Struktura a funkce protein Petr Kolenko Primrn kvartrn

  • Slides: 44
Download presentation
Struktura a funkce proteinů Petr Kolenko

Struktura a funkce proteinů Petr Kolenko

Primární, . . . , kvartérní struktura https: //www. umass. edu/molvis/workshop/imgs/protein-structure 2. png

Primární, . . . , kvartérní struktura https: //www. umass. edu/molvis/workshop/imgs/protein-structure 2. png

Úrovně struktury Primární struktura - lineární sekvence aminokyselin, popis kovalentních vazeb mezi aminokyselinami. Sekundární

Úrovně struktury Primární struktura - lineární sekvence aminokyselin, popis kovalentních vazeb mezi aminokyselinami. Sekundární struktura - lokální prostorové uspořádání aminokyselin, vyjadřuje krátkodosahové nekovalentní interakce. Terciální struktura - shrnuje prostorové uspořádání sekundární struktury v prostoru, celkový 3 D fold jednoho řetězce, popis dlouhodosahových nekovalentních interakcí včetně disulfidových můstků - ty mohou být znázorněny ale i v primární struktuře. Kvartérní struktura - popisuje organizaci více než jednoho řetězce, prostové uspořádání podjednotek.

Primární struktura proteinů - pouhé pořadí aminokyselin v proteinovém řetězci primární struktura determinuje strukturu,

Primární struktura proteinů - pouhé pořadí aminokyselin v proteinovém řetězci primární struktura determinuje strukturu, struktura determinuje funkci formáty: fasta, pir, apod. Přes výrazné rozdíly v aminokyselinové sekvenci mohou mít dva různé proteiny stejnou funkci. Ale i jediná mutace (záměna) může vést k úplné ztrátě funkce daného proteinu.

Základní prvky sekundární struktury 1) 2) 3) 4) α-šroubovice β-list smyčky, otáčky intrinsic disorder

Základní prvky sekundární struktury 1) 2) 3) 4) α-šroubovice β-list smyčky, otáčky intrinsic disorder Jednotlivé aminokyseliny mají jistou preferenci vyskytovat se v daných prvcích sekundární struktury. PDB: 3 HUP

Druhy strukturních reprezentací PDB: 1 ZBG

Druhy strukturních reprezentací PDB: 1 ZBG

α-šroubovice - 3. 6 rezidua na 1 otáčku. C`=O n-tého rezidua interaguje s NH

α-šroubovice - 3. 6 rezidua na 1 otáčku. C`=O n-tého rezidua interaguje s NH skupinou n+4 -tého rezidua. dipól, často kompenzován dalšími rezidui, schopen vázat ligand levo-, pravotočivá Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Levo-, pravotočivá ɑ-šroubovice Levotočivá ɑ-šroubovice není energeticky výhodná pro L-aminokyseliny, proto je většina ɑ-šroubovic

Levo-, pravotočivá ɑ-šroubovice Levotočivá ɑ-šroubovice není energeticky výhodná pro L-aminokyseliny, proto je většina ɑ-šroubovic pozorovaných ve strukturách pravotočivých. Vyskytují se však krátké (např. 3 -5 reziduí dlouhé) levotočivé šroubovice.

Výskyt aminokyselin v ɑ-šroubovici - A, E, L, M časté; P, G, Y, S

Výskyt aminokyselin v ɑ-šroubovici - A, E, L, M časté; P, G, Y, S méně časté často na povrchu proteinu - střídání aminokyselin různých vlastností u šroubovic membránových proteinů je většina reziduí hydrofobních Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Alternativní šroubovice - 310, �� - - variace běžné ɑ-šroubovice 310 -šroubovice je těsnější

Alternativní šroubovice - 310, �� - - variace běžné ɑ-šroubovice 310 -šroubovice je těsnější uspořádání šroubovice, 3 rezidua na jednu otočku o 360°, obsahuje 10 atomů mezi vodíkovým donorem a vodíkovým akceptorem �� -šroubovice se vyznačuje vodíkovými vazbami mezi hlavními řetězci n-tého a n+5 -tého rezidua, volnější uspořádání, pravděpodobně vznikla evolučně přidáním další aminokyseliny do běžné šroubovice http: //cmgm. stanford. edu/biochem 201/Slides/Protein%20 Structure/Alpha%20 Helices%20 Pi%20 etc. jpg

β-list, β-skládaný list - vedlejší řetězce střídavě nad a pod rovinou listu β-skládaný list

β-list, β-skládaný list - vedlejší řetězce střídavě nad a pod rovinou listu β-skládaný list může být paralelní, antiparalelní, smíšený Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Smyčky často na povrchu molekul U většiny známých proteinů je vnitřek tvořen hydrofobními rezidui,

Smyčky často na povrchu molekul U většiny známých proteinů je vnitřek tvořen hydrofobními rezidui, hlavní řetězec tvoří prvky sekundární struktury a smyčky je spojující se nachází na povrchu molekul. Smyčky často obsahují polární a nabitá rezidua - proto je jednodušší jejich predikce z hlediska primární struktury, než predikce dalších prvků. Rozdíly mezi sekvencemi stejných proteinů z různých organismů (inserce, delece) jsou převážně pozorovány v oblasti smyček. Smyčky se často podílejí na tvorbě aktivního místa! Dlouhé nestrukturované smyčky bývají obvykle flexibilní, mohou nabývat více konformací a je obtížné je pozorovat pomocí rtg. krystalografie. Mohou být snadným terčem proteolytické degradace. Smyčky mohou představovat mechanismus zapínání a vypínání funkce proteinu.

Smyčky - typy, délka obvykle glycin Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Smyčky - typy, délka obvykle glycin Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Ramachandranův graf - graf znázorňující distribuci torzních úhlů hlavního řetězce povolené a zakázané oblasti

Ramachandranův graf - graf znázorňující distribuci torzních úhlů hlavního řetězce povolené a zakázané oblasti Gly nebývá zobrazován sestaven na základě strukturních pozorování může za jistých podmínek (pevná vazba na iont v daném místě, pnutí z důvodu silné interakce) obsahovat reziduum v zakázaných oblastech h ttp: //www. bi. up. ac. za/STRUC/images /peptide_bond. jpg http: //www. cryst. bbk. ac. uk/PPS 95/course/3_geometry/rama. gif

Vyšší uspořádání α-šroubovic L. Žídek, Strukturní biochemie, 2014

Vyšší uspořádání α-šroubovic L. Žídek, Strukturní biochemie, 2014

Šroubovice - smyčka - šroubovice DNA-vázající motiv (helixturn-helix) Vápník vázající motiv (helix-loop-helix) - dovede

Šroubovice - smyčka - šroubovice DNA-vázající motiv (helixturn-helix) Vápník vázající motiv (helix-loop-helix) - dovede chránit před proteolytickou degradací Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Vyšší uspořádání β-struktur PDB: 1 EY 4 β-vlásenka β-meandr Řecký klíč není vázán na

Vyšší uspořádání β-struktur PDB: 1 EY 4 β-vlásenka β-meandr Řecký klíč není vázán na konkrétní funkci, ale je častým motivem ve strukturách bílkovin.

Kombinace Řeckého klíče Analýza z roku 1991: - motivy ve fialovém rámečku častější než

Kombinace Řeckého klíče Analýza z roku 1991: - motivy ve fialovém rámečku častější než všechny ostatní - motivy v zeleném rámečku doposud nepozorovány - nepozorované motivy mají většinou navazující paralelní βlist

βαβ-motiv Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. Topologický diagram častý výskyt méně

βαβ-motiv Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. Topologický diagram častý výskyt méně častý výskyt Šroubovice v βαβ motivu může sloužit k zakrytí hydrofobních reziduí β-listů před interakcí se solventem.

Topologický diagram - 2 D reprezentace struktury pomocí sekundární struktury vyjadřuje interakce mezi prvky

Topologický diagram - 2 D reprezentace struktury pomocí sekundární struktury vyjadřuje interakce mezi prvky sekundární struktury a jejich orientaci nereprezentuje prostorové stáčení β-struktur automaticky generováno pro všechny záznamy v PDB databázi (PDBsum) PDB: 1 QJP Transmembránová doména proteinu Omp. A z bakterie Escherichia coli.

Hydrofobní oblasti uvnitř proteinů Proteiny se nachází ve vodném prostředí. Vnitřní oblasti proteinů obsahují

Hydrofobní oblasti uvnitř proteinů Proteiny se nachází ve vodném prostředí. Vnitřní oblasti proteinů obsahují hydrofobní aminokyseliny - hydrofobní interakce. Spolu s hydrofobními oblastmi obsahují vnitřní oblasti proteinů hlavní řetězec, který je polární a tudíž hydrofilní. Tyto atomy jsou ale kompenzovány interakcemi mezi řetězci - tvorbou sekundární struktury. PDB: 1 AIU

Preference aminokyselin při tvorbě sek. struktury Identická sekvence - VDLLKN PDB: 1 JHG PDB:

Preference aminokyselin při tvorbě sek. struktury Identická sekvence - VDLLKN PDB: 1 JHG PDB: 1 PY 4

Terciální a kvartérní struktura - Terciální struktura jednoho řetězce či jeho části tvořená kombinací

Terciální a kvartérní struktura - Terciální struktura jednoho řetězce či jeho části tvořená kombinací prvků sekundární struktury. homologní (podobná) primární struktura vede často ke strukturní homologii základní jednotkou terciální struktury je doména, která má často přiřazenou funkci Kvartérní struktura vzniká kombinací terciálních struktur domén z několika řetězců. Například syntéza mastných kyselin vyžaduje katalýzu 7 různých chemických reakcí. V chloroplastech rostlin tuto funkci plní 7 různých proteinů (enzymů), zatímco u savců jeden enzym skládající se z 7 domén spojených krátkými spojkami - linkery. Tato skutečnost však spíše vypovídá o organizaci genomu, než struktury jako takové.

Domény ze strukturních motivů - domény se skládají ze strukturních motivů podobné domény často

Domény ze strukturních motivů - domény se skládají ze strukturních motivů podobné domény často v různých proteinech s odlišnými funkcemi množství domén se zdá být omezené Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Dělení proteinů a jejich domén Proteiny: - globulární - fibrilární Domény (globulárních proteinů): -

Dělení proteinů a jejich domén Proteiny: - globulární - fibrilární Domény (globulárních proteinů): - α-doména - obsahuje výlučně α-šroubovice a smyčky - β-doména - obsahuje výlučně β-listy a smyčky - α/β-doména - obsahuje kombinaci obou prvků sekundární struktury

α-domény - - První známá proteinová struktura – myoglobin! hydrofobní jádro zajišťuje protein stabilní,

α-domény - - První známá proteinová struktura – myoglobin! hydrofobní jádro zajišťuje protein stabilní, hydrofilní povrch způsobuje rozpustnost proteinu ve vodě 8 šroubovic různě orientovaných, jen 2 jsou antiparalelně orientované a interagují keratin - fibrilární protein, nachází se v kůži, ve vlasech, apod. PDB: 4 PQ 6

Svinutá cívka (coiled coil) - samostatná šroubovice v roztoku je nestabilní výhodné hydrofobní interakce

Svinutá cívka (coiled coil) - samostatná šroubovice v roztoku je nestabilní výhodné hydrofobní interakce dvou šroubovic, které se vinou okolo sebe opakující se výskyt aminokyselin v primární struktuře často leucin snadná analýza pomocí hledání v primární struktuře Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Příklad - komplex NFAT, FOS, JUN FOS NFAT PDB: 1 A 02 FOS JUN

Příklad - komplex NFAT, FOS, JUN FOS NFAT PDB: 1 A 02 FOS JUN NFAT DNA JUN: MKAERKRMRNRIAASKSRKRK LERIARLEEKVKTLKAQNSELASTANMLREQVAQL FOS: MKRRIRRERNKMAAAKSRNRRRELTDT LQAETDQLEDEKSALQTEIANLLKEKEKL JUN

Svazek čtyř šroubovic - dvě šroubovice nestačí k vytvoření stabilní domény hydrofobní AMK tvoří

Svazek čtyř šroubovic - dvě šroubovice nestačí k vytvoření stabilní domény hydrofobní AMK tvoří jádro, hydrofilní na povrchu domény příklady: myohemerythrin (transportní protein kyslíku mořských červů, který neobsahuje hem a železo), cytochrom c', cytochrom b 562, ferritin (zásobní protein pro ionty železa) Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Bakteriální muraminidasa - - Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. - 615

Bakteriální muraminidasa - - Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. - 615 AMK, 450 z nich na N-konci tvoří α-šroubovicovou doménu 27 α-šroubovic uvnitř prstence díra s průměrem zhruba 30 Å důležitá pro syntézu glykolipidů, složek buněčných membrán cíl pro návrh nových antibakteriálních antibiotik

Knobs in holes - knoflíky v díře Dvě šroubovice “se vzájemně doplňují“ při tvorbě

Knobs in holes - knoflíky v díře Dvě šroubovice “se vzájemně doplňují“ při tvorbě hydrofobní oblasti.

Hřebeny v drážkách - větší úhel svíraný dvěmi šroubovicemi

Hřebeny v drážkách - větší úhel svíraný dvěmi šroubovicemi

Vliv mutace - hemoglobin - heterotetramer dvou kopií řetězců α a β, oba řetězce

Vliv mutace - hemoglobin - heterotetramer dvou kopií řetězců α a β, oba řetězce globinový fold, vážou hem koncentrace hemoglobinu v červených krvinkách je zhruba 340 g/L - blízko krystalizační koncentraci globule o rozměrech 50 x 55 x 65 Å mají od sebe vzdálenost asi 10 Å srpkovitá anémie způsobená jedinou mutací na povrchu hemoglobinu (Glu 6 Val řetězce β) → snížená rozpustnost proteinu Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Hemoglobin - srážení Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. - hemoglobin má

Hemoglobin - srážení Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. - hemoglobin má mírně odlišnou strukturu v okysličeném a neokysličeném stavu v okysličeném stavu k této hydrofobní interakci nedochází po odevzdání kyslíku v krevních kapilárách dochází ke srážení, polymerizaci do vláken vlákna způsobují změnu tvaru do podoby srpu - srpkovitá anémie

Srpkovitá anémie - jediná mutace způsobuje smrtící nemoc proč přežila během evoluce? homozygoti (obě

Srpkovitá anémie - jediná mutace způsobuje smrtící nemoc proč přežila během evoluce? homozygoti (obě alely obsahují danou mutaci) - letální onemocnění heterozygoti (pouze jedna z alel obsahuje danou mutaci) - omezený průběh nemoci zvyšuje rezistenci vůči malárii u heterozygotních pacientů evolučně - výhodné úmrtí homozygotů na úkor přežití heterozygotů http: //vedajekrasna. cz/storage/images/950 x/2528. jpg

α/β-domény - nejčastěji centrální β-list obklopený α-šroubovicemi opět nejčastěji se na funkci podílí smyčky

α/β-domény - nejčastěji centrální β-list obklopený α-šroubovicemi opět nejčastěji se na funkci podílí smyčky proteinů Rozlišujeme 3 hlavní třídy: 1. TIM barrel - paralelní β-listy obklopeny α-šroubovicemi (triosephosphate isomerasa) 2. Rossmanův fold - centrální β-skládaný list obklopený α-šroubovicemi z obou stran (laktát dehydrogenasa) 3. fold podkovy - obvykle obsahuje opakující se sekvence obsahující residuum leucin - leucin-rich motif, β-skládaný list je obklopen z jedné strany α-šroubovicemi a stočen do tvaru podkovy (inhibitor ribonukleasy)

TIM-barrel - - Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. patří mezi největší

TIM-barrel - - Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. patří mezi největší domény vůbec - okolo 200 reziduí 160 reziduí strukturně ekvivalentních většinou enzymy, mnoho různých funkcí může mít i 8 paralelních a 2 antiparalelní βlisty jádro proteinu tvoří prvky sekundární struktury, které poskytují strukturní oporu pro různě dlouhé smyčky, jejichž sekvence určuje funkci proteinu smyčky samy o sobě mohou být tak dlouhé, že vytvoří samostatnou doménu

Hydrofobní jádro TIM-barrelu Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Hydrofobní jádro TIM-barrelu Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Smyčky tvoří samostatné domény - pyruvát kinasa - čtyři samostatné domény, 530 reziduí aktivita

Smyčky tvoří samostatné domény - pyruvát kinasa - čtyři samostatné domény, 530 reziduí aktivita spojena opět s doménou TIM-barrelu (červená) Schéma primární struktury: 1 Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999. 42 115 223 387 530

Aktivní místo TIM-barrelu aktivní místo - může se nacházet i na opačné straně domény,

Aktivní místo TIM-barrelu aktivní místo - může se nacházet i na opačné straně domény, případně na obou protein může obsahovat blokující mechanismus povolující pohyb pouze substrátu či produktu reakce katalyzované reakce často stejný chemický základ - podobné aktivní místo, ale jiná selektivita způsobena změnami aminokyselin v jejich okolí

Rossmanův fold a podobné - centrální β-skládaný list (“neomezený” počet β-listů) obklopený αšroubovicemi z

Rossmanův fold a podobné - centrální β-skládaný list (“neomezený” počet β-listů) obklopený αšroubovicemi z obou stran velká šíře různých topologií paralelní i antiparalelní β-listy většina proteinů aktivní místo na Ckonci β-listu - ve štěrbinách mezi smyčkami Ale! - např. adenylát kinasa má dvě aktivní místa na opačných koncích βlistu Branden & Tooze, Introduction to Protein Structure, 1999.

Arabinosu vázající protein - dvě opačně orientované domény společná vazba arabinosy arabinosa

Arabinosu vázající protein - dvě opačně orientované domény společná vazba arabinosy arabinosa

Fold podkovy PDB: 2 BNH

Fold podkovy PDB: 2 BNH

Toll-Spätzle komplex PDB: 4 LXR - vazba ligandu (Spätzle) uvnitř podkovy Toll receptoru

Toll-Spätzle komplex PDB: 4 LXR - vazba ligandu (Spätzle) uvnitř podkovy Toll receptoru