Ravni strukture proteinov
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 55

Ravni strukture proteinov PowerPoint PPT Presentation


  • 403 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Ravni strukture proteinov. Primarna struktura Sekundarna struktura Terciarna struktura Kvartarna struktura (oligomerni proteini). primarna sekundarna terciarna kvartarna struktura.

Download Presentation

Ravni strukture proteinov

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Ravni strukture proteinov

Ravni strukture proteinov

  • Primarna struktura

  • Sekundarna struktura

  • Terciarna struktura

  • Kvartarna struktura (oligomerni proteini)

primarna sekundarna terciarna kvartarna struktura

zaporedje 3D zvitje asociacija več

ak ostankov α-vijačnica polipeptidne verige polipeptidnih verig

(podenot)

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov1

Ravni strukture proteinov

  • Primarna struktura: zaporedje aminokislinskih (ak) ostankov v polipeptidni verigi

  • Sekundarna struktura– nanaša se na lokalno konformacijo (bližnji ak ostanki) nekaterih delov polipeptida; primeri:

    -α-desnosučna vijačnica

    - β-struktura (paralelna, antiparalelna, mešana)

    - β-zavoj

  • Terciarna struktura – trodimenzionalna (3D) struktura polipeptidne verige v prostoru

  • Kvartarna struktura – 3D struktura več polipeptidnih verig (podenot), ki sestavljajo molekulo proteina (oligomerni proteini)


Primarna struktura proteinov ak zaporedje v polipeptidni verigi

Primarna struktura proteinov: ak zaporedje v polipeptidni verigi

Frederich Sanger

1958 Nobelova nagrada za kemijo – področje

sekvenciranja proteinov

Identifikacija sproščenih ak z metodo HPLC

Princip: postopno odcepljanje označene ak z N-terminalnega dela polipeptidne verige


Ravni strukture proteinov

Glede na podobnost v zaporedju ak ostankov v polipeptidnih verigah razvrstimo proteine v družinein naddružine

  • Družine – velika podobnost v ak zaporedju (primarna struktura) in/ali v terciarni strukturi in funkciji (npr. globinski motiv). Proteini ene družine kažejo evolucijsko bližino organizmov.

  • Naddružine – dve ali več družin, katerih proteini ne kažejo podobnosti v ak zaporedju, imajo pa iste/podobne vzorce zvitja (motive) in opravljajo podobno funkcijo.


Informacije ki jih dobimo iz znane primarne strukture proteinov

Informacije, ki jih dobimo iz znane primarne strukture proteinov

  • Primerjava primarne strukture proteinov → predvidevanje podobnosti glede strukture in funkcije proteinov.

    vrzel

    Primer: pravnava ak zaporedja dela proteina EF-Tu bakterij E.coli in Bacillus subtillis

  • Dve zaporedji sta homologni, če kažeta zaporedji visoko stopnjo podobnosti; izhajata iz istega gena

  • Konzervativna substitucija ak pomeni, da je prišlo do zamenjave ene ak z drugo, enako polarno ak (konzervativna substitucija je pogosta pri proteinih različnih živalskih vrst)

  • Če se določena ak nahaja na istem položaju v različnih proteinih – “invariant residues” - nespremenljivi ak ostanki; ti imajo ključno vlogo pri določanju strukture/funkcije proteina

vrzel


Trodimenzionalna 3d struktura proteinov konformacija razporeditev vseh atomov v prostoru

Trodimenzionalna (3D) struktura proteinov – konformacija (razporeditev vseh atomov v prostoru)

  • 3D struktura je določena z ak zaporedjem polipeptida

  • Izolirani protein običajno obstaja v eni ali le nekaj stabilnih oblikah (nativna konformacija, ki odraža funkcijo proteina; je na najnižjem energijskem nivoju, G min.)

  • Za stabilizacijo strukture so najpomembnejše šibke interakcije in v nekaterih primerih kovalentne disulfidne vezi (-S-S- mostički)

  • Le nekaj različnih osnovnih strukturnih vzorcev najdemo v tisočih naravnih proteinih

  • Funkcija proteina je odvisna od njegove strukture


Dejavniki ki dolo ajo 3d strukturo proteina

Dejavniki, ki določajo 3D strukturo proteina


Interakcije med ak ostanki v 3d strukturi proteina

Interakcije med ak ostanki v 3D strukturi proteina

ionske interakcije

vodikove vezi

disulfidni mostički

hidrofobne interakcije


Ravni strukture proteinov

Nativna konformacija hipotetičnga proteina, kjer je prikazan

pomen nekovalentnih interakcij v 3D strukturi proteina

Boyer R: Temelji biokemije, Študentska založba Scripta, Ljubljana 2005


Interakcije ki vzdr ujejo konformacijo proteinov primeri

Interakcije, ki vzdržujejo konformacijo proteinov – primeri

Disulfidni mostiček

Vodikove vezi

Elektrostatske interakcije


Zvijanje polipeptidne verige je omejeno z naslednjimi zahtevami

Zvijanje polipeptidne verige je omejeno z naslednjimi zahtevami

  • dolžine vezi med atomi in koti med vezmi naj bodo čim manj deformirani

  • atomi se ne morejo približati bolj, kot je vsota njihovih van der Waals-ovih radijev

  • zvitje proteinov je stabilizirano s šibkimi interakcijami

    (vodikove, hidrofobne, van der Waalsove, ionske interakcije)

  • zaradi omejitev, ki jo predstavlja toga amidna/peptidna vez (ni možna rotacija okrog CO-NH vezi), je dovoljena samo rotacija okrog enojnih vezi N-Cα in Cα-CO


Enojni dvojni zna aj vezi v peptidni skupini

Enojni/dvojni značaj vezi v peptidni skupini

Ravnotežje med resonančnimi oblikami

Del polipeptidne verige s poudarjenimi ravninami

(modro), v katerih ležijo atomi peptidnih vezi

C


Cis trans izomerija peptidne vezi

Prostorska orientacija atomov peptidne vezi in relativna

orientacija ravnin, v katerih ležijo peptidne vezi

Cis-trans izomerija peptidne vezi

Rotacija okrog enojnih vezi peptidne skupine

(99,95%)

  • Možne rotacije kotov  in  za +1800 in -1800

  • “prepovedana” vrednost kotov  in  zaradi

  • prostorskih (steričnih) ovir

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Zaporedje planarnih peptidnih skupin kota c nh in c co zavzemata 180

Zaporedje planarnih peptidnih skupin (kota Φ, C–NH in Ψ, C–CO, zavzemata 180°)

Dogovor: kota Φ in Ψ zavzemata 1800, če je polipeptid v popolnoma

iztegnjeni konformaciji in ležijo vse peptidne skupine v eni ravnini

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ramachandranov diagram soodvisnost vrednosti kotov in

Ramachandranov diagram – soodvisnost vrednosti kotov Φ in Ψ

belo področje – nedovoljene konformacije

obarvano področje – različne proteinske strukture


Ravni strukture proteinov2

Ravni strukture proteinov

  • Primarna struktura

  • Sekundarna struktura – nanaša se na lokalno konformacijo (bližnje ak) nekaterih delov polipeptida

    - α-desnosučna vijačnica

    - β-struktura (paralelna, antiparalelna, mešana)

    - β-zavoj

  • Terciarna struktura

  • Kvartarna struktura

    (oligomerni proteini)


Ravni strukture proteinov

Sekundarna struktura: desnosučna α-vijačnicaInterakcije, ki jo vzdržujejo:vodikove vezi, elektrostatske in hidrofobne interakcije med ak radikali

Elektrostatske

interakcije

Pro in Gly

redko v

α-vijačnici

Položaj radikalov –R

pogojuje njihove

medsebojne interakcije

vodikove vezi


Sekundarna struktura desnosu na vija nica

Sekundarna struktura: desnosučna α-vijačnica

Pogled v smeri osi

α-vijačnice

3,6 ak / zavoj

Φ = -600

Ψ med -450 in -500

Pogled v smeri

s strani

Vodikove vezi tvorijo kisikovi atomi karbonilnih skupin (-CO-)

in vodikovi atomi –NH– skupin vseh peptidnih vezi

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Dejavniki ki vplivajo na stabilnost vija nice

Dejavniki, ki vplivajo na stabilnost α-vijačnice

  • Elektrostatski odboji/privlaki med –R zaporednih ak ostankov v polipeptidu

  • Sterične motnje med velikimi –R zaporednih ak ostankov

    v polipeptidu

  • Interakcije med –R ak, ki so oddaljene za 3 oz. 4 ak v zaporedju (elektrostatski odboji/privlaki, hidrofobne interakcije, sterične ovire)

  • Pojav Gly ali Pro (redko v α-vijačnici)

  • Interakcije med nabitimi ak na konceh polipeptidne verige, kjer je ustvarjen električni dipol (– na C-koncu in + na N-koncu)


Ravni strukture proteinov

Sekundarna struktura:β-struktura (β-konformacija, β-naguban list) Interakcije, ki jo vzdržujejo:vodikove vezi med sosednjimi polipeptidnimi verigami

Glicin in alanin sta pogosti

ak v β-strukturi

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Primer strukture f ibroin keratin svile ali pajkove mre e

Primer β-strukture: fibroin (β-keratin) svile ali pajkove mreže

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov

Sekundarna struktura:β-zavojInterakcije, ki vzdržujejo strukturo:vodikove vezi med 1. in 4. ak ostankom

V β-zavoju se 6% Pro nahaja

v cis-konfiguraciji

Glicin in prolin sta pogosti ak v β-zavoju

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Relativna verjetnost za pojavljanje dolo ene ak v treh vrstah sekundarne strukture

Relativna verjetnost za pojavljanje določene ak v treh vrstah sekundarne strukture

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ramachandranov diagram vrednosti kotov psi in phi v nekaterih sekundarnih strukturah

Ramachandranov diagram: vrednosti kotov (psi)  in  (phi) v nekaterih sekundarnih strukturah


Nivoji strukture proteinov

Nivoji strukture proteinov

  • Primarna struktura

  • Sekundarna struktura

  • Terciarna struktura – 3D razporeditev vseh atomov proteina, konformacija – vključuje tudi interakcije med oddaljenimi ak in ak, ki so v različnih vrstah sekundarnih struktur. Vzdržujejo jo šibke interakcije in -S-S- mostički.

  • Kvartarna struktura (oligomerni proteini)


Primerjava oblike in velikosti proteina sestavljenega iz istega t ak ostankov

Primerjava oblike in velikosti proteina, sestavljenega iz istega št. ak ostankov

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Razvrstitev proteinov po strukturi

Razvrstitev proteinov po strukturi

Fibrilarni proteini

dolga nitasta struktura,

netopni v vodi

Globularni proteini

“kroglasta” oblika,

topna v vodi

struktura

različne sekundarne strukture

struktura

sekundarna struktura ene vrste

funkcija

encimi, regulatorni proteini,

transportni proteini

funkcija

strukturna opora celicam in tkivom (sesalci)

zunanja opora organizma (žuželke...)


Terciarna struktura proteinov primer globularnega proteina mioglobin razli ne predstavitve

Terciarna strukturaproteinov– primer globularnega proteina: mioglobin (različne predstavitve)

  • Mioglobin

  • Mr 16 700

  • 153 ak

  • prostetična skupina hem

  • kompaktna molekula

  • hidrofobne ak znotraj

  • hidrofilne ak na površini

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov

Terciarna struktura – primeri globularnih proteiov: citokrom c, lizocim, ribonukleaza

citokrom c

104 ak

lizocim

129 ak

ribonukleaza

124 ak

  • Strukturo globularnih proteinov stabilizirajo:

  • hidrofobne interakcije (tudi Van der Waalsove) v notranjosti molekule

  • vodikove interakcije na površini molekule

  • pri majhnih globularnih proteinih je veliko število disulfidnih mostičkov

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Terciarna struktura proteinov dele sekundarnih struktur v nekaterih globulatnih proteinih

Terciarna struktura proteinov – delež sekundarnih struktur v nekaterih globulatnih proteinih

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov

Terciarna struktura proteinov - zvitje proteinov je osnova za strukturno klasifikacijo globularnih proteinov(podatkovna baza SCOP – Structural Clasification of Proteins)

  • Do danes znanih ~1000 različnih zvitij. Terciarna struktura je bolj ohranjena kot primarna struktura (znana 3D struktura več kot 10 000 proteinov)

  • Primerjava terciarne strukture proteinov → podatki o evolucijski oddaljenosti organizmov

  • Isti strukturni motivi (zvitja) v različnih proteinih opravljajo podobno funkcijo, npr. vezava ligandov, vezava drugih proteinov...

    Primeri zvitja proteinov:

povezava 

struktur

križna povezava

 struktur

-sodček

-- zanka

 -  kot

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Terciarna struktura proteinov domene globularnih proteinov

Terciarna struktura proteinov:Domene globularnih proteinov

Domena: stabilna globularna enota v molekuli proteina


Razvrstitev proteinov

Razvrstitev proteinov

  • V družine – velika podobnost v ak zaporedju (visoka stopnja homologije) in/ali v terciarni strukturi in funkciji (npr. globinski motiv). Proteini ene družine kažejo evolucijsko bližino organizmov.

  • V naddružine – dve ali več družin, katerih proteini ne kažejo podobnosti v ak zaporedju, imajo pa iste/podobne vzorce zvitja (motive) in opravljajo podobno funkcijo.


Kako dolo iti 3d strukturo proteina

Kako določiti 3D strukturo proteina?

  • Uklon Rtg žarkov na kristalu proteina

  • Nuklearna magnetna resonanca (NMR), protein v raztopini → metoda omogoča identifikacijo različnih konformacij proteina

    (merjenje jedrnega spinskega kotnega momenta – kvantnomehanska funkcija, ki jo vsebujejo nekatera jedra:

    (1H, 13C, 15N, 10F, 31P)


Uklon rtg arkov na kristalu proteina

Uklon Rtg žarkov na kristalu proteina

Izvor Rtg žarkov

(X žarkov)

Snop Rtg

žarkov

Kristal

proteina

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Analiza 3d strukture mioglobina z nmr

Analiza 3D strukture mioglobina z NMR

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov3

Ravni strukture proteinov

  • Primarna struktura

  • Sekundarna struktura

  • Terciarna struktura

  • Kvartarna struktura – oligomerni proteini

    (več polipeptidnih verig – podenot/protomerov, povezanih s šibkimi interakcijami)

    - dimer

    - oligomer (npr. tetramer)

    - multimer

    - različne podenote, asimetrična struktura

    - enake podenote ali skupki podenot, simetrična struktura;


Kvartarna struktura proteini iz ve podenot protomerov multimeri

Kvartarna struktura: proteini iz več podenot (protomerov) – multimeri

  • Dimer – 2 podenoti

  • Oligomer – 4-8 podenot (npr. tetramer)

  • Multimer – večje št. podenot

    - različne podenote, asimetrična struktura

    - enake podenote ali skupki podenot, simetrična struktura;

    - rotacijska simetrija - podenote se prekrijejo z rotacijo

    okrog določene osi simetrije molekule – kompaktna struktura

    - vijačna (helična) simetrija – podenote se dodajajo na način vijačnice

    (odprta struktura)


Kvartarna struktura proteinov simetrija multimernega proteina

Kvartarna struktura proteinovSimetrija multimernega proteina

Rotacijska simetrija - podenote se prekrijejo z rotacijo okrog določene osi simetrije molekule – kompaktna struktura

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov

Kvartarna struktura proteinov - simetrija multimernega proteina - primer:virusni plašč

Poloivirus

rotacijska simetrija

Virus tobačnega mozaika

vijačna (helična) simetrija – podenote

se dodajajo na način vijačnice

(bolj odprta struktura)


Kvartarna struktura proteinov n ekatere funkcije proteinov iz ve podenot

Kvartarna struktura proteinov -nekatere funkcije proteinov iz več podenot

  • Regulatorna vloga: vezava liganda sproži interakcije med podenotami → velika sprememba v aktivnosti proteina kot odraz na majhne spremembe konc. regulatornih molekul. (Primer: hemoglobin)

  • Strukturna vloga: asociacija fibrilarnih proteinov v višjo strukturo. (Primer: kolagen)

  • Kataliza večstopenjskih reakcij.

    (Primer: ribosom)

hemoglobin


3d struktura proteinov denaturacija in zvitje denaturacija renaturacija proteinov

3D struktura proteinov – denaturacija in zvitje; denaturacija/renaturacija proteinov

  • Denaturacija: porušenje 3D strukture (terciarne, kvartarne) proteina, s tem tudi izguba njegove funkcije

  • Vzroki za denaturacijo:

    - povišana temperatura (poruši šibke interakcije, predvsem H-vezi)

    - sprememba pH (spremenijo se elektrostatske interakcije med

    nabitimi –R in H-vezi)

    - organska topila kot etanol in aceton (porušijo se predvsem

    hidrofobne interakcije)

    - spojine kot je urea in gvanidin-hidroklorid,detergenti (porušijo se

    predvsem hidrofobne interakcije)

  • Renaturacija: odvzamemo vzrok za denaturacijo


3d struktura proteinov primer denaturacija in renaturacija rnaze

3D struktura proteinov - Primer: denaturacija in renaturacija RNAze

nativno stanje,

katalitično aktivno

reducent, ki poruši

disulfidne mostičke

dodatek uree in reducenta

razvito stanje, neaktivno;

disulfidni mostički reducirani v Cys

(-SH)

odstranitev uree in reducenta

Nativno, katalitično aktivno stanje,

disulfidne povezave na pravih mestih

Renaturacija denaturirane RNAze - prvi dokaz (1950), da je z ak zaporedjem

v polipeptidni verigi določena 3D struktura proteina


Razvitje denaturacija proteina odvisno od pogojev v okolju

Razvitje (denaturacija) proteina odvisno od pogojev v okolju

Določitev temperature

tališča proteina Tm


3d struktura proteinov kako poteka zvitje polipeptida

3D struktura proteinov - kako poteka zvitje polipeptida?

  • Hipoteza I :postopno zvitje polipeptida; lokalno se ustvarijo sekundarne strukture → supersekundarna struktura → domene → nativni protein (kooperativni proces)

  • Hipoteza II: zvitje se prične s spontanim kolapsom polipeptida v kompaktno stanje – “molten globule”/razrahljani klobčič - hidrofobni kolaps

  • Hipoteza III: Polipeptidi se zvijejo s pomočjo drugih molekul, šaperonov, ki usmerjajo in pospešujejo proces zvijajna. Šaperoni so v vseh kraljestvih (eubacteria, archaea in eukariontih)

    ------------------------------------------

    Zvijanje proteina je zelo hiter proces; E. coli naredi aktivno molekulo proteina iz 100 ak v 5 sek; ni naključen proces, gre za vodeno zvijanje polipeptidne verige. (Če bi bil proces povsem slučajen, 1077 let)


Kako poteka zvitje polipeptida hipoteza i postopno zvitje polipeptida

Kako poteka zvitje polipeptida?Hipoteza I:postopno zvitje polipeptida

Lokalno se ustvarijo sekundarne strukture → supersekundarna struktura →

domene → nativni protein (kooperativni proces)

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005


Ravni strukture proteinov

Kako poteka zvitje polipeptida?Hipoteza II:zvitje polipeptida poteka po”lijaku proste energije” (TD vidik)

Stanje

razrahljanega

klobčiča

Cilj zvitja proteina je nastanek maksimalnega števila šibkih interakcij (vodikovih, hidrofobnih, Van der Waalsovih, ionskih) - stabilna konformacija


Ravni strukture proteinov

Kako poteka zvitje polipeptida?Hipoteza III: šaperoni pomagajo pri zvijanju polipeptida

proteini toplotnega šoka

(hsp)

šaperon

Primer: šaperon bakterije

Thermus thermophilus


Ravni strukture proteinov

Kako poteka zvitje polipeptida?Hipoteza III: šaperoni pomagajo pri zvijanju polipeptida

V nekaterih primerih je za zvijanje proteina s pomočjo šaperonov

potrebna energija (hidroliza ATP)


Napake v zvitju polipeptida vodijo do nekaterih bolezni

Napake v zvitju polipeptida vodijo do nekaterih bolezni

  • Cistična fibroza – okvarjen je membranski protein, ki je odgovoren za prenos Cl-

  • Bolezni vezivnega tkiva– okvarjen strukturni protein kolagen

  • Prionske bolezni, TSE (Transmissible Spongiform Encephalopathies) spremenjena konformacija proteina priona (proteinaceous infectious only), Mr = 28 000.

“nore” krave

kuru


Napake v zvitju polipeptida primer prionska bolezen

Napake v zvitju polipeptida primer:Prionska bolezen

  • Stanley Prusiner 1997 Nobelova nagrada za medicino in fiziologijo za odkritje prionov – nov princip infekcije: napačno zviti proteini, ki povzročijo degenerativne spremembe v živčnem tkivu

  • Prioni prisilijo druge proteine, da sodelujejo→ infekcija se širi → degenerativne spremembe in smrt celic

  • 1972 pacient umrl zaradi CJD, Prusiner iz možganov izoliral protein prion

  • Izolirali protein zvisoko stopnjo homologije iz možganov živali s sorodno boleznijo

3D struktura priona miši in hrčka


Lastnosti prionov

Prioni so neobčutjivi na Rtg žarke, proteinaze, RNAze, DNAze

Prioniso normalna, funkcionalna komponenta živčnih

celic – sodelujejo pri specifičnem prenosu signala v možgani

Prionske bolezni so dedne, infekcijske ali sporadične

Lastnosti prionov

CJD: Histopatološka slika prednjega možganskega režnja – gobasta degeneracija (Spongiophorm Encephalophathia)

A. Barvanje s Schiffovim barvilom B. Detekcija prionov s protitelesi


Prioni povzro itelji degenerativnih sprememb mo ganov

Prioni – povzročitelji degenerativnih sprememb možganov


Model 3d struktura priona

Model 3D struktura priona

PrPc, normalna molekula;

PrPSc, infektivna molekula

  • Ak zaporedje PrPc in PrPSc je isto.

  • Vzrok za spremembo 3D strukture priona ni znan.

  • Ena izmed hipotez: okvarjen protein X, ki sodeluje kot šaperon pri

  • normalnem zvitju PrPc


Prepre evanje in zdravljenje prionskih bolezni

Preprečevanje in zdravljenje prionskih bolezni

Preprečiti je treba pretvorbo PrPc v PrPSc

  • Droge, ki stabilizirajo PrPc , ki naj bi se vezale na normalni protein in

    ga s tem zaščitila

  • Droge, ki stabilizirajo šaperon protein X

  • Droge, ki destabilizirajo 3D strukturo PrPSc

  • Droge, ki zmotijo interakcijo med PrPc in PrPSc

  • Droge, ki upočasnijo ekspresijo gena za PrP


  • Login