izbirni predmet, april/maj 2013 struktura in...

IZBIRNI PREDMET, APRIL/MAJ 2013

STRUKTURA IN FUNKCIJA PROTEINOV

Matjaž Zorko

2. predavanje:

Od 1D do 3D strukture proteinov

1. del

DOSEGLJIVO: http://ibk.mf.uni-lj.si/teaching/objave/izbir1MZ.htm

E-mail: zorko@mf.uni-lj.si

PRIMARNA STRUKTURA PROTEINOV = SEKVENCA AMINOKISLIN

Nekatere po-translacijske modifikacije prištejemo k primarni strukturi, nekatere

pa ne – terminologija tu ni dorečena. Pri kolagenu npr. hidroksi-Pro in hidroksi-

Lys upoštevamo, glikozilacije pa ne. K primarni strukturi nekateri štejejo tudi

mesta (Cys), kjer se vzpostavijo-SS- mostički.

Samosestavljanje v višje strukture

Osnova samosestavljanja je optimalna povezava med

deli polipeptidne verige s pretežno šibkimi vezmi v

strukturo z minimalno prosto entalpijo (G).

I. II. III. IV.

NEKOVALENTNE INTERAKCIJE

• odboj pri tesnem stiku

• van der Waalsove interakcije

• elektrostatske interakcije

• vodikova vez

• hidrofobne interakcije

• ion - p interakcije (aromatske spojine)

Izračun za dva C atoma

• z zmanjšanjem razdalje se moč

odboja povečuje in prevlada moč

privlaka

• prekrivanje elektronskih orbital ni

mogoča (‘Pauling’)

• odboj definira dimenzije

• VEDNO ga imamo!

ODBOJNE SILE

Vezavna energija je majhna 1 do nekaj kJ/mol (1 > 2 > 3)

VENDAR: VEDNO PRISOTNA MED VSEMI MOLEKULAMI V STIKU!

Van der Waalsove interakcije

1. dipol – dipol:

2. dipol – inducirani dipol:

3. inducirani dipol – inducirani dipol:

→ →

Polarizabilnost – večja pri večjih molekulah!

| | | | |

| | | | |

126 dK

eeto

dK

ee

→ | | | | |

VODA, PEPTIDNA VEZ!

Odboj in Van der Waalsov privlak združimo v Lennard-Jonesov

potencial:

6

6)(d

C

d

CdE

n

n

s

s

C je konstanta, n je največkrat 12!

Elektrostatska interakcija

K I K+ I –

2F

dD

ee

0,8 2,6

R1-COO- H3N+-R2

Šibka v vodni raztopini: Močna v kristalih

E > 100 kJ/mol

E = 10-30 kJ/mol

D = dielektrična konstanta

medij D

vakuum 1

CCl4 2.24

DMF 36.7

voda 80

Elektrostatska interakcija v proteinih (salt-bridges)

Nabite AK:

+: Arg, Lys, (His)

-: Asp, Glu

Dve možnosti:

• znotraj proteinske strukture (proč od

vode) – močna, a destabilizirajoča!

• na površini (v vodi) – šibka in redka

Dodatna težava: naboji

niso točkasti,

interakcija je šibkejša.

Asp

-

Arg

NH3+

Vodikova vez

Orientacija je pomembna

+

-

-

Biološko pomembni primeri

Dolžina O-O = 2.8 - 3.7 Å; energija = ~ 10 kJ/mol

V proteinih med AK

A B

ASW < BSW

ASL > BSL

Hidrofobne interakcije so lahko zelo pomembne,

kadar so hidrofobne površine velike

Termodinamika prenosa nepolarne molekule (npr. heksana) v

vodno raztopino v različnih razmerah.

T = 20 °C DHtr(laq) = 0 T = 140 °C TDStr(laq) = 0

DG = DH - TDS

Ion - p interakcija:

+ -

:::::

(H3N+-)

Phe

NH4

Interakcija med aromatskimi obroči.

Interakcija med aromatski

obročem in ionom.

Posebne značilnosti šibkih interakcij v

proteinih

• veliko interakcij znotraj ene same molekule

• interakcije niso neodvisne

• koncept ‘efektivne koncentracije’

• kooperativnost

Koncept efektivne koncentracije

3

2

5

9

Kooperativnost

Kooperativnost ni vedno enaka

Najbolj stabilna je interakcija med skupinami, ki jih druge skupine trdno

držijo v optimalni orientaciji in razdalji, v tem primeru C-D; ne pozabimo pa,

da je stabilnost vsake od interakcij odvisna od stabilnosti vseh ostalih.

Primarna struktura = sekvenca aminokislin

(nekateri štejejo sem tudi položaj –S-S- vezi)

1 2 3 4 5

Samosestavljanje: od primarne do terciarne

(kvartarne) strukture

Osnova samosestavljanja je optimalna povezava med deli polipeptidne verige s

pretežno šibkimi vezmi v strukturo z minimalno prosto entalpijo (G). Končna stabilna

struktura je odvisna od sekvence in okolja (T, sestava raztopine (pH), interakcije).

Povezava AK s peptidno vezjo je endergonski proces. [AK I. , DG > 0]

Samosestavljanje v višje strukture je eksergonski proces. [I. II. III. IV. , DGi < 0]

I. II. III. IV.

Trans-peptidna vez.

Peptidna vez je delno dvojna vez!

cis-peptidna vez

V -obratih ob Pro je ~6% peptidnih vezi cis

Polipeptidna veriga je omejeno vrtljiva.

Torzijska kota pri vrtenju ravnin. Vsaka

sprememba kota je nova konformacija.

Konformacije etana.

3HC-CH3

C C

NESKONČNO KONFORMACIJ!

Sterično oviranje

Začetni položaj:

Φ = Ψ = 0 deg

Ramachandranov diagram

Predvidel različne vrste

II. strukture: vijačnice in

-strukture

Potrditev Ramachandranovih računov na osnovi

razrešene strukture 12 proteinov.

Ramachandranov diagram za poli-Gly.

Vijačnice - heliksi

Desni a heliks. • H-vezi med CO in HN v peptidni vezi

• CO1-HN5, CO2-HN6, itd

• Radikali molijo ven

• Radikali lahko stabilizirajo ali pa ne

• Struktura kompaktna, fleksibilnost

majhna, znotraj ni prostora za vodo

• Dipolni moment se kompenzira

C-konec

N-konec

_

+ Φ ni vrtljiv

Ψ

Stereo prikaz a heliksa iz mioglobina kita (E. heliks).

Radikali (rumeno) so usmerjeni navzven.

Relativna verjetnost, da najdemo AK v posamezni sekondarni strukturi

H-vezi pri heliksih različne vrste.

1 2 3 4 5

a-heliks

daleč najpogostejši

kratka (~2 obrata) in redka

Primerjava med heliksi.

310 a P

Poliprolinski I in II heliks.

I: desni, cis peptidna vez II: levi, trans peptidna vez

½

strukture. (a) antiparalelna struktura.

(b) paralelna struktura.

Največkrat so strukture mešane – paralelne in antiparalelne.

Nagubani list.

N-t.

N-t. C-t.

C-t.

Stereo predstavitev antiparalelne strukture

(konkanavalin)

strukture so pogosto v notranjosti proteina in so

največkrat ukrivljene (karboksipeptidaza A).

Povezave med polipeptidnimi verigami v strukturah.

(a) In (b) sta običajni, (c) doslej niso našli.

Zavoji (obrati); najpogostejši je zavoj..

difference!

Zanka Ω (Ω loop) - 40 to 54 AK v Cyt C

Ω Pomen zaradi gibljivosti!

Microskopska organizacija a keratina v lasu.

Ovita heliksa (coiled coil) se „držita“ z nonpolarnima

roboma.

Prečni prerez heliksa = helikalno kolo – helical wheel

Pogled s strani.

-S-S- vezi stabilizirajo strukturo keratina (frizerji!)

Sekvenca C-terminalnega dela ene verige (a1) trojnega

heliksa kolagena.

(poravnane verige se dejansko nadaljujejo v eni vrsti – glej številke AK)

966

975

984

993

1002

1011

Trojni heliks kolagena Možen zato, ker je vsaka tretja AK Gly.

Samo tako lahko pridejo tri verige

dovolj tesno skupaj, da med njimi

nastanejo vodikove vezi. Pri tem ima

pomembno vlogo tudi OH-Pro (Hyp) z

vspostavitvijo dodatnih H-vezi preko

skupine –OH.

Vodikove vezi med verigami vzdržujejo trojni heliks.

Pro

Hyp

Gly

Elektronsko-mikroskopska slika kolagenskega vlakna.

Kovalentne povezave med

Lys, Hyl, in His v kolagenu

držijo tropokolagenske

trojne helikse skupaj.

Če nekatere Gly zamenjamo z Ala, kolagen ni več

stabilen.