Bioķīmijas kurss

1. Bioķīmijas kurss • 1.-2. nedēļā – ievads proteīnu struktūrā • Pēc tam – funkcionālā bioķīmija • 15. sept. – nodarbības otrajā pusē – tests par proteīnu struktūras lekcijām • Ieteicamās literatūras saraksts - grozā

2. Ievads proteīnu struktūrā

3. Lekcijas saturs • Aminoskābes un to īpašības • Peptīds un tā ģeometrija • Otrējā struktūra • Strukturālie motīvi • Domēni • Ceturtējā struktūra

4. Aminoskābes • Organiski savienojumi ar amino- un karboksil- grupām • Proteīni sastāv no 20 dažādām aminoskābēm ar vienādu skeletu (“backbone”), bet atšķirīgām sānu ķēdēm (“R”) • Visas proteīnus veidojošās aminoskābes ir a-aminoskābes (karboksil- un amino- grupas ir pievienotas pie viena un tā paša oglekļa atoma, saukta par Ca) • Pie fizioloģiska pH brīvas aminoskābes ir amfolīti – satur negatīvu lādiņu uz karboksilrupas un pozitīvu uz aminogrupas COO- | COO- | COO- | H3+N―Ca―Cb―H H3+N―Ca―H H3+N―Ca―Cb―Cg―H | R | R | R | R’ | | R’ R’’ a-aminoskābe b- un g- aminoskābes (proteīnus neveido)

5. Aminoskābju optiskie izomēri • Visu aminoskābju (izņemot glicīnu) a-ogleklim ir 4 dažādi aizvietotāji, tāpēc ir iespējami 2 optiskie izomēri – D un L. • Proteīnos sastopamās aminoskābes ir L- aminoskābes • DL nomenklatūra ir aizgūta no gliceraldehīda

6. Aminoskābju klasifikācija • Parasti aminoskābes klasificē pēc to sānu ķēžu polaritātes • Izdala nepolārās (hidrofobās), polārās un lādētās aminoskābes

7. Nepolārās aminoskābes • R grupa satur nepolāras, hidrofobas oglekļa ķēdes. Nepolārās aminoskābes (izņemot glicīnu) slikti šķīst ūdenī. Glicīns Alanīns Valīns Leicīns Izoleicīns (G, gly) (A, ala) (V, val) (L, leu) (I, ile) Glicīnam nav sānu ķēdes un to bieži klasificē atsevišķi. Vienīgā aminoskābe, kurai nav optisko izomēru Leicīns un izoleicīns ir strukturālie izomēri

8. Nepolārās aminoskābes Metionīns Fenilalanīns Triptofāns Prolīns (M, met) (F, phe) (W, trp) (P, pro) Prolīnasānu ķēdeir piesaistīta aminogrupai, veidojot ciklu Metionīns satur sēra atomu Fenilalanīns un triptofāns satur plakanus aromātiskos gredzenus Triptofānu, tā NH grupas dēļ dažreiz klasificē kā polāru, bet praksē tam ir izteiktākas nepolārās īpašības

9. Polārās aminoskābes - R grupa sastāv no oglekļa, skābekļa, un skābekļa atomiem, kuri sānu ķēdi padara polārāku un tādejādi hidrofilāku. Polārās aminoskābes labi šķīst ūdenī. Serīns Treonīns Cisteīns Tirozīns Aspargīns Glutamīns (S, ser) (T, thr) (C, cys) (Y, tyr) (N, asn) (Q, gln) Cisteīnam ir gan polāras, gan hidrofobas īpašības. Divi cisteīni var savienoties ar SH grupām

10. Lādētās aminoskābes - R grupai ir lādiņš piefizioloģiskapH Aspargīnskābe Glutamīnskābe Lizīns Arginīns Histidīns (D, asp) (E, glu) (K, lys) (R, arg) (H, his) Histidīns var būt gan lādēts, gan polārs pie fizioloģiski relevantām pH vērtībām. Bieži klasificē kā polāru aminoskābi

11. Cisteīns un disulfīdi oksidēšanās • Praktiski vienīgais veids, kā kovalenti savienot divas aminoskābes, kuras sekvencē nav blakus viena otrai, ir ar disulfīdu tiltiņu palīdzību • Disulfīdu veidošanai ir nepieciešama oksidējoša vide. Tā kā šūnas iekšienē vide ir reducējoša, disulfīdi ir reti sastopami iekššūnas proteīnos, bet bieži sastopami šūnas virsmas un sekretējamos proteīnos reducēšanās Cisteīns Cistīns

12. Peptīds • Peptīds ir kovalenti saistītu aminoskābju kopums • Peptīda saite veidojas, vienas aminoskābes aminogrupai reaģējot ar otras aminoskābes karboksilgrupu • Aminoskābes peptīda sastāvā mēdz saukt par atlikumiem • Izveidotā peptīda saite ir daļēji dubulta Peptīda saite Peptīdiem ir N-gals un C-gals N-gals C-gals

13. Peptīds, dipeptīds, tripeptīds, polipeptīds, proteīns • Dipeptīds ir viekāršākais peptīda veids • Tālāk seko dipeptīdi, tripeptīdi, utt • Polipeptīds ir viena kovalenti savienota aminoskābju atlikumu ķēde • Proteīns sastāv vismaz no viena polipeptīda • Ar jēdzienu “peptīds” parasti saprot relatīvi īsu (aptuveni <50) aminoskābju atlikumu virkni • “Proteīns” parasti ir garāks par ≈50 aminoskābēm

14. Galvenā ķēde un sānu ķēdes Katram polipeptīdam ir viena galvenā ķēde un tik sānu ķēdes, no cik aminoskābēm peptīds sastāv

15. Atomu nomenklatūra aminoskābes atlikumā “O” “N” “Ca” • Galvenās ķēdes atomi ir N, Ca, C un O • Sānu ķēdes atomi tiek saukti pēc grieķu alfabēta, sākot no Cb • Sānu ķēdes sazarošanās gadījumā ir papildus indeksi “1” un “2” “Cb” “C” “Cg” “Cd” “Ne” “Nh2” “Cz” “Nh1”

16. Peptīdu torsijas leņķi N • phi (f) leņķis N-Ca • psi (y) leņķis Ca-CO • omega (w) leņkis C-N

17. w leņkis, cis- un trans- peptīdi • Tā kā peptīda saite ir daļēji dubulta, leņķis ir tuvu 180otrans- peptīdiem vai 0ocis- peptīdiem (±30o ekstremālos gadījumos) • Cis- peptīdi ir enerģētiski ļoti neizdevīgi (~1000 reizes salīdzinot ar trans-), jo blakus esošie Ca atomi ir pārāk tuvu viens otram Ca Ca Ca Ca

18. Prolīnu cis-trans izomerizācija • Cis- peptīda saite pirms prolīna ir tikai 4x neizdevīgāka par trans- saiti, jo tuvu blakus sanāk vai nu abi Ca atomi vai Ca un Cd atomi • Prolīna cis-trans izomerizācija ir svarīgs faktors proteīnu foldingā un reakciju katalizē īpaši enzīmi – prolilpeptidil izomerāzes (Ppāzes). • Aptuveni 0.03% no ne-prolīna un 5.2% no x-Pro peptīdiem proteīnos ir cis- konformācijā • Cis- peptīdiem proteīnos bieži ir nozīmīga funkcija Ca Ca Ca x-x Ca Ca Cd Ca Ca x-pro Ca Cd Trans- Cis-

19. Galvenās ķēdes konformācijas • Tikai noteiktasyunfleņķukombinācijas ir enerģētiski izdevīgas, jo citādi sānu ķēdes pirmais atoms (Cb) novietojas pārāk tuvu galvenās ķēdes atomiem • Tā kā glicīnam nav sānu ķēdes, tam ir atļauta praktiski jebkura yunfleņķukombinācija. Tādejādi, glicīns ir īpaša un strukturāli nozīmīga aminoskābe, pārsvarā sastopams fleksiblos proteīnu rajonos Cbeta N Cbeta

20. yunfleņķukombinācijas var attēlot Ramačandrāna plotā Visizdevīgākās konformācijas (90% aminoskābju) Atļautās konformācijas (8%) Neatļautās konformācijas (<2%) Neatļauto konformāciju aminoskābēm bieži ir liela nozīme proteīnu funkcinalitātē

21. Sānu ķēžu konformācijas Ne-zigzagveida zigzagveida • Sānu ķēdēm (izņemot alanīnu un glicīnu) var būt dažādas konformācijas • Dažām konformācijām ir zemāka enerģija – tos sauc par rotamēriem • Zemāka enerģija ir t.s. zigzagveida izvietojumā – kad visi atomi ir maksimāli tālu viens no otra Trīs iespējamie valīna rotamēri

22. Metālu joni • Metālu joni ir daudzu proteīnu struktūru sastāvā, tie var veikt dažādas reakcijas (elektronupārnesi, etc.), vai arī vienkārši stabilizēt proteīnu struktūru • Metālu jonus parasti koordinē cys, his, asp un glu aminoskābes • Bieži sastopami ir Zn, Ca, Fe joni Struktūru stabilizējošs Zn jons gamma butirobetaīna hidroksilāzes satāvā

23. Nosauciet trīs aminoskābes, kuras ir ļoti atšķirīgas no citām! Prolīns • Nav brīvas aminogrupas • Ļoti stingrs • Ievieš pārrāvumus vai izliekumus a spirālēs un b virknēs Glicīns • Nav sānu ķēdes • Var atrasties jebkurā vietā Ramačandrāna plotā • Proteīnos bieži sastopams fleksiblos reģionos Cisteīns • Disulfīdi

24. Pirmējā (primārā), otrējā (sekundārā), trešējā (terciārā) un ceturtējā (kvartārā) struktūra

25. Otrējā struktūra • Izšķir divus galvenos otrējo struktūru veidus – alfa spirāles un beta virknes • Alfa spirāles var pastāvēt atsevišķi, bet beta virknes grupējas kopā vismaz pa divām vai vairākām, veidojot beta plāksnes • Alfa spirāles shematiski attēlo kā spirāles vai cilindrus • Beta virknes shematiski attēlo kā bultas virzienā no N uz C galu • Otrējā struktūrā aminoskābju galvenās ķēdes skābekļa un slāpekļa atomi viens ar otru mijiedarbojas ar ūdeņraža saišu palīdzību

26. Hidrofobais kodols • Proteīna hidrofobo aminoskābju sānu ķēdēm ir tendence savākties vienkopus, lai izvairītos no kontaktiem ar ūdens molekulām • Rezultātā, hidrofobās aminoskābes ir sastopamas galvenokārt proteīna iekšienē (kodolā) • Polārās un lādētās aminoskābes pārsvarā atrodas uz proteīna virsmas

27. Otrējās struktūras veidošanās iemesli • Tā kā hidrofobo aminoskābju sānu ķēdes atrodas proteīna kodolā, arī to pašu aminoskābju galvenā ķēde lielākoties atrodas kodolā • Galvenā ķēde satur polārus N un O atomus, kuru atrašanās hidrofobā vidē ir enerģētiski neizdevīga, ja vien tie viens ar otru neveido ūdeņraža saites, tādejādi kompensējot daļējos lādiņus • Divi visefektīvākie veidi, kā nodrošināt ūdeņraža saites starp galvenās ķēdes atomiem ir veidot alfa spirāles un beta plāksnes

28. Alfa spirāle • 3.6 atlikumi vienā pagriezienā • Ūdeņraža saites ir starp atlikuma n N atomu un atlikuma n+4 O atomu n+4 n n+4 n 3.6 aminoskābes

29. Shematisks reālas a-spirāles attēlojums C-gals C C C N N N N -gals Pievienota shematiska spirāle. Var redzēt, ka sānu ķēdes virzās slīpi uz leju kā egles zari Parādītas tikai saites starp atomiem Parādītas arī H saites starp n un n+4 atlikumiem

30. Alfa spirāles varianti 310 • Parastajā aspirālē, atlikums nveido H-saiti ar atlikumu n+4 • 310 spirālē, atlikums nveido H-saiti ar atlikumu n+3. Spirālē ir 3 atlikumi pagriezienā, savienoti ar 10 atomiem, tā radies nosaukums 310 • p spirālē, atlikums nveido H-saiti ar atlikumu n+5 • p spirāles vidū ir lielāks tukšums, bet 310spirālē atomi ir ļoti cieši kopā. Neviens no variantiem nav enerģētiski optimāls • p spirāles ir ļoti retas, bet 310 ir samērā bieži sastopamas kā īsas viena apgrieziena spirāles vai arī parasto a spirāļu galos a p

31. Alfa spirāļu “vītne” • Gandrīz visas zināmās a spirāles, kā arī 310 un p spirāles ir ar labo “vītni” • Kreisās “vītnes” a un 310 spirāles ir novērotas ārkārtīgi retos gadījumos. Tās ir īsas (<6 atlikumiem) un parasti pilda kādu nozīmīgu funkciju – piemēram veido enzīma aktīvo saitu • Kopumā zināmajās proteīnu struktūrās ir anotētas aptuveni 30 kreisās vītnes a spirāles, bet labās vītnes a spirāļu skaits sniedzas vairākos simtos tūkstošu

32. a spirāles dipola moments • Katrai individuālai aminoskābei ir dipola moments • Visas karbonilgrupas ir orientētas no spirāles N uz C galu • Kopā veidojas visas spirāles dipola moments • N galā ir daļēji pozitīvs, bet C- galā – daļēji negatīvs lādiņš • N gala lādiņu bieži neitralizē negatīvi lādēta aminoskābe vai kāds ligands – piem. fosfāta grupa

33. Aminoskābju priekšrocības a-spirālēs • Ala, Glu, Leu un Met ir labi spirāļu veidotāji • Pro, Gly, Tyr un Ser ir ļoti slikti spirāļu veidotāji • Tomēr, augstāk minētās īpašības nav pietiekamas precīzai otrējās struktūras paredzēšanai no sekvences

34. Periodiski atkātojumi a spirālēs • a spirāles parasti ir novietotas gar proteīna ārpusi, viena puse ir vērsta pret hidrofobo kodolu, otra uz proteīna virsmas • Šāds novietojums noved pie periodiskas hidrofobu un hidrofilu atlikumu atkārtošanās • Tomēr, minētā periodiciāte nav tieši izmantojama proteīnu struktūras modelēšanā, jo uz virsmas var būt arī mazi hidrofobi atlikumi (ala, val), kā arī dažas spirāles atrodas pilnībā hidrofobajā kodolā vai pilnībā uz virsmas

35. Beta plāksnes • Sastāv no vismaz 2 b-virknēm • Atšķirībā no a-spirālēm, H saites ir starp divām dažādām virknēm • b-virknēs polipeptīds ir izstieptā konformācijā Plāksne no antiparalēlām b-virknēm Plāksne no paralēlām b-virknēm

36. Jauktās b plāksnes Jauktās b plāksnes ir daudz retāk sastopamas kā antiparalēlās vai paralēlās

37. Savērpums b plāksnēs • Gandrīz visas b plāksnes zināmajos proteīnos ir savērptas • Savērpumam vienmēr ir labā vītne

38. Cilpas • Cilpas savieno otrējās struktūras elementus • Cilpas atrodas uz proteīna virsmas • Galvenās ķēdes slāpekļa un skābekļa atomi parasti cilpās neveido H-saites viens ar otru • Cilpās ir daudz polāro un lādēto aminoskābju, arī glicīnu • Cilpu garums var būt no 2 līdz 20 atlikumiem • Cilpas ir fleksiblas • Cilpas bieži veido ligandu piesaistes vietas un enzīmu aktīvos centrus • Homologos proteīnos cilpu rajoni ir daudz variablāki nekā sekundāro struktūru rajoni

39. Matadatas un reversie pagriezieni • Cilpas, kuras savieno divas antiparalēlas beta virknes, sauc par matadatu cilpām • 2 atlikumus garas matadatu cilpas sauc par reversajiem pagriezieniem vai vienkārši pagriezieniem (“turns”) Type I turn Type II turn Matadatas cilpa 1.virkne 2. virkne

40. Motīvi • Vienkāršas otrējo struktūru elementu kombinācijas • Motīvus mēdz saukt arī par superotrējo struktūru • Dažiem motīviem piemīt specifiska bioloģiska funkcija (piem. DNS piesaistīšanās) • Citiem motīviem nav specifiskas bioloģiskās funkcijas un tie ir lielāku agregātu sastāvdaļas

41. Spirāles-cilpas-spirāles motīvs Kalcija piesaistīšanās motīvs DNS piesaistīšanās motīvs

42. Matadatas b motīvs • Divas secīgas anti-paralēlas b virknes, savienotas ar cilpu • Motīvs var būt izolēta vienība, vai arī lielākas b plāksnes sastāvdaļa Erabutoksīns Tripsīna inhibitors

43. 24 dažādi veidi, kās savienot 2 b matadatas • Tikai pirmie 8 veidi eksistē zināmajos proteīnos

44. Grieķu atslēgas motīvs • Visizplatītākais veids, kā savienot 4 b virknes Grieķu atslēgas motīvs Staphilococcus nukleāzē

45. b-a-b motīvs • Ērts veids, kā savienot 2 paralēlas b virknes • b-a-b motīvs ir gandrīz visu paralēlo beta plākšņu proteīnu sastāvā

46. Trešējā (terciārā) struktūra un domēni • Proteīnu trešējā struktūra veidojas no motīviem un papildus sekundārās struktūras elementiem • Domēns ir proteīna daļa, kura spēj patstāvīgi safoldēties un izveidot stabilu trešējo struktūru • Proteīniem var būt no viena līdz pat vairākiem desmitiem domēnu • Daudzdomēnu proteīnos parasti katram domēnam ir sava bioloģiskā funkcija

47. 2xb matadata + b virkne 16x b-a-b 2x Grieķu atslēga

48. Domēni parasti (bet ne vienmēr) ir nepārtraukti sekvences gabali • Dažkārt viens domēns var ievietoties otra domēna cilpā C N C N

49. Daudzdomēnu proteīna piemērs – lac represors Spirāles-pagrieziena-spirāles domēns (piesaistas pie DNS) C-terminālā spirāle (tetramerizācijai) Kodola domēns, satur 2 subdomēnus, kuri sastāv no b-a-b motīviem (piesaista ligandu - laktozi)

50. IgG satur 12 imunoglobulīna domēnus Katrs domēns satur 2 b plāksnes, līdzīgas grieķu atslēgām