izbirni predmet, april/maj 2013 struktura in...
TRANSCRIPT
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: [email protected]
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.