การออกแบบเชิงโมเลกุลpioneer.netserv.chula.ac.th/~spornthe/protein_2.doc ·...

โปรตีน

พื้นฐานขององค์ประกอบและโครงสรา้งของโปรตีน

โปรตีนและโครงสรา้งสามมติิโปรตีนเป็นชวีโมเลกลุที่สำ�คัญในวฎัจกัรก�รดำ�รงชวีติ ร�่งก�ย

ข อ ง ม น ุษ ย ม์ โี ป ร ต ีน ม � ก ม � ย ห ล � ย ช น ิด เ ช น่ ฮ ีโ ม โ ก ล บ นิ (hemoglobin) มหีน้�ที่ลำ�เลียงก๊�ซออกซเิจนเพื่อไปเลี้ยงเซลล์ ไซโตโครม ซ ี(cytochrome c) มหีน้�ท่ีขนสง่อิเล็กตรอน (electron transfer) เพื่อผลิตพลังง�น ไรโบโซม (ribosome) ชว่ยในก�รผลิตโปรตีนรุน่ใหมเ่พื่อก�รเจรญิเติบโตหรอืทดแทนสว่นที่เสยีห�ย โรหด์อปซนิ (rhodopsin) เป็นโปรตีนที่เกี่ยวขอ้งกับก�รทำ�ง�นของระบบประส�ทก�รรบัภ�พ หรอื ไอออนแชลแนล (ion channels) ทำ�หน้�ที่ควบคมุปรมิ�ณไอออนเข้�-ออกเซลล์ เพื่อรกัษ�สมดลุหรอืเกี่ยวขอ้งกับก�รรบัรูใ้นระบบประส�ท เป็นต้น กระบวนก�รท�งชวีเคมีในสิง่มชีวีติต้องอ�ศัยเอนไซมเ์พื่อชว่ยทำ�ใหเ้กิดปฏิกิรยิ�ได้อย�่งมีประสทิธภิ�พ โรคบ�งชนิดเกี่ยวขอ้งกับคว�มผิดปกติของโปรตีน คว�มรูเ้ก ี่ยวกับก�รทำ�ง�นของโปรตีนชว่ยทำ�ใหเ้ข�้ใจปัญห�ท�งชวีวทิย�หรอืท�งก�รแพทยไ์ด้ม�กยิง่ขึ้น โครงสร�้งส�มมติิ (three-dimension หรอื 3D structure) ของโมเลกลุเป็นขอ้มูลสำ�คัญที่จะนำ�ไปสูค่ว�มเข�้ใจในเรื่องก�รทำ�ง�นของโปรตีนได้อย่�งลึกซึ้ง

โปรตีนแต่ละชนิดมโีครงสร�้งส�มมติิที่จำ�เพ�ะเพื่อใหเ้หม�ะต่อก�รทำ�ง�น ก�รทำ�ง�นที่หล�กหล�ยของโปรตีนต่�งๆ จงึท ำ�ให ้โครงสร�้งส�มมติิมหีล�ยรูปแบบและในขณะเดียวกันก็มคีว�มซบัซอ้นด้วย โครงสร�้งส�มมติิของโมเลกลุ บอกถึง ตำ�แหน่งของอะตอมต ่� ง ๆ ข อ ง โ ม เ ล ก ลุ ท ี่อ ย ูใ่ น ร ะ บ บ พ กิ ัด อ ้� ง อ ิง (reference coordinate system) โดยท ัว่ ไปมกัใชร้ ะบบพกิ ัดค�รท์ ีเช ยีน (Cartesian coordinates system) เป็นระบบพกิัดอ้�งอิง ซึ่ง

1

โปรตีน

ประกอบด้วยแกน X, แกน Y, และแกน Z ดังนัน้ในระบบพกิัดค�รท์ีเชยีน ตำ�แหน่งของอะตอมจะระบุต�มค่�ของพกิัด (x, y, z) เร�ส�ม�รถทร�บว�่อะตอมใดสร�้งพนัธะต่อกัน หรอืภ�ยในโมเลกลุมแีรงกระท ำ�หรอือ ันตรก ิรยิ� (intramolecular interactions) ก ันอย�่งไรโดยอ�ศัยขอ้มูลจ�กโครงสร�้งส�มมติิของโมเลกลุได้ เทคนิคก�รห�โครงสร�้งส�มมติิของโปรตีน (structure determination of proteins) ม ี2 วธิคีือ เทคนิคก�รเลี้ยวเบนรงัสเีอ็กซ ์(x-ray diffraction) และเทคน ิคน ิว เคล ียรแ์มกเนต ิกส เ์ร โซแนนซ ์(nuclear magnetic resonance)

2

โปรตีน

กรดอะมโินโปรตีนเป็น Biopolymer ชนิดหนึ่งซึ่งมหีน่วยยอ่ยที่เรยีกว�่

Building block หรอืสว่นที่เหมอืนกันเรยีงต่อซำ้�ๆกัน หน่วยยอ่ยหรอืโมโนเมอรน้ี์คือ กรดอะมโิน

กรดอะม โิน (บ�งคร ัง้ เร ยีก amino acid residue หรอืส ัน้ๆ ว �่ residue) เ ป ็น โ ม เ ล ก ลุ ส � รอินทรยี ์มสีตูรเคมทีัว่ไป คือ NH2-CHR-COOH ส ว่ น ท ี่เ ป ็น Building block ประกอบด้วยหมู่เอมนี (-NH2) หมูค่�รบ์อกซลี (-COOH) แ ล ะ ห ม ู-่CH ซ ึ่ง เ ป ็นค � ร บ์ อ น อ ะ ต อ ม ก ล � ง ห ร อื -carbon สำ�หรบัหมูฟ่งัก์ชนั R ขึ้นอยูก่ับชนิดของกรดอะมโิน เมื่อกรดอะมโินต่อกันเป็นโครงสร�้งโปรตีนสว่นที่เหมอืนกัน

นี้เรยีกว�่ Backbone หรอื Mainchain (ดังรูปที่ 2.1) และเรยีกสว่นที่ต่�งกันหรอืหมู่ R ว�่ Side chain กรดอะมโินที่พบโดยทัว่ไปและรูจ้กักันดีมทีัง้หมด 20 ชนิด (ต�ร�งท่ี 2.1)

รหัสอักษรสญัลักษณ์ก�รใชอั้กษรสญัลักษณ์แทนกรดอะมโินชนิดต่�งๆ มอียูด่้วยกัน

สองระบบ คือ ระบบที่ใชร้หสัอักษรส�มตัว (three letter code) กับระบบท่ีใชร้หสัอักษรเพยีงตัวเดียว (one letter code) ดังแสดงในต�ร�งท่ี 2.1 ตารางท่ี 2.1 ชนิดของกรดอะมโินและอักษรสญัลักษณ์

Type 3 letter code

1 letter

type 3 letter

1 letter

3

N CA

H

C

O

R sidechainbackbone

H

N CA

H

C

O

R sidechainbackbone

H

รูปท่ี 2.1 องค์ประกอบทางเคมขีองกรดอะมโิน

โปรตีน

code code codeAlanine Ala A Serine Ser SGlycine Gly G Threoni

neThr T

Valine Val V Cysteine

Cys C

Leucine

Leu L Tyrosine

Tyr Y

Isoleucine

Ile I Asparagine

Asn N

Proline Pro P Glutamine

Gln Q

Phenylalanine

Phe F Aspartic acid

Asp D

Tryptophan

Trp W Glutamic acid

Glu E

Methionine

Met M Lysine Lys K

Histidine

His H Arginine

Arg R

รหสัอักษรส�มตัวสว่นใหญ่จะม�จ�กอักษรส�มตัวแรกของกรดอะมิโนชนิดนัน้ๆ เชน่ Alanine = Ala หรอื Glycine = Gly ยกเวน้ Tryptophan, Asparagine และ Glutamine จะใช ้Trp, Asn และ Gln ต�มลำ�ดับ สว่นรหสัอักษรหน่ึงตัวจะใชห้ลักก�รเดียวกันคือใชอั้กษรตัวแรกของกรดอะมโินชนิดนัน้ๆ เชน่ Serine = S, Threonine = T ยกเวน้กรดอะมโิน ต่อไปน้ี (เน่ืองจ�กมอัีกษรตัวแรกซำ้�กัน)Phenylalanine = F Tryptophan = W

Tyrosine = Y,Asparagine = N Aspartic acid = D Glutamine = Q Glutamic acid = ELysine = K Arginine = R

สเตอรโิอไอโซเมอร์

4

+

H2N

2

C

NH

CH2 COO-CHCH2 CH2NH

NH3+

CH2 CH COO-HN

12

3 4

5

NH3+

N

โปรตีน

เมื่อพจิ�รณ�องค์ประกอบและโครงสร�้งของกรดอะมโินบรเิวณ Backbone จะเหน็ว�่กรดอะมโินทกุชน ิดยกเวน้ไกลซนีจดัเป ็น chiral molecule โดยมีค�รบ์อนอะตอมกล�ง หรอื -carbon เป็น chiral atom ดังนัน้กรดอะมโินจึงมีได้สองสเตอรโิอไอโซเมอร์ คือ R- และ S-configurations

เร�นิยมใชร้ะบบก�รเรยีกไอโซเมอรข์องกรดอะมโินตแบบเ ด ิม ม � ก ก ว �่ ค ือ D-stereoisomer (R-configuration) แ ล ะ L-stereoisomer (S-configuration) (ร ูป 2.2) ทัง้สองสเตอรโิอไอโซเมอรเ์ป็น enantiomer หรอืเป็นกระจกเ ง � ซ ึ่ง ก ัน แ ล ะ ก ัน (mirror image) อ ย �่ ง ไ ร ก ็ต � ม ขอ้มูลจ�กโครงสร�้ง

ส�มมติิของโปรตีนทำ�ใหเ้ร�ทร�บว�่กรดอะมโินที่พบในธรรมช�ติ เป็นชนิด L-stereoisomer

ซวทิเทอรไ์อออน (Zwitterion)ถ ้� ห � ก พ จิ � ร ณ � ใ น ส ว่ น

backbone จะมหีมูฟ่งัก์ชนัเอมนี (-NH2) ที่อยูป่ล�ยด้�นหนึ่งของกรดอะมโินมสีมบตัิเป็นเบส ส�ม�รถรบัโปรตอน ในขณะที่ปล�ยด้�นหมู ่-COOH มสีมบตัิเป็นกรด ส�ม�รถแตกตัวใหโ้ปรตอนได้ กระบวนก�รที่รบัโปรตอนนี้เรยีกว�่ protonation

5

L-amino acid D-amino acid

รูปท่ี 2.2 โครงสรา้งทางเคมขีอ

รูปท่ี 2.3 สภาวะ Zwitterion

โปรตีน

และกระบวนก�รที่แตกตัวใหโ้ปรตอนน ี้เ ร ยีก ว �่ deprotonation ด ังสมก�รprotonation : -NH2 + H + --> -NH3

+ deprotonation : -COOH --> -COO- + H +

กระบวนก�รทัง้สองเกิดขึ้นพรอ้มกันเมื่อกรดอะมโินละล�ยนำ้� ผลก็คือ backbone ของกรดอะมโินมทีัง้ไอออนบวกที่ -NH3

+ และ

ไอออนลบท่ี –COO- สภ�วะน้ีเรยีกว�่ ซวิ ท เ ท อรไ์อออน ดังรูป 2.3

ประเภทของกรดอะมโิน ดังที่ได้กล่�วม�ในหวัขอ้ข�้งต้นว�่กรดอะมโินทัง้ 20 ชนิดแตก

ต่�งก ันท ี่ sidechain หรอืหมูฟ่ งัก ์ชนั R คว�มแตกต่�งของ sidechain ทำ�ใหก้รดอะมโินมสีมบตัิท�งก�ยภ�พและท�งเคมทีี่แตกต่�งกัน ซึ่งองค์ประกอบและโครงสร�้งท�งเคมขีองกรดอะมโินทัง้ 20 ชนิดแสดงดังรูปที่ 2.4 จะเหน็ว�่ sidechain เป็นหมูฟ่งัก์ชนัของส�รอินทรยีห์ล�ยชนิด เชน่หมู ่aliphatic hydrocarbon ใน Val, Ile, Leu, หม ู ่aromatic hydrocarbon ใน Phe, Tyr, Trp, หม ู ่ indole ใน Trp, หม ู ่ imidazole ใน His, หม ู ่amide (-CONH2) ใน Asn และ Gln, หมู ่carboxylic (-COOH) ใน Asp และ Glu เป็นต้น ในโปรตีน หมูฟ่งัก์ชนัเหล่�นี้มคีว�มสำ�คัญในก�รก่อโครงรูปและก�รทำ�ง�นของโปรตีน (structure & function)

เร�ส�ม�รถจดักรดอะมโินใหเ้ป็นกลุ่มต่�งๆ โดยพจิ�รณ�จ�กสมบตัิ เชน่ ไฮโดรโฟบคิ (hydrophobicity), คว�มเป็นขัว้ และคว�มเป็นกรด-เบส โดยทัว่ไปก�รแบง่ประเภทของกรดอะมโินเป็นดังนี้

i) Hydrophobic residues คือ กรดอะมโินที่ไมช่อบนำ้�หรอืมคีว�มเป็นขัว้ตำ่� กรดอะมโินในกลุ่มนี้มชีนิดที่ sidechain เป ็นแบบ aliphatic residue

6

โปรตีน

ได ้แก ่ Ala, Val, Leu, Ile, Pro และ Met และชน ิดท ี ่sidechain เป็นแบบ aromatic residue ได้แก่ Trp และ Phe

ii) Polar residues คือ กรดอะมโินที่มขีัว้ เชน่ Ser, Thr, Cys, Tyr, Asn, Gln, His ขอ้สงัเกต ุกรดอะมโินเหล่�นี้มกัจะมหีมู ่–OH , -CONH, -SH, imidazole รว่มอยูท่ี่ sidechain

iii) Charge residues คือ กรดอะมโินที่มปีระจุ สมบตัิของกรดอะมโินในกลุ่มนี้คือส�ม� รถร บัหร อื ให โ้ป รต อน ได ้ ส ำ�ห ร บักรดอะม โิ นท ี ่sidechain มหีมู ่–COOH เชน่ Asp และ Glu มสีมบตั ิคล้�ยกรด (บ�งครัง้เรยีกว�่ acidic residues) ส�ม�รถให้โปรตอนดังสมก�ร

สำ�หรบักรดอะมโินที่ sidechain มสีมบตัิคล้�ยเบส เชน่ Lys และ Arg (บ�งครัง้เรยีกว�่ basic residues) ส�ม�รถรบัโปรตอนดังสมก�ร

Gly จะไมถ่กูจดัอยูใ่นกลุ่มใด เน่ืองจ�กหมู ่R คือ hydrogen อย�่งไรก็ต�ม ก�รแบง่ประเภทของกรดอะมโินก็เพ ื่อเป็น

ประโยชน์ต่อก�รศึกษ�โปรตีน เกณฑ์ดังกล่�วเป็นเพยีงแนวท�งแบบก

7

Arg

Ly

โปรตีน

ว�้งๆ เพร�ะในบ�งกรณีอ�จมขีอ้ยกเวน้ เชน่ His เมื่ออยูใ่นสภ�วะที่เป็นกล�งจะเป็น polar residue แต่ไนโตรเจนใน imidazole ring ของ His ส�ม�รถรบัโปรตอนได้เหมอืนกัน หรอืในกรณี ไนโตรเจนใน indole ring ของ Tryptophan ส�ม�รถที่จะเกิดพนัธะไฮโดรเจน ซึ่งเป็นสมบติัหน่ึงของกลุ่ม polar residue

8

โปรตีน

ตารางที่ 2.4 การจดักลุ่มของกรดอะมโินทั้ง 20 ชนิดตามสมบตัิและโครงสรา้งทางเคมขีอง sidechain

9

โปรตีน

ตำาแหน่งของอะตอมในกรดอะมโินชื่ออะตอมต่�งๆของกรดอะมโินถกูกำ�หนดต�มระบบ IUPAC-

IUB (INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY and INTERNATIONAL UNION OF BIOCHEMISTRY AND MOLECULAR BIOLOGY) ดังต่อไปน้ี

ช ื่ออะตอมประกอบด้วย 2 สว่น ค ือตำ�แหน่งซึ่งเป็นภ�ษ�กรกีและชนิดของธ�ต ุเชน่ -carbon , -carbon, -carbon เป็นต้น หรอือ�จใช ้C C C สำ�หรบักรดอะมิโ น อ ัก ษ ร ก ร กี เ ร ยี ง ต � ม ต ำ� แ ห น ่ง ด ัง น ี ้ (alpha), (beta), (gamma), (delta), (epsilon), (zeta) แ ล ะ (eta) ใ นก รณ ีห � ก มตี ำ� แ ห น ่ง ซ ำ้� ก ันเนื่องจ�กก�ร split ออกเป็นสองท�ง ก็ยงัส�ม�รถใชห้ลักก�รเดิมแต่จะมกี�รกำ�หนดหม�ยเลขพว่งท้�ย เชน่หมูเ่อไมด์ (-CONH2) ท ี่ป ล � ย sidechain ข อ ง glutamine อะตอมซึ่งถัดจะตำ�แหน่ง C เรยีกว�่ O1 และ N2 (รูปที่ 2.5) นอกจ�กนี้จะไมน่ับตำ�แหน่งอะตอมของธ�ตไุฮโดรเจน แต่จะตัง้ใหส้อดคล้องกับตำ�แหน่งของธ�ตทุี่เกิดพนัธะอยู ่ เชน่ H1 และ H2 คือไฮโดรเจนที่เกิดพนัธะกับ C เป็นต้น

พนัธะเปปไทด์โปรตีน จดัเป็น polypeptide molecule กล่�วคือ กรดอะ

มโินต่�งๆเชื่อมต่อกันด้วยพนัธะโคว�เลนท์ที่เรยีกว�่ พนัธะเปปไทด ์(peptide bond) ซ ึ่ง เป ็นพนัธะท ี่เก ิดข ึ้นบร เิวณ Backbone ระหว�่ง -CO(i)-NH(i+1)- โดยท่ี i คือลำ�ดับที่ ith ของกรดอะมโิน

N C

C

C

OHH

C

CO NH2

H

H

H

H

N C

C

C

OHH

C

CO NH2

H

H

H

H

รูปท่ี 2.5 การเรยีงตำาแหน่งของ

6

โปรตีน

ก�รเกิดพนัธะเปปไทด์อ�จพจิ�รณ�จ�กปฏิก ิรยิ�เคมกี�รสงัเคร�ะหส์�รประกอบเปปไทด์อย่�งง่�ยดังรูปที่ 2.6 ส�รตัง้ต้นคือกรดอะมโิน 2 โมเลกลุทำ�ปฏิกิรยิ� condensation ระหว�่งหมู ่–COO- กับหมู ่-NH3

+ ได้ผลิตภัณฑ์คือ นำ้�และส�รเปปไทด์

+ H 3 N C A

R

C

O

N

H

C A C O O

R '+ H 3 N C A C O O

R- + +H 3 N C A C O O

R '- - + H 2 O

Peptide bonds

+ H 3 N C A

R

C

O

N

H

C A C O O

R '+ H 3 N C A C O O

R- + +H 3 N C A C O O

R '- - + H 2 O

Peptide bondsรูปท่ี 2.6 ปฏิกิรยิาเคมขีองกรดอะมโินเกิดเป็นพนัธะเปปไทด์

7

โปรตีน

ถ้�สงัเกตหุมูฟ่งัก์ชนัที่ปล�ยทัง้สองของเปปไทด์จะเหน็ว่�เป็น -NH3

+ และ –COO- เหมอืนกับของกรดอะมโินในส�รตัง้ต้น ดังนัน้ไมว่�่จะเป็น dipeptide, tripeptide หรอื polypeptide รวมทัง้โปรตีน โมเลกลุจะมปีล�ยทัง้สองด้�นเป็น NH3

+ และ –COO- เชน่เดิม สำ�หรบัโปรตีน เร�เรยีกปล�ยด้�น -NH3

+ นี้ว�่ N-terminus และปล�ยด้�น –COO- เป็น C-terminus และก�รนับลำ�ดับกรดอะม โินในโปรต ีนจะเร ิม่น ับกรดอะม โินล ำ�ด ับแรกท ี่อย ูฝ่ ั่ ง N-terminus และกรดอะม โินท ี่อย ูล่ ำ�ด ับส ดุท ้�ยจะอย ูด่ ้�น C-terminus

Peptide planarity & conformationที่บรเิวณ Backbone ของโปรตีน คู่อะตอมที่เกิดพนัธะเปป

ไทด์มโีครงสร�้งส�มเหล่ียมแบนร�บเพร�ะต่�งก็เป็น sp2 ไฮบรดิออร์บทิัล

Planarity ของเปปไทด์เป็นลักษณะเฉพ�ะท�งโครงสร�้งที่สำ�คัญประก�รหนึ่งของโปรตีน ก�รตรวจส อ บ peptide planarity โดยก�รวดัมุมไ ด ฮ ีด ร ลั (dihedral angle) ของ C-C-N-C

8

โปรตีน

หรอืค่� ซึ่งค่� ควรจะเท่�กับหรอืใกล้เคียง 180 จงึจะถือว�่เป็น peptide planarity

trans-conformers เป็นเอกลักษณ์ของพนัธะเปปไทด์ที่ส ำ�คัญอีกประก�รหนึ่ง เนื่องจ�กอิทธพิลด้�น steric ระหว�่งหมู ่sidechain ด้วยกันของคู่ residue ที่เกิดพนัธะ ยกเวน้ในกรณีที่ก ร ด อ ะ ม โิ น น ัน้ ค ือ Proline ซ ึ่ง พ นั ธ ะ เ ป ป ไ ท ด ์จ ะ เ ป ็น cis-conformation (รูปท่ี 2.8)

ระดับขอ้มูลทางโครงสรา้งของโปรตีน (levels of protein structure)

ขอ้มูลท�งโครงสร�้งของโปรตีนจดัออกเป็น 4 ระดับ คือ- โครงสร�้งปฐมภมู ิ(Primary structure)- โครงสร�้งทติุยภมู ิ(Secondary structure) - โครงสร�้งตติยภมู ิ(Tertiary structure) - โครงสร�้งจตรุภมู ิ(Quaternary structure)

โครงสรา้งปฐมภมู ิโครงสร�้งปฐมภมู ิเป็นขอ้มูลเบื้องต้นที่บอกลำ�ดับกรดอะมโิน

ของโปรตีน (Amino acid sequence) กล่�วคือ โปรตีนประกอบด้วยกรดอะมโินใดบ้�งและเรยีงลำ�ดับกันอย�่งไร โครงสร�้งปฐมภมูิ

รูปท่ี 2.7 Planarity ของพนัธะเปปไทด์

C NC

O

HR

R

C

O

N

CR

trans-peptide cis-peptide

C NC

O

HR

R

C

O

N

CR

trans-peptide cis-peptide

รูปท่ี 2.8 คอนฟอรเ์มชนัของเปปไทด์

9

โปรตีน

มกัแสดงในรูปรหสัตัวอักษรของกรดอะมโินเรยีงกันต�มลำ�ดับจ�กกรดอะม โินท ี่ N-terminus ซ ึ่ง เป ็นล ำ�ด ับแรกสดุ ไปสดุท ี่ C-terminus ซึ่งเป็นกรดอะมโินตัวสดุท้�ย เชน่ ตัวอย่�งลำ�ดับกรดอะมโินของ hemoglobin chain A

>1A00:A DEOXYHEMOGLOBIN AVLSPADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEALERMFLSFPTTKTYFPHFDLSHGSAQVKGHGKKVADALTNAVAHVDDMPNALSALSDLHAHKLRVDPVNFKLLSHCLLVTLAAHLPAEFTPAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR

โครงสร�้งปฐมภมูหิรอืลำ�ดับกรดอะมโินเป็นขอ้มูลที่มคีว�มสำ�คัญลำ�ดับแรกในก�รนำ�ไปใชป้ระโยชน์เพื่อก�รศึกษ�โปรตีนในระดับโมเลกลุ ซ ึ่งจะเหน็ได้จ�กขอ้มูลหลักที่อยูใ่นฐ�นขอ้มูลท�งด้�น Genome และ Bioinformatics ขอ้มูลเหล่�นี้สว่นใหญ่ได้จ�กก�รทดลองห�ลำ�ดับของดีเอ็นเอ (DNA sequencing) และมกัจะถกูแปลงใหเ้ป็นลำ�ดับของกรดอะมโินเพื่อประโยชน์ในก�รวเิคร�ะห์โปรตีน NCBI (The National Center for Biotechnology Information) เป็นเครอืข่�ยสำ�คัญที่เก็บฐ�นขอ้มูลลำ�ดับกรดอะมิโนของสิง่มชีวีติต่�งๆ อีกทัง้เร�ส�ม�รถสบืค้นขอ้มูลและด�วน์โหลดม�ใชไ้ด้

โครงสรา้งทติุยภมูิโครงสร�้งทตุิยภมูบิอกถึงก�รจดัเรยีงอะตอมในโปรตีนที่มรีูป

แบบเฉพ�ะ ซึ่งพบสว่นใหญ่ในโครงสร�้งของโปรตีน บทบ�ทสำ�คัญของก�รมโีครงสร�้งทตุ ิยภมูคิ ือจะชว่ยเพ ิม่คว�มเสถ ียรท�งโครงสร�้งใหก้ับโปรตีน ชว่ยสนับสนุนก�รทำ�ง�น และชว่ยปรบัโปรตีนใหเ้หม�ะกับสภ�พแวดล้อม โครงสร�้งทตุิยภมูทิี่สำ�คัญได้แก่ -helix

10

โปรตีน

และ -sheet โครงสร�้งทัง้สองชนิดคงรูปอยูไ่ด้ด้วยพนัธะไฮโดรเจนท่ีม�จ�ก backbone atoms โครงสร�้งทติุยภมูมิรี�ยละเอียดดังน้ี

เกลียวอัลฟ� หรอื -helix แสดงถึงอะตอมจดัเรยีงเป็นวงจนได้คอนฟอรเ์มชนัที่มลีักษณะมว้นคล้�ยเกลียว และเป็นเกลียวเวยีนขว�มอืหรอืต�มเขม็น�ฬิก�ของส�ยเปปไทด์ โดยหนึ่งรอบของเกลียว จะประกอบด้วยกรดอะมโินจำ�นวน 3.6 และมรีะยะระหว�่งเกลียว 5.4 Å โดยประม�ณ (ดังรูป 2.9 ก) พนัธะไฮโดรเจนที่คงรูปโครงสร�้งทตุิยภมูชินิดนี้เกิดระหว่�งออกซเิจนของหมู ่CO กับ ไฮโดรเจนของหมู ่NH ของกรดอะมโินที่อยูถ่ัดไปในลำ�ดับท่ีส�มและสี ่(ใชส้ญัลักษณ์ COi-NHi+4 และ COi-NHi+3)

ในแผ่นคู่ประกบบตี� หรอื -sheet อะตอมในสว่น backbone จดัเรยีงแบบขน�นกันทำ�ใหม้ลีักษณะเสมอืนมีส�ยเปปไทด์ว�งเป็นแนวขน�นกันอย�่งน้อยสองส�ย พนัธะไฮโดรเจนเกิดระหว่�งหมู ่CO ของส�ยเปปไทด์หนึ่ง กับหมู ่NH ของส�ยเปปไทด์อีกส�ยหนึ่งอย�่งต่อเนื่องซ ึ่งเรยีกว ่� hydrogen-bond network ดังรูป 2.9 ข แผ่นคู่ประกบบตี�ที่พบในโปรตีนมสีองแบบ คือ แบบขน�นทิศเด ียวกัน (Parallel -sheet) กับ แบบขน�นทิศตรงข�้มกัน (Anti-parallel -sheet)

( (ขAnti-paralell

Paralell

รูปท่ี 2.9 แสดงโครงสรา้งทติุยภมู ิ(ก) เกลียวอัลฟา (ข) แผ่นคู่ประกบบตีา

11

โปรตีน

โครงสรา้งตติยภมูิโครงสร�้งตติยภมู ิ(Tertiary structure) บอกถึงก�รจดั

เรยีงอะตอมทัง้หมดของโปรตีน ซึ่งก็คือโครงสร�้งส�มมติิ วธิกี�รเสนอโครงสร�้งตติยภมูิมกัแสดงใหเ้หน็ถึงส�ยเปปไทด์ที่มว้นอย�่งซบัซอ้นจนได้โครงสร�้งของโปรตีน

รูปท่ี 2.10 โครงสรา้งตติยภมูขิองโปรตีนท่ีศึกษาได้จากเทคนิครงัสเีอ็กซ์

โครงสรา้งจตรุภมูิโปรตีนบ�งชนิดจะมมี�กกว�่หนึ่งโมโนเมอรห์รอืมมี�กกว�่หนึ่ง

หน่วยยอ่ย (subunit) ซึ่งอยูด่้วยกันเป็นกลุ่มก้อน รูปแบบก�รจดัเรยีงหรอื packing ของแต่ละโมโนเมอรก์็มคีว�มสำ�คัญต่อก�รทำ�ง�นของโปรตีนไมน่ ้อยไปกว่�โครงสร�้งตติยภมู ิ โครงสร�้งจตรุภมูบิอกถึงลักษณะของก�รจดัเรยีงของแต่ละหน่วยยอ่ยควรจะอยูด่ ้วยกันอย่�งไร ตัวอย่�งเชน่ ฮีโมโกลบนิซึ่งทำ�หน้�ที่ลำ�เลียงออกซเิจน (O2 transport) ฮีโมโกลบนิเป็นโปรตีนเตตระเมอร ์ประกอบด้วยหน่วยยอ่ย 22 โครงสร�้งจตรุภมูขิองฮีโมโกลบนิประกอบด้วยม ี4 โมโนเมอร ์แสดงดังรูป

1 1

2 212

โปรตีน

13

โปรตีน

แบบฝึกหัดจงตอบคำ�ถ�มต่อไปน้ี1. กรดอะมโินทกุชนิดมสีเตอรโิอไอโซเมอรย์กเวน้ 2. Chirality ที่ตำ�แหน่งอัลฟ�ค�รบ์อน (Ca) ของกรดอะมโินที่พบในธรรมช�ติ คือ 3. กรดอะมโินท่ีพบโดยทัว่ไปมทัีง้หมด 20 ชนิด อะไรบ�้ง4. จงว�ดสตูรโครงสร�้งของกรดอะมโินทัง้ 20 ขนิดน้ี 5. Backbone ของกรดอะมโิน คืออะไร6. Sidechain ของกรดอะมโิน คือ อะไร7. จงระบุค�รบ์อนที่ต ำ�แหน่งอัลฟ� เบต้� และแกมม� ของ Valine Isoleucine Phenylalanine 8. จงเขยีนรหสัชนิด 3 ตัวอักษร (3 letter code) แทนกรดอะมโินต่อไปนี้ Tyrosine Arginine Lysine Trptophan9. จงเขยีนรหสัชน ิด 1 ต ัวอ ักษร ค ือ กรดอะม โินต ่อ ไปน ี ้Tyrosine Arginine Lysine Trptophan10. จงสตูรโครงสร�้งของเปปไทด์ต่อไปน้ี EGDFT11. จ ง ใ ช ค้ ่� pKa ข อ ง ก ร ด อ ะ ม โิ น ส ว่ น ท ี่เ ป ็น แ ข น ง ข ้� ง (Sidechain) กรดอะมโินใดบ้�งมฤีทธิเ์ป็นเบส และกรดอะมโินใดบ�้งมฤีทธิเ์ป็นกรด12. อะตอมท่ีเกี่ยวขอ้งกับพนัธะเปปไทด์ คือ13. โครงสร�้งเรข�คณิตของอะตอมที่เกี่ยวขอ้งกับพนัธะเปปไทด์ เป็นแบบใด14. โครงสร�้งเรข�คณิตของอะตอมที่ต ำ�แหน่งอัลฟ�ค�รบ์อน (Ca) เป็นแบบใดแบบฝึกหดั

14

โปรตีน

แผนภมู ิRamachandran เนื่องจ�กโปรตีนทกุชนิดมสีว่นที่เรยีกว่� backbone โครง

รูปของ backbone จะต้องมสีมบตัิ peptide planarity และได ้trans-conformer เป็นสว่นใหญ่ ดังนัน้ก�รจดัเรยีงอะตอมของ backbone จ งึ ค ่อ น ข �้ ง จ ำ� เ พ � ะ ก � ร ต ร ว จ โ ค ร ง ร ูป ข อ ง backbone ของโปรตีนจะระบุด้วยมุมทอรช์นัคือมุม และมุม ซึ่งกำ�หนดไวดั้งรูป

มุม พนัธะคือที่ส�ม�รถหมุนเป็นมุมต่�งๆได้ (Rotatable bond) พนัธะของ C-C จะแทนด้วย ใชแ้ทนก�รหมุนของพนัธะ C-N เน ื่องจ�ก และ มคี ่�ตัง้แต่ -180 ถึง 180 จ�กก�รวเิคร�ะหโ์ครงสร�้งของโปรตีนชนิดต่�งๆ พบว�่อิทธพิลท�งสเตอรกิ (Steric effect) ทำ�ให ้ และ มคี่�จำ�เพ�ะและเป็นชว่งๆ กร�ฟคว�มสมัพนัธร์ะหว�่ง และ เรยีกว�่ Ramachandran plot มปีระโยชน์อย่�งม�กต่อคว�มเข�้ใจโครงรูปของโปรตีน และถือเป็นวธิหีนึ่งที่ใชต้รวจสอบคณุภ�พของโครงสร�้งของโปรตีนอีกด้วย

-sheet

-helix

15

โปรตีน

รูปที่ 2.11 Ramachandran plot บรเิวณที่แรเงา แสดงถึง และ ที่ยอมรบัได้ สว่นบรเิวณพื้นสขีาวแสดงถึง และ ท่ีผิดสว่น ซึง่ทำาให้บรเิวณนัน้มโีครงรูปของโปรตีนท่ีบดิเบีย้วไป

16

โปรตีน

พนัธะไฮโดรเจนในโปรตีนหลักการมองแบบสามมติิค่า pKa ของกรดอะมโิน

กรดอะมโินมคี่� pKa อยูร่ะหว�่ง 9-10 ในขณะที่หมูอ่ัลฟ�ค�รบ์อกซลิมคี่�ประม�ณ 2 ดังนัน้กรดอะมโินจะมทีัง้ประจุบวกและประจุลบที่สภ�วะ pH เป็นกล�ง ลักษณะเชน่นี้เรยีกว่� ดังรูปที่ 1.6 กรดอะมโินท่ีพบในธรรมช�ติมอียู ่20 ชนิด (ต�ร�งท่ี 1.4)

ส�ม�รถจดัใหเ้ป ็นม ีซ ึ่งท ำ�ใหก้รดอะมโินมสีมบตั ิคล้�ยข ัว้ประจุไฟฟ�้ เนื่องจ�กมคีว�มหน�แน่นของอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมไมเ่ท่�กัน หรอือ�จเรยีกว�่เป็นกรดอะมโินชนิดโพล�ร ์ ซึ่งมทีัง้ประเภทที่มปีระจุ (มสีมบตัิเป็นกรดหรอืเบส โดยพจิ�รณ�จ�กค่� pKa) หรอืโพล�รป์ระเภทไมม่ปีระจุ หรอืไมโ่พล�ร ์(Non-polar) ประเภทของกรดอะมโินแสดงไวต้�มต�ร�งท่ี 1.3

ตาราง 1.3 แสดงค่า pK ของกรดอะมโินบางชนิดกรดอะมโิน ค่� pK (25 C)

-COOH

-NH2 แ ข น งข�้ง

อะล�นีน 2.3 9.9 -ไกลซนี 2.4 9.8 -เฟนิลอะล�นีน

1.8 9.1 -

เซรนี 2.1 9.2 -เวลีน 2.3 9.6 -กรดแอสป�ร์ติค

2.0 10.0 3.9

กรดกลตู� 2.2 9.7 4.3

17

โปรตีน

มคิฮิสติดีน 1.8 9.2 6.0ซสิเตอีน 1.8 10.8 8.3ไทโรซนี 2.2 9.1 10.9ไลซนี 2.2 9.2 10.8อ�รจ์นีิน 1.8 9.0 12.5

18

โปรตีน

บทสรุปก�รพฒัน�คว�มรูด้้�นก�รออกแบบเชงิโมเลกลุมมี�อย�่งต่อ

เนื่องตัง้แต่อดีตจนถึงปัจจุบนัและมมี�น�นหล�ยทศวรรษ ปัจจุบนัมีเทคนิคที่เกี่ยวขอ้งกับก�รออกแบบโมเลกลุอยูม่�กม�ยหล�ยเทคนิค คว�มเหม�ะสมของแต่ละเทคนิคก็ขึ้นกับระบบ สมบตัิที่สนใจหรอืระดับคว�มถกูต้อง รวมไปถึงขอ้จำ�กัดท�งด้�นฮ�รด์แวรด์้วย เชน่ระบบที่มโีมเลกลุขน�ดเล็ก ก็ส�ม�รถเลือกใชเ้ทคนิคท่ีมคีว�มถกูต้องสงู ตัง้อยูบ่นพื้นฐ�นท�งทฤษฎีเพยีงอย�่งเดียว หรอื ระบบที่สลับซบัซอ้นม�กขึ้น สว่นใหญ่เป็นระบบที่มโีมเลกลุขน�ดใหญ่ เหม�ะสมกับเทคนิคที่อ�ศัยสมก�รอย�่งง่�ยไมซ่บัซอ้น เป็นต้น ดังนัน้ ก�รเลือกใชแ้ต่ละเทคนิคจงึต่อพจิ�รณ�ปัจจยัต่�งๆ เหล่�นี้ เป็นสำ�คัญ เทคนิคที่น ำ�ม�ใชใ้นวธิกี�รออกแบบโมเลกลุ เพ ื่อศึกษ�โครงสร�้งและสมบตัิของโมเลกลุ หรอืเพื่อทำ�น�ยแรงยดึเหนี่ยวระหว�่งโมเลกลุอ�ศัยทฤษฎีและหลักก�รพื้นฐ�นที่ส ำ�คัญๆ ได้แก ่ทฤษฎีก�รคำ�นวณท�งควอนตัม ก�รประม�ณประเภทเซมเิอมพริกิัล (Semi-empirical approximations) หลักก�รท�งกลศ�สตร ์เชงิโมเลกลุ (Molecular mechanics principle) หลักก�รท�งกลศ�สตรเ์ชงิสถิติ (Statistical mechanics principle) และวธิกี�รจำ�ลองแบบระดับโมเลกลุ (Molecular simulations) ท ี่อ�ศัยเทคนิคมอนติ ค�รโ์ล (Monte Carlo) หรอืเทคนิคพลวตัิเชงิโมเลกลุ (Molecular dynamics) ซึ่งทฤษฎีและหลักก�รเบื้องต้นท่ีสำ�คัญจะอยูใ่นบทต่อๆ ไป

ตัวอย�่งที่ยกม�ข�้งต้นเป็นเพยีงน้อยนิดเท่�นัน้ มโีปรตีนจำ�นวนม�กที่เร�ยงัไมท่ร�บบทบ�ทและก�รทำ�ง�นของมนั นอกจ�กนี้ก�รศึกษ�วจิยัอ�จไมไ่ด้มุง่ไปโปรตีนที่อยูใ่นมนุษยเ์ท่�นัน้ โปรตีนท่ีอยู่ในสิง่มชีวีติอื่นๆ ก็มคีว�มสำ�คัญ ประโยชน์ที่ส ำ�คัญในก�รศึกษ�โปรตีนซึ่งในที่สดุจะนำ�ไปสูก่�รพฒัน�ไมว่�่จะเป็นด้�นสขุศ�สตร ์ก�ร

19

โปรตีน

แพทย ์ เภสชัวทิย� (ย�รกัษ�โรค) อุตส�หกรรม (ใชเ้อนไซมใ์นก�รผลิต) ตลอดจนด้�นเศรษฐกิจและสงัคม นี่คือเหตผุลสำ�คัญที่เร�ต้องทำ�คว�มรูจ้กัเกี่ยวกับพื้นฐ�นท�งโครงสร�้งของโปรตีน

โครงสร�้งปฐมภมูเิป็นขอ้มูลที่มคีว�มสำ�คัญในลำ�ดับแรกสดุ แผนที่พนัธุกรรม หรอื Genome ซึ่งเก็บรวบรวมรหสัดีเอ็นเอของสิง่มชีวีติ ก�รศึกษ�ที่เกี่ยวกับโปรตีนในระดับโมเลกลุ เร�ให้คว�มสำ�ตัญกับลำ�ดับกรดอะมโินหรอืโครงสร�้งปฐมภมูเิป็นลำ�ดับแรกสดุ เกี่ยวกับเป็นขอ้มูลที่มคีว�มสำ�คัญลำ�ดับแรกที่เก ี่ยวกับโครงสร�้งของโปรตีน ขอ้มูลลำ�ดับกรดอะมโินของโปรตีนมกัจะได้จะก�รแปลรหสัของดีเอ็นเอ (DNA) ก�รห�โครงสร�้งปฐมภมูขิองโปรตีนใชเ้ทคนิคที่เรยีกว�่ sequencing

เทคนิคที่ใชใ้นก�รห�ลำ�ดับกรดอะมโินของโปรตีน คือ วธิ ีPCR หรอื Polymerase Chain Reaction เป ็นว ธิ ีก �รห�โครงสร�้งปฐมภมู ิลักษณะจำ�เพ�ะของโปรตีน ซึ่งจะบอกว่�โปรตีนนัน้คืออะไร บอกถึงขน�ดของโปรตีนว�่มนีำ้�หนักโมเลกลุประม�ณเท่�ไร แมว้�่ โครงสร�้งปฐมภมูจิะไมไ่ด้บอกว�่โครงสร�้งส�มมติิของโปรตีนนัน้เป็นอย�่งไรโครงสร�้งปฐมภมูถิือเป็นขอ้มูลเบื้องต้นที่จ ำ�เป็นในก�รศึกษ�โครงสร�้งของโปรตีน ยงัไมป่ร�กฏแน่ชดัว�่โปรตีนต่�งๆ ชอบใหก้รดอะมโินชนิดใดเป็นลำ�ดับแรก อย่�งไรก็ดี พบว�่มโีปรตีนหล�ยชนิดท่ีกรดอะมโินตัวแรก คือ Methionine

แหล่งที่รวบรวมฐ�นขอ้มูลท�งด้�น Bioinformatic ขอ้มูลลำ�ดับกรดอะมโินของโปรตีนต่�งๆ ม�กม�ยท่ีน่�จดจำ� คือ NCBI ()

เนื่องจ�กโครงสร�้งของโมเลกลุของโปรตีนไมไ่ด้เป็นส�ยที่ยดืออกไปเป็นโซต่รง แต่โปรตีนมกี�รมว้นหรอืพบัเพื่อใหไ้ด้โครงสร�้งที่จำ�เพ�ะและเหม�ะสำ�หรบัก�รทำ�ง�นของ

20