Rejony transmembranowe W α helisie skręt wynosi 100 stopni na aminokwas α helisa rośnie w górę o 1.5 Angstrom a na każdą resztę aminokwasową 7

8 Rejony transmembranowe 30 angstrom Potrzebne jest ok. 30 / 1.5 = 20 aminokwasów aby helisa przechodziła przez membranę z dwóch stron Dostosowanie wielkości okna do wielkości segmentu przechodzącego przez membranę ułatwia interpretację wyniku Rzeczywiste rejony transmembranowe 8

9 human membrane proteome Transmembrane topology analysis. The graphs show the distribution of proteins with different membrane topologies for the membrane proteome. Proteins with the N-terminal located on the outside of the membrane are plotted upwards and those with the N- terminal on the inside are plotted downwards. The colors of the bars represent the proportion of different functional groups and unclassified proteins for a topology. The topologies have been predicted for each protein with Phobius. A. The graph shows the distributions of proteins predicted to have one TM helix. B. The graph shows the distribution of proteins predicted to have multiple TM helices. Forty-three proteins with more than 14 TM helices have been excluded from graph B. Almén et al. BMC Biology :50 doi: /

10 Wyszukiwanie helis amfipatycznych Helisa amfipatyczna to taka, w której występuje spolaryzowany rozkład reszt hydrofobowych i hydrofilowych Helisa amfipatyczna Moment hydrofobowy Hydropathy vectors are distributed more or less equally in all directions, hence resultant vector has small or zero size 10

11 Moment hydrofobowy Hydropathy vectors are distributed unequally over all directions, hence resultant vector has a greater than zero size. Ta helisa jest amfipatyczna! Helical Wheel Plot 11

12 Przykład helisy amfipatycznej Manganowa dysmutaza ponadtlenkowa hydrofobowe hydrofilowe Analiza zbiorcza 12

13 Łańcuch polipeptydowy - struktura pierwszorzędowa struktura I-rzędowa: kolejność, sekwencja aminokwasów w łańcuchu (skład i kolejność kolejność decydują strukturze i funkcji) Ala Gly Thr Ile Val NH 2 - AlaValGlySerThrLeuIle - COOH Ser Leu NH 2 - AVGSTLI - COOH Kierunkowość łańcucha, nazewnictwo a) 4-Alanina lub tetra-alanina, b) tetrapeptyd o sekwencji R 1 R 2 R 3 R 4 Łańcuch aminokwasów: 2-10 oligopeptyd, polipeptyd, powyżej 100 reszt aminokwasowych białko. 13

14 Wiązanie peptydowe kąt torsyjny ω i konformacja Trans R 2 ω=180 o O H NH 3 + C C C N C R 1 H H O 0 o 180 o 90 o 14

15 mrna (1) Prekursor mrna Sekwencja białka determinuje jego strukturę przestrzenną mrna (2) Sekwencja aminokwasowa (1) Sekwencja aminokwasowa (2) Struktura drugorzędowa Przestrzenne ułożenie łańcucha opisane za pomocą kątów torsyjnych φ i ψ. ψ φ ω 15

16 Elementy struktury II-rzędowej helisy: prawoskrętna α helisa 3 10 helisa π helisa helisa φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę wiązania wodorowe α helisa ,6 1,5 i helisa ,0 2,0 i+3 π helisa ,4 1,2 i+5 α - helisa 16

17 α - helisa helisa π - helisa 22-reszty aminokwasowe Elementy struktury II-rzędowej beta-harmonijki, (β-kartki, struktury pofałdowanej kartki, str. dywanowa): równoległe antyrównoległe mieszane harmonijka φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę równoległa ,2 antyrównoległa ,4 17

18 Struktury β Wykres Ramachandrana (Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005). 18

19 Łamacze i wzmacniacze Wzmacniacze Łamacze - helisa M L E C A P G Y T S - harmonijka równoległa V I F M L Y P G D E A N S K - harmonijka antyrównoległa Q T R H W C kłębek, zwrot G P D N S Y, naładowane Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe oddziaływania hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne 19

20 Wiązanie wodorowe δ - C O akceptor oddz. elektrostatyczne między dwoma względnie elektroujemnymi atomami energia: 4-13 kj/mol (energia wiązań kowalencyjnych: 418 kj/mol) δ + H N donor δ - δ + δ - N H N N H O O H N O H O Wiązania wodorowe dla - harmonijki struktura równoległa struktura anty-równoległa 20

21 Wiązania wodorowe dla α - helisy i i+4 Wiązania wodorowe dla zwrotu (skrętu) 21

22 Wiązanie wodorowe białko ligand Oddziaływania hydrofobowe Zasady termodynamiki: ciepło układ otoczenie I. Energia otoczenia i układu jest stała II. W procesach spontanicznych entropia rośnie (ΔS>0) S - entropia - miara przypadkowości i nieuporządkowania H - entalpia - zawartość ciepła w układzie(zwiększenie = wzrost entropii) ΔS otoczenia = -ΔH układu /T G - energia swobodna (Gibbsa) ΔG = ΔH układu -TΔS układu < 0 Reakcja zajdzie spontanicznie jeśli ΔG < 0 22

23 Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe układ nieuporządkowany - duża entropia (S) układ nieuporządkowany: - grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody - spadek entropii układ uporządkowany (niższa entropia?): - grupy hydrofobowe połączone - uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii ΔS wody = -ΔH białka /T wzrost entropii wody kompensuje jej spadek związany ze zwijaniem białek! ΔG = ΔH białka -TΔS białka < 0 układ uporządkowany (niższa entropia?): - grupy hydrofobowe połączone - uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii Oddziaływania van der Waalsa ładunek - dipol dipol - dipol dyspersja (indukowane dipole) δ - δ + N + O C δ + δ - δ + δ - CH 3 H 3 C δ + C δ - O δ + C OH 23

24 Mostek dwu-siarczkowy --CH 2 -S-S-CH2-- sekwencja insuliny wołowej Struktura trzeciorzędowa przestrzenne ułożenie elementów struktury II-rzędowej pojedynczego łańcucha 24

25 Struktura czwartorzędowa Przestrzenne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych tworzących natywną cząsteczkę białka białko Cro z bacteriofaga l, jest dimerem złożonym z identycznych podjednostek Struktura IV-rzędowa dimer hemoglobiny tetramer 2 2 hemoglobiny (1G0B.pdb) 25

26 Struktura IV-rzędowa Ferytyna - 24mer (1BG7.pdb) Insulina (1APH.pdb) Oddziaływanie białek z ligandami Jądrowy receptor hormonu Grupy prostetyczne to często kofaktory Apoproteina - białko bez grupy prostetycznej 26

27 Ćwiczenie 1 Podstawowe parametry białek/ploty PEPSTATS PEPINFO Ćwiczenie 2 Struktura drugorzędowa + helisy amfipatyczne Pobierz sekwencje Garnier Pepwheel Ćwiczenie 3 Narzędzia dla wizualizacji i analizy struktury białkowej obejrzeć: Programy Wikipedia bioinformatyczna 27

28 Ćwiczenie 4 Oglądanie struktury 3D Vector NTI PDB viewer Pobrać plik białkowy (z Bazy PDB) Omówić możliwości programu Wykonać analizy: odległości i kąty pomiędzy atomami Znajdowanie sekwencji aminokwasowej zaznaczonego obszaru struktury np. końce, jakaś a-helisa Różne sposoby przedstawiania struktury białka Zabawa studentów 28