Biofizyka Ćwiczenia 1. E. Banachowicz Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM http://www.amu.edu.pl/~ewas Budowa aminokwasów i białek E.Banachowicz 1
Ogólna budowa aminokwasów α w neutralnym p α N 2 COO N 3 + R COO - R grupa aminowa - N 2 grupa karboksylowa - COO Ogólna budowa aminokwasów - glicyna α N 2 COO R = Gly, G E.Banachowicz 2
Ogólna budowa aminokwasów - alanina α N 2 COO C 3 R = C 3 alfa- amiokwasy L - aminokwasy Ala, A L-aminokwasy - centrum asymetrii N 3 + R N 3 + COO - L D COO - E.Banachowicz 3
Reguła CORN R N 3 + L lewoskrętny (COO-R-N) COO - 20 aminokwasów białkowych kod 1- i 3- literowy alanina A, Ala arginina R, Arg asparagina N, Asn kw.asparaginowy D, Asp cysteina C, Cys glutamina Q, Gln kw.glutaminowy E, Glu glicyna G, Gly histydyna, is izoleucyna I, Ile leucyna L, Leu lizyna K, Lys metionina M, Met fenyloalanina F, Phe prolina P, Pro seryna S, Ser treonona T, Thr tryptofan W, Trp tyrozyna Y, Tyr walina V, Val E.Banachowicz 4
aminokwasy hydrofobowe/niepolarne A V L I P Y F W M C Ala Val Leu Ile Pro aromatyczne alifatyczne Tyr Phe Trp Cys Met zawierające siarkę aminokwasy hydrofilowe/polarne N Q S T K R D E N, Asn Q, Gln S, Ser T, Thr K, Lys naładowane (+) R, Arg, is D, Asp E, Glu naładowane (-) E.Banachowicz 5
Diagram Venn a b. małe Małe P Prolina Alifatyczne ydrofobowe I V L M Aromatyczne C S-S F Y W A G S N C S- T D E K R Q dodatnie Naładowane ujemne Polarne Specyficzne własności reszt aminokwasowych decydują o strukturze i aktywności biologicznej białek. 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 E.Banachowicz 6
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 N 2 - AlaValGlySerThrLeuIle - COO Ser Leu N 2 - AVGSTLI - COO Wiązanie peptydowe wiązanie peptydowe + 3 N C O O + + + 3 N C O O + 2 O O + 3 N C N C O O + E.Banachowicz 7
Kierunkowość łańcucha, nazewnictwo a) b) R 1 + 3N C O N R 2 O C N R 3 C O N R 4 C O O + N- koniec C- koniec a) 4-Alanina lub tetra-alanina, b) tetrapeptyd o sekwencji R 1 R 2 R 3 R 4 Łańcuch aminokwasów: 2-10 oligopeptyd, 10-100 polipeptyd, powyżej 100 reszt aminokwasowych białko. Wiązanie peptydowe kąt torsyjnyωi konformacja Trans R 2 ω=180 o O N 3 + C N C R 1 O E.Banachowicz 8
0 o 180 o 90 o Prekursor mrna mrna (1) Sekwencja białka determinuje jego strukturę przestrzenną mrna (2) Sekwencja aminokwasowa (1) Sekwencja aminokwasowa (2) E.Banachowicz 9
Struktura drugorzędowa Przestrzenne ułożenie łańcucha opisane za pomocą kątów torsyjnych φ i ψ. ψ φ ω 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 -57-47 180 3,6 1,5 i+4 3 10 helisa -49-26 180 3,0 2,0 i+3 π helisa -57-70 180 4,4 1,2 i+5 E.Banachowicz 10
α - helisa α - helisa 3 10 - helisa π - helisa 22-reszty aminokwasowe E.Banachowicz 11
Elementy struktury II-rzędowej beta-harmonijki, (β-kartki, struktury pofałdowanej kartki): równoległe antyrównoległe mieszane harmonijka φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę równoległa -139 135 180 2 3,2 antyrównoległa -119 113-175 2 3,4 β-harmonijki E.Banachowicz 12
Wykres Ramachandrana (Biochemistry, Jeremy Berg, John Tymoczko, Lubert Stryer. 5th ed,pwn 2005). Wykres Ramachandrana (Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005). E.Banachowicz 13
Wykres Ramachandrana dla białka β-równoległa β-antyrównoległa α - helisa 3 10 - helisa π - helisa φ -119-139 -57-49 -57 ψ 113 135-47 -26-70 Łamacze i wzmacniacze Wzmacniacze Łamacze α - helisa M L E C A P G Y T S β - harmonijka równoległa V I F M L Y P G D E A N S K β - harmonijka antyrównoległa Q T R W C kłębek, zwrot G P D N S Y, naładowane E.Banachowicz 14
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 + N donor δ -- δ + δ -- N N N N O O O N N O O O Wiązania wodorowe dla β - harmonijki struktura równoległa struktura anty-równoległa E.Banachowicz 15
Wiązania wodorowe dlaα - helisy i i+4 Wiązania wodorowe dla zwrotu (skrętu) E.Banachowicz 16
Wiązanie wodorowe białko ligand Wiązanie wodorowe E.Banachowicz 17
Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe oddziaływania hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne Oddziaływania hydrofobowe Zasady termodynamiki: układ ciepło otoczenie I. Energia otoczenia i układu jest stała II. W procesach spontanicznych entropia rośnie ( S>0) S - entropia - miara przypadkowości i nieuporządkowania - entalpia - zawartość ciepła w układzie(zwiększenie = wzrost entropii) S otoczenia = - układu /T G - energia swobodna (Gibbsa) G = układu -T S układu < 0 Reakcja zajdzie spontanicznie jeśli G < 0 E.Banachowicz 18
Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ nieuporządkowany --duża entropia (S) (S) Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ nieuporządkowany: --grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody --spadek entropii grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe E.Banachowicz 19
Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ uporządkowany (niższa entropia?): --grupy hydrofobowe połączone --uwolnione cząsteczki wody są są nieuporządkowane --wzrost entropii grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ uporządkowany (niższa entropia?): --grupy hydrofobowe połączone --uwolnione cząsteczki wody są są nieuporządkowane --wzrost entropii S wody = - białka /T wzrost entropii wody kompensuje jej spadek związany ze zwijaniem białek! G = białka -T S białka < 0 grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe E.Banachowicz 20
Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe oddziaływania hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne Oddziaływania van der Waalsa ładunek - dipol dipol - dipol dyspersja (indukowane dipole) δ - δ + N + O C δ + δ - δ + C O C O δ + δ - δ + δ - C 3 3 C E.Banachowicz 21
Mostek dwu-siarczkowy --C 2 -S-S-C2-- sekwencja insuliny wołowej Struktura trzeciorzędowa przestrzenne ułożenie elementów struktury II-rzędowej pojedynczego łańcucha E.Banachowicz 22
Struktura czwartorzędowa Przestrzenne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych tworzących natywną cząsteczkę białka białko Cro z bacteriofaga λ, jest dimerem złożonym z identycznych podjednostek Struktura VI-rzędowa dimer αβ hemoglobiny tetramer α 2 β 2 hemoglobiny (1G0B.pdb) E.Banachowicz 23
Struktura IV-rzędowa Ferytyna - 24mer (1BG7.pdb) Insulina (1AP.pdb) Oddziaływanie białek z ligandami Jądrowy receptor hormonu Grupy prostetyczne to często kofaktory Apoproteina - białko bez grupy prostetycznej E.Banachowicz 24
Ćwiczenia - RasMol http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm E.Banachowicz 25