Valkude ruumiline struktuur

1. Valkude ruumiline struktuur

2. Valkude struktuuri määravad faktorid • Valkude sekundaarstruktuur • Valkude tertsiaarstruktuur • Valkude kvaternaarstruktuur • Valkude struktuuri näiteid: RibonukleaasA, Müoglobiin, Hemoglobiin, Insuliin

3. Valkude struktuur? • Bioloogiliste makromolekulide struktuur kirjeldatakse erinevatel tasanditel • primaarstruktuur • sekundaarstruktuur • tertsiaarstruktuur • kvaternaarstruktuur PRIMAARSTRUKTUUR. Aminohappe jääkide lineaarne järjestus a-heeliks b-leht SEKUNDAARSTRUKTUURID DOMEENID ehk SUPERSEKUNDAARSTR Millised faktorid determineerivad valkude ruumilise struktuur? Kuidas on seotud valgu ruumiline struktuur ja valgu füüsikalised-keemilised omadused? KVATERNAARSTRUKTUUR 4 hemoglobiini b ahelat moodustavad Oligomeerse valgu molekuli KVATERNAARSTRUKTUUR- a ja b tubuliini assotseerumine mikrotorukeseks TERTSIAARSTRUKTUUR Hemoglobiini b ahel

4. Valkude ruumiline struktuur- regulaarne või irregulaarne? • Primaarstruktuurid tohutult varieeruvad • 1934- pepsiini kristallidelt difraktsioon • 1958- müoglobiini struktuur (Kendrew) • 1965- lüsotsüüm • Ca 10000 valgu struktuur praeguseks teada “Perhaps the most remarkable features of the molecule are its complexity and its lack of symmetry. The arrangement seems to be almost totally lacking in the kind of regularities which one instinctively anticipates, and it is more complicated than has been predicted by any theory.” John Kendrew- kommenteerides esimest globulaarse valgu kristallstruktuuri, Cambridge University, 1958

5. Valkude struktuurse organisatsiooni tasemed • Primaarstruktuur- aminohappeline järjestus • Sekundaarstruktuur- polüpeptiidahela peaahela ehk selgroo aatomite lokaalne paigutus arvestamata külgahelate konformatsiooni • Tertsiaarne struktuur- Polüpeptiidi kui terviku ruumiline struktuur • Kvaternaarne struktuur- subühikute ruumiline organisatsioon PRIMAARSTRUKTUUR. Aminohappe jääkide lineaarne järjestus • Valgu ruumilise struktuuri määravad: • peaahela ja kõrvalahela lubatud konformatsioonid • struktuuri stabiliseerivad interaktsioonid • H-sidemed • Ioonsed sidemed • Hüdrofoobne interaktsioon • Kovalentsed sidemed • Metalliioonide koordinatsioon a-heeliks b-leht SEKUNDAARSTRUKTUURID DOMEENID ehk SUPERSEKUNDAARSTR KVATERNAARSTRUKTUUR 4 hemoglobiini b ahelat moodustavad Oligomeerse valgu molekuli KVATERNAARSTRUKTUUR- a ja b tubuliini assotseerumine mikrotorukeseks TERTSIAARSTRUKTUUR Hemoglobiini b ahel

6. Peptiidrühma ruumiline struktuur I Peptiidrühm on jäik tasapinnaline struktuur resonantsi tõttu, peptiidside on olulisel määral kaksiksideme iseloomuga C-N side 0.13Å lühem kui N-Ca üksikside C-O side karbonüülrühmas on 0.02A pikem kui ketoonides • Peptiidside on tavaliselt trans konformatsioonis • trans konformatsiooni korral on Ca aatomit teine teisel pool peptiidsidet • Põhjus: steerilised efektid kõrvalahelate vahel • Pro jääkide korral steerilised probleemid puuduvad cis sideme jaoks • Pro amiidse lämmastiku osavõtul 10% cis side • Peptidüül prolüül cis-trans isomeraas Peptiidtasand hall C-must O-punane H-valge R-lilla

7. Peptiidahela konformatsioon Peptiidahel on kujutatav üksteisele järgnevate planaarsete peptiidrühmade ahelana Peptiidahela konformatsioon määratud kahe torsioonnurga abil, mis kirjeldavad pöörlemist Ca-N (f) ja Ca-C(y) sidemete ümber Kokkuleppeliselt on f ja y 180o siis kui polüpeptiidahel on maksimaalselt väljavenitatud konformatsioonis ja suurenevad kellaosuti suunas vaadatuna Ca poolt.

8. Kas suvalised f ja y väärtused on lubatud? Lubatud peptiidahela konformatsioonid on arvutatavad, vastavaid f ja y paare kujutatakse Ramachandrani blotil • Erandid: • Pro korral f fikseeritud ca 60o • Gly korral , millel puudub Cb, on f ja y lubatud väärtused palju laiemates piirides.

9. Regulaarsete (korduvate) f ja y väärtustega sekundaarstruktuurid 2 olulist regulaarset sekundaarstruktuuri, kus vesiniksidemed peaahela elementide vahel stabiliseerivad molekuli on: • a heeliks • b struktuur • a heeliks: 1951 Paulig • Ainuke heeliks, mis vastab piiranguteta Ramachandrani blotile ja millel on energeetiliselt kasulikud regulaarsed H sidemed • 3.6 aminohapet tiiru peale heeliksi tõus 5.4 A • Keskmine heeliski pikkus 12 aminohappe jääki, 18 A • Peptiidrühma karbonüül moodustab H sideme n+4 peptiirühma N-H rühmaga, iga amiidi vesinik ja karbonüüli hapnik moodustavad sideme • Heeliksi sisemuses aatomid tihedalt pakitud • Mitu heeliksit võivad valgus omakorda kokku keerdunud olla

10. a heeliks • Karbonüülrühmad on suunatud heeliksi struktuuris ühele poole, mis loob dipoolmomendi • a heeliks on sageli raskesti vees lahustuv

11. Regulaarsete (korduvate) f ja y väärtustega sekundaarstruktuurid II • struktuur: Paulig ja Corey 1951- volditud leht H sidemed ei moodusta sama ahela vaid külgneva ahela rühmitustega: b lehe struktuur. Stabiliseerivad H sidemed tekivad üksteisest kaugel asuvate aminohappe jääkide vahel. • Antiparalleelne b leht- ahelad suunatud vastupidi • Paralleelne b leht- ahelad suunatud samapidi b lehed koosnevad 2..12 ahelast, iga ahel keskmiselt 6 aminohappe jääki Paralleelsed lehed alla 5 ahela haruldased, nende stabiilsus väiksem. Sageli esinevad segamini paralleelne antiparalleelne. Lehed tihti parempoolse pöördega Ahelate omavahel ühendamise topoloogia võib olla kompleksne • b lehe struktuuris ei ole karbonüülid orienteeritud ühes suunas nagu a heeliksi korral. • a heeliksis on ühe aminohappe jäägi kohta 0.15 nm heeliksi pikkuses, b lehe struktuuris 0.32-0.34 nm • Mõlemad regulaarsed struktuurid on sageli bipolaarsed. Solvendi poole eksponeeruvas osas paiknevad polaarsed ja laetud aminohappe jäägid

12. Pöörded ja aasad ehk lingud Moodustavad olulise osa globulaarsete valkude struktuurist. Nurgad f ja y järjestikuste jääkide jaoks on erinevad Pööre- peptiidahela suund muutub vastupidiseks 4 aminohappe jääki Ühendab regulaarse sekundaarstruktuuriga (a-heeliks, b-leht) regioone Aas ehk ling- samuti ilma sekundaarstruktuurita 6-16 jääki pidev lõik Ühendab samuti regulaarse sekundaarstruktuuriga regioone b pöörded, stabiliseeritud H sidemega, peptiidahel muudab järsult suunda tüüpiliselt 4 aminohappe jääki Tüübid I ja II, olenevalt 2 ja 3 AH jääki ühendava sideme konformatsioonist. 2 jääk sageli Pro, II tüüpi pöördes 3 jääk Gly W lingud ehk aasad, 6-16 jääki, kõrvalahelad täidavad aasa. Sageli valkude pinnal

13. Kas sekundaarstruktuur on ennustatav primaarstruktuurist lähtudes? Chou ja Fasman 1976 • Homoloogia alusel mudeldamine • Valkude pakkumise mudeldamine • Irregulaarsused standardsetes struktuurides • Helix capping (Asn, Gln)

14. Valgud jaotatakse ajalooliselt globulaarseteks ja fiibervalkudeks Esialgne jaotus morfoloogia alusel Fiibervalgud- domineerib 1 sekundaarstruktuur Fiibervalgud on tüüpiliselt vees lahustumatud kasutusel sidekudedes Näited: Kollageen, keratiin, siidi fibroiin Globulaarsed valgud- vees lahustuvad. Enamus valke rakkudes. Heterogeense sekundaarstruktuuriga. Oluline tertsiaarstruktuur tuleneb ebareeglipärastest külgahelate interaktsioonidest (interaktsioonid solvendiga, hüdrofoobne interaktsioon, ioonsed interaktsioonid, vesinikside ja kovalentsed sidemed)

15. Kollageeni kolmikheeliks- imetajal on 1/3 valgust kollageen • Kollageeni struktuur moodustab kolmikheeliksi • Heeliks on vasakpoolne ja rohkem välja venitatud kui a-heeliks. • Kollageeni kolmikheeliks on stabiliseeritud vesiniksidemetega, mis on võimalikud tänu ebaharilikule primaarstruktuurile • Primaarstruktuur koosneb kordustest Gly-Xaa-Yaa • Xaa on enamasti Pro ja Yaa hüdroksüproliin Vitamiin C ehk askorbiinhappe peamine funktsioon on osalemine kollageeni proliini ja lüsiini jääkide hüdroksüleerimine

16. Valkude tertsiaarstruktuur • Valkude ruumilise struktuuri määramiseks • Röntgenstruktuuranalüüs • NMR 2. NMR töötab valgu lahusega Limiteeritud ca 30 kD suurusete valkudega 1. Vajalikud valgu kristallid Tüüpiliselt saavutatav 2-3.5Å lahutuvus Vajalik primaarstruktuur Eeldatavasti kristallstruktuur kattub struktuuriga lahuses

17. Valkude tertsiaarstruktuur II • Globulaarsete valkude aminohapete jääkide paiknemine on seaduspärane • Mittepolaarsed V, L, I, M F paiknevad peamiselt gloobuli sisemuses • Laetud R, H, K, D, E on tavaliselt pinnal solvendile eksponeeritud • Polaarsed neutraalsed on tavaliselt pinnal kuid ka gloobuli sees, kus moodustavad H sidemeid

18. Valkude sekundaarstruktuuri elemendid kombineeritakse erinevatel viisidel Hemoglobiin Konkanavaliin A Trioosfosfaadi isomeraas

19. Valkude sekundaarstruktuuri elemendid moodustavad supersekundaarstruktuure ehk motiive • bab motiiv • b juuksenõel • aa motiiv • b tünnid Valgud, mis on suuremad kui 200 ah jääki moodustavad tavaliselt struktuurselt iseseisvaid globulaarseid klastreid ehk domeene

20. Valkude pakkumine ja stabiilsus Natiivsed valgud on sageli väga kergelt denatureeritavad: 100 aminohappe jäägi kohta 40 kJ/mol so kahe H sideme energia! Valgu struktuuri stabiliseerivad faktorid: 1. Hüdrofoobne efekt NB! Aminohapete hüdropaatia indeks 2. Elektrostaatiline interaktsioon: Van der Waals, H side, ioonipaarid 3. Kovalentsed sidemed: SS sillad tsüsteiini jääkide vahel 4. Stabiliseerivad metallioonid (Zn finger)

21. Valkude denaturatsioon ja renaturatsioon Denatureerivad faktorid 1. Temperatuur. Termiline denaturatsioon on kooperatiivne. Muna keetmine 2. pH – HCl maos 3. Detergendid 4. Kaotroopsed ühendid (Guanidiinium ioon, karbamiid) Denatureeritavad valgud on renatureeritavad (Anfinseni eksperiment 1957) Rnaas A spontaanne renaturatsioon tõestas, et primaarstruktuur determineerib kolmemõõtmelise struktuuri

22. Valkude pakkumine in vivo- juhuslik variantide läbiproovimine? • Ei, selleks pole aega • Lokaalsete sekundaarstruktuuride formeerumine 5 ms • Tertsiaarstruktuuri moodustumine algab, subdomeenide teke , hüdrofoobne kollaps 1s • Domeenide lõplik moodustumine, H sidemed 5s • Multidomeense struktuuri moodustumine • Pakkumise kiirendamine in vivo ensüümide abil • PDI, disulfiidi isomeraas • Tshaperonid (Hsp70, tshaperoniinid)

23. Hemoglobiin ja müoglobiin Hemoglobiin- hapniku transportimine veres. Punaste vereliblede valk Müoglobiin- lihasrakkude valk Mõlemad valgud sisaldavad heemi prosteetilise rühmana Müoglobiin- 1 heemi rühm Hemoglobiin- 4 heemi rühma Kopsudes, kus hapniku partsiaalrõhk on kõrge, seondub hemoglobiin hapnikuga: Hb + 4O2Z Hb(O2)4 Lihasrakkudes, kus hapniku partsiaalrõhk on madal, vabaneb hapnik hemoglobiiniga kompleksist Hb(O2)4 Z Hb + 4O2

24. ribbon model sausage-like model ball and stick model Space-filling model

25. Hapniku transport emalt lootele Loode saab hapniku emalt difusiooni teel läbi platsenta Lootel on eriline hemoglobiin (HbF), mis seob hapnikku efektiivsemalt ema hemoglobiinist Tulemuseks on efektiivne hapniku transport lootele HbF produktsioon lõpeb varsti peale sündi ja on seotud vastava geeni inaktiveerumisega Sirpjasrakuline aneemia Defektne geen põhjustab mutantse hemoglobiini produtseerimine. Mutantses hemoglobiini molekulis on vaid üks aminohape asendatud Hapnikku transporditakse endiselt, kui d punased verelibled on deformeerunud ja liiguvad halvasti läbi kapillaaride

26. Ribonuclease A (C575H901N171O193S12)

28. Koju ka! Milline järgnevatest polüpeptiididest on tõenäoliselt alfa heeliks, milline pole arvatavasti beeta struktuur? CRAGNRKIVLETY SEDNFGAPKSILW QKASVEMAVRNSG Milline aminohape on tõenäolisemalt valgu pinnal? W või Q S või V Kas alfa heeliksi keskel on tõenäolisemalt L või I ? Iseseisvalt tutvuda fiibervalkude struktuuride ja kollageeni ebaharilikud aminohapete ja heemi struktuuriga