Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Struktura i funkcja białek (I mgr) dr Katarzyna Śmietana Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko,

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Struktura i funkcja białek (I mgr) dr Katarzyna Śmietana Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko,"— Zapis prezentacji:

1 Struktura i funkcja białek (I mgr) dr Katarzyna Śmietana Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer Biochemia Carl Branden, John Tooze Introduction to Protein Structure

2 Wykład 1 - cztery główne typy funkcjonalne białek - aminokwasy: wzory, właściwości, szczególne cechy kodu genetycznego, - struktury II, III, IV rzędowe białek, mapa Ramachandrana, - preferencje do występowania w określonych strukturach II-rzędowych, - wiązanie peptydowe: cechy charakterystyczne, kąty, - typy oddziaływań, odległość, przykłady, - elementy stabilizujące struktury białek, - efekt hydrofobowy (zwijanie białek, oddziaływanie białko-białko)

3 Wykład 2 - motywy strukturalne i funkcjonalne (przykłady), domeny alfa, beta, alfa/beta, alfa + beta - oligomeryzacja białek (typy, przykłady) - rozpoznanie, komplementarność i centra aktywne, elastyczność białek, białka szkieletowe, - domena PDZ, cechy charakterystyczne wiązania ligandów, struktura, specyficzność

4 Wykład 3 - poziomy kontroli funkcji białek - mechanizmy kierowania i regulacji białek - kontrola funkcji białek: degradacja, kowalencyjne modyfikacje, proteoliza, lipidacja, metylacja, N-acetylacja, sumoilacja, nitrozylacja, fosforylacja białek, przykłady, wpływ na strukturę/aktywność - molekularne przełączniki -- cykl aktywności białek G, minimalna domena G, zasada działania, białka GAP, GEF, GDI – budowa i mechanizm działania, model działania mięśniowej miozyny i kinezyny - kontrola funkcji białek przez modyfikacje kowalencyjne (fosforylacja, lipidacja, metylacja, N-acetylacja, sumoilacja, nitrozylacja) - degradacja, proteoliza i składanie białek, czterostopniowy mechanizm splicingu białek

5 Wykład 4 Od sekwencji do funkcji: -- sekwencje homologiczne, dopasowanie sekwencyjne, motywy strukturalne i funkcjonalne (przykład), zasada 40% -- mikromacierze DNA, żele 2D, Y2H -- modelowanie homologiczne, profile-based threading, metody Rosetta, metoda GRID, THEMATICS -- sekwencje kameleonowe Biosynteza białka - etapy, funkcje poszczególnych IF, EF i RF, ogólny opis struktury krystalicznej rybosomu, czym jest PTC, synteza wiązania peptydowego, tunel wyjściowy, L22 i SecM

6 Wykład 5 - kinazy białkowe, struktura przestrzenna, mechanizm aktywacji i działania kinaz Src i układu Cdk2-cyklina A - dwuskładnikowy mechanizm sygnalizacyjny bakterii - przeciwciała, MHC I i II, receptor T: budowa, genetyczne i strukturalne podłoże różnorodności - p53, ogólne informacje, budowa domeny oligomeryzacyjnej i wiążącej DNA, kluczowe reszty, białka natywnie niezwinięte - struktura i funkcja bakteriorodopsyny, poryn, kanału potasowego, - trzy typy białek fibrylarnych, - kolagen, filamenty pośrednie, włókna amyloidowe: budowa i cechy szczególne, - foldy metastabilne – priony, amyloidy i serpiny - białka opiekuńcze - podstawowa jednostka symetrii wirusów sferycznych, budowa wybranych wirusów

7 Wykład 6 ?

8 Białka stanowią aż 75% suchej masy tkanek miękkich naszego ciała z gr. proteios - pierwszorzędny, o największym znaczeniu białka są polimerami zbudowanymi z zestawu 20 różnych aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi -> już dla stuaminokwasowego białka liczba możliwych sekwencji aminokwasowych ( ) przekracza znaczne zróżnicowanie właściwości fizykochemicznych poszczególnych reszt aminokwasowych umożliwia tworzenie przez łańcuchy białkowe bardzo różnorodnych struktur trójwymiarowych odznaczających się często dużym stopniem komplikacji – pozwala to na pełnienie przez białka tak wielu różnych funkcji różnorodność białek jest widoczna już w ich rozmiarach – znane są białka o masach od tysiąca do ponad miliona Da

9 Wiązanie - różnorodność rozpoznawanych cząsteczek; komplementarność kształtu i oddziaływań polarnych Kataliza - przyspieszanie reakcji do 17 rzędów wielkości, odpowiednie ułożenie grup reaktywnych, stabilizacja stanu przejściowego, kataliza kwasowo-zasadowa Białka są najbardziej różnorodnymi i wielofunkcyjnymi cząsteczkami występującymi w komórce

10 Molekularny przełącznik - zmiana konformacyjna pod wpływem pH lub wiązania liganda przełącza funkcję Białka strukturalne - specyficzna asocjacja podjednostek i białek pozwala na spontaniczne powstawanie nawet bardzo złożonych struktur

11 Wyróżniamy cztery poziomy organizacji struktury białek

12 w pH 7 końcowe grupy łańcucha polipeptydowego (aminowa i karboksylowa) są zjonizowane -zaangażowane tylko w oddziaływania van der Waalsa -unikanie wody i pakowanie się na siebie są podstawą efektu hydrofobowego -Ala i Leu faworyzują powstawanie helisy w przeciwieństwie do proliny -aromatyczny pierścień Phe czasami uczestniczy w słabych polarnych oddziaływaniach Od właściwości łańcuchów bocznych zależy wkład różnych reszt aminokwasowych w zwijanie i funkcje białek

13 -mogą tworzyć wiązania wodorowe między sobą, z łańcuchem głównym i innymi cząsteczkami polarnymi (m.in. z wodą) -niektóre dysponują ładunkiem (w zależności od pH i otoczenia)

14 - aa hydrofilowe tworzą wiązania wodorowe ze sobą, z łańcuchem głównym, z polarnymi związkami organicznymi i z wodą - Glu i Asp pK a 5 (ujemnie naładowane w pH 7), ale w otoczeniu hydrofobowym pK a może wzrosnąć powyżej 7 i wtedy służą jako donory protonu - Lys pK a 10 (w pH 7 dodatnio naładowana), ale w otoczeniu hydrofobowym może spaść poniżej 6 i wtedy Lys staje się akceptorem protonu

15 - His ma dwie grupy –N-H, każda o pK a około 6 -- gdy jedna traci proton, pK a drugiej staje się większa niż gdy obie są uprotonowane His jest ujemnie naładowana (bardzo rzadko) -- gdy jedna jest uprotonowana His jest neutralna i zdolna do przyjęcia bądź oddania protonu - Arg jest prawie zawsze uprotonowana - Grupa –SH cysteiny jest najsilniejszym nukleofilem

16 - Ser, Thr, Gln i Asn są akceptorami i donorami protonu -- aa amfipatyczne najczęściej uczestniczą w tworzeniu interfejsów między elementami hydrofobowymi a polarnymi - Tyr zwykle nie jonizuje w pH 7 (pK a =9). Grupa –OH jest donorem i akceptorem wiązania wodorowego, a aromatyczny pierścień Tyr uczestniczy w słabych oddziaływaniach polarnych - Met jest najmniej polarna z grupy aa amfipatycznych, ale jej siarka jest często uczestniczy w oddziaływaniach z jonami metali

17 Sposób organizacji kodu genetycznego odzwierciedla wzajemne podobieństwa aminokwasów Więcej białek niż genów u Eukariontów: -alternatywny splicing -editing RNA

18 Częstość podstawień aminokwasowych w tym samym białku pochodzącym z różnych organizmów conservative substitutions

19 Tworzenie i hydroliza wiązania peptydowego Wiązanie kowalencyjne tworzone pomiędzy kwasem karboksylowym i grupą aminową dwóch α-aminokwasów z uwolnieniem jednej cząsteczki wody. Wiązania amidowe są bardzo stabilne w środowisku wodnym w pH bliskim 7. W komórce tworzenie i hydroliza wiązań peptydowych kontrolowane są enzymatycznie.

20 Rozciągnięty łańcuch polipeptydowy Rezonans – delokalizacja elektronów w obrębie wiązania peptydowego powoduje: -częściowy charakter wiązania podwójnego (CNO w jednej płaszczyźnie - dwa kąty torsyjne - ograniczona możliwość rotacji i konformacji; podwyższona stabilność) -polarność wiązania peptydowego, moment dipolowy (możliwe oddziaływania)

21 Oddziaływania stabilizujące białko oddziaływania z wodą lub za jej pośrednictwem C=O i N-H we wnętrzu białka nie mogą tworzyć wiązań wodorowych z cząsteczkami wody, więc tworzą je między sobą prowadząc do powstania struktur II rzędowych i stabilizacji struktury

22 Wykres Ramachandrana Prawie we wszystkich białkach łańcuch główny przyjmuje taką konformację, w której kąty torsyjne phi i psi powtarzają się, tworząc regularne wzory – elementy struktury drugorzędowej Ograniczenia steryczne określają możliwe typy struktury drugorzędowej

23 Zgięcie beta (beta/hairpin/reverse turn) najprostszy element struktury II-rzędowej -NH -O n+3 (n+2) Część grup C=O i N-H nie tworzy wiązań wodorowych w obrębie łańcucha, dlatego zgięcia występują najczęściej na powierzchni cząsteczki białka Obecność zgięć beta pozwala ograniczyć rozmiary białka i nadać mu bardziej zwartą strukturę

24 Helisa alfa – najpopularniejsza struktura II-rzędowa wiązania wodorowe pomiędzy C=O i N-H znajdującymi się blisko siebie w sekwencji n reszty na skręt

25 Parametry elementów helikalnych n+4 n+3 n+5

26 Amfipatyczność helis alfa -łańcuchy boczne wystają co 100 o -reszty oddalone od siebie o 3-4 aminokwasy grupują się po tej samej stronie helisy -helisy amfipatyczne stabilizują pakowanie helisa-helisa i często występują na powierzchni białka

27 Helisy zawierające reszty proliny Struktura kolagenu helisa lewoskrętna (Gly-X-Y)n gdzie X, Y to Pro, Pro-OH lub (rzadziej) Lys Helisy poliprolinowe wszystkie proliny w formie trans tworzą lewoskrętną helisę (3 reszty na skręt); motyw w białkach sygnalnych rozpoznawany przez domeny SH3

28 Struktury beta Silnie rozciągnięty, zwykle lekko skręcony łańcuch polipeptydowy bardziej stabilna nie są eksponowane do rozpuszczalnika, najczęściej przeplatane helisami odległość między resztami 3,3 Å Możliwość utworzenia struktury amfipatycznej

29 Kompleks Rap–Raf pakowanie helisy na równoległe włókno beta międzycząsteczkowa struktura beta jako interfejs oddziaływania białko-białko

30 Baryłka beta ( -barrel) białko wiążące retinol z niepolarnym ligandem związanym we wnętrzu baryłki -włókna beta, ze względu na konfiguracje L aminokwasów, mają tendencję do prawoskrętu -aminokwasy rozgałęzione na węglu beta (Val, Ile) łatwo akomodują się w strukturze beta (w porównaniu z gęsto upakowaną helisą)

31

32 - trafność przewidywań zaledwie ok. 70% - najłatwiej określić położenie helis (tworzone dzięki oddziaływaniom reszt sąsiadujących ze sobą w sekwencji) - najtrudniej przewidzieć granice pętli i miejsca zgięć Przewidywanie struktury drugorzędowej

33 Tworzenie struktury trzeciorzędowej Intermediaty zwijania (barnaza)

34 -minimalizacja powierzchni hydrofobowej dostępnej dla rozpuszczalnika -zbliżenie polaryzowalnych grup hydrofobowych umożliwia powstanie między nimi oddziaływań van der Waalsa -tym samym wciągniecie polarnych grup C=O i N-H łańcucha głównego staje się siłą sprawczą powstania struktur drugorzędowych Efekt hydrofobowy

35 Porównanie struktur TIM (izomerazy triozofosforanowej) i DHFR (reduktazy kw. dihydrofoliowego) -podobne elementy struktury drugorzędowej mogą tworzyć białka o całkiem różnych strukturach III° -wynika to ze sposobu łączenia elementów - występowania pętli lub zgięć

36 Pętle -pętle w białkach zwykle ulokowane są na powierzchni, eksponowane do rozpuszczalnika -ponieważ ich wkład w stabilizację struktury białka jest niewielki, w obrębie pętli łatwiej tolerowane są mutacje -dzięki temu pętle łatwo dostosowują się do powierzchni ligandów i często tworzą interfejsy oddziaływań białko-białko

37 Pierwsza powłoka hydratacyjna elastazy -cząsteczki wody ściśle związane z białkiem stanowią część jego struktury

38 Wnętrze zwiniętego białka - atomy we wnętrzu są upakowane prawie jak w ciele stałym -kanały i szczeliny pozwalają jednak na ruch atomów i zapewniają elastyczność -jeśli w rdzeniu znajdują się większe przestrzenie, to wypełnione są cząsteczkami wody, które mogą oddziaływać z okolicznymi grupami polarnymi

39 Motywy pakowania struktur helikalnych cytochrom b562ludzki hormon wzrostu ridges and grooves

40 Symulowana struktura fragmentu dwuwarstwy lipidowej 20 x 1,5 Å - helisa 8-9 x 3.5 Å - włókno beta -otoczenie hydrofobowe powoduje, że wszystkie polarne grupy (w tym C=O i N-H łańcucha głównego) muszą zostać zagrzebane we wnętrzu białka – odwrotnie niż w środowisku wodnym

41 Fragment kompleksu cytochromu bc1 elementy przezbłonowe najczęściej są helikalne, ze względu na możliwość lokalnego utworzenia wiązań wodorowych w obrębie łańcucha głównego

42 Profil hydrofobowości białka DctB z Rhizobium meliloti

43 Błonowe białka beta Struktura transportera FhuA -włókno przezbłonowe = 8-9 reszt -zwykle pod kątem => trudniejsze do przewidzenia -zamknięte baryłki aby zaspokoić HB -często tworzą kanały

44 Struktura bakteryjnego kanału potasowego homotetramer

45 Zorganizowane cząsteczki wody na eksponowanej powierzchni hydrofobowej rybonukleazy A Zwinięte natywnie białko jest termodynamicznym kompromisem. Stabilność można zdefiniować jako utratę energii swobodnej, będącą sumą efektów entalpowych i entropowych. Dla większości białek różnica energii między stanem rozwiniętym a zwiniętym jest marginalna, około kJ/mol. Pojedyncze słabe oddziaływanie uwalnia około 4-13 kJ/mol energii swobodnej

46 Stabilność, denaturacja, termofilność -marginalna stabilność dopuszcza duży stopień swobody (niezbędny do wzajemnego dopasowania podczas oddziaływań z ligandami czy katalizy) -stan zdenaturowany rozpoznajemy po utracie aktywności biologicznej/biochemicznej lub zmianie sygnału np. dichroizmu kołowego -denaturację można wymusić wysoką temperaturą oraz chemicznymi denaturantami (chlorowodorek guanidyny, mocznik, SDS), które współzawodniczą z polarnymi grupami białka o wiązania wodorowe -stabilizację białek można uzyskać poprzez skracanie pętli, dodawanie mostków solnych itp.

47 Struktura BPTI stabilizacja przez mostki S-S -zwykle struktura białka jest stabilizowana przede wszystkim przez oddziaływania niekowalencyjne -w niektórych przypadkach istotną rolę mogą też pełnić oddziaływania kowalencyjne, np. tworzenie mostków disulfidowych -dotyczy to głównie białek zewnątrzkomórkowych, ponieważ warunki panujące w komórce są silnie redukujące

48 Fragment struktury subtylizyny stabilizacja przez koordynację metalu (Ca 2+ ) -K d wiązania metalu w zakresie od mM (bardzo słabe) do nM (bardzo mocne) -w koordynacji mogą uczestniczyć cząsteczki wody -w niektórych przypadkach białka strukturyzują się wyłącznie w obecności jonów metalu, a ich usunięcie prowadzi do denaturacji

49 Stabilizacja przez wiązanie kofaktora dotyczy miejsc aktywnych DaAT/pirydoksalmioglobina/hem+żelazo cytochrom c/hem+żelazo oksydaza poliaminowa /PQQ

50 Modyfikacje potranslacyjne wpływające na stabilność białka SUMOylation S-nitrosylation

51 Diagram tetrameru Lac represora wiążącego się do DNA Domeny strukturalne -białka fibrylarne/globularne -domena – zwarty obszar w strukturze białka, zwykle (ale nie zawsze) tworzony przez ciągłą sekwencję aa, często posiadający zdolność zwijania się i funkcjonowania w sposób niezależny od reszty białka -domeny mają nie więcej niż 250 aa (49% w granicach aa) domeny tetrameryzacyjne domeny wiążące DNA

52 struktura racemazy alaniny - nie wszystkie domeny budowane są przez ciągły odcinek sekwencji - rdzenie hydrofobowe domen białkowych Domeny strukturalne

53 homodimer (dehydraza tioestrowa) monomer (tioesteraza) -białka wielodomenowe ewoluowały przez fuzję genów kodujących pojedyncze białka -im dawniej nastąpiła duplikacja, tym trudniej dostrzec podobieństwo (coraz więcej nagromadzonych mutacji)

54 Struktura gamma-krystaliny z soczewki oka podwójna duplikacja w obrębie tej samej domeny

55 Struktury syntazy Trp i dehydratazy galaktonianiu Podobna alfa/beta baryłka (żółta) mimo całkowitego braku pokrewieństwa oraz podobieństwa sekwencji czy funkcji obu białek -ograniczona liczba sposobów zwijania -domain fold – topograficzny układ elementów struktury drugorzędowej, charakterystyczny dla danej domeny

56 Diagram aranżacji domen w białkach zaangażowanych w sygnalizację komórkową -funkcjonowanie poszczególnych modułów może (ale nie musi) zależeć od ich kolejności w łańcuchu polipeptydowym => możliwe zamienianie i dokładanie domen -wyodrębniamy rodziny białek w zależności od architektury domenowej

57 Struktura reduktazy aldozy (redukcja, NADPH) i fosfotriesterazy (hydroliza, jon metalu) ten sam sposób zwinięcia – zupełnie inna funkcja i mechanizm katalizy

58 Struktura aminotransferaz -katalizują tą samą reakcję -brak podobieństwa sekwencji i struktury przestrzennej, z wyjątkiem bardzo podobnych miejsc aktywnych

59 Na następnym wykładzie: -motywy strukturalne i funkcjonalne (przykłady), domeny alfa, beta, alfa/beta, alfa + beta - oligomeryzacja białek (typy, przykłady) - rozpoznanie, komplementarność i centra aktywne, - elastyczność białek, białka szkieletowe, - domena PDZ, cechy charakterystyczne wiązania ligandów, struktura, specyficzność

60


Pobierz ppt "Struktura i funkcja białek (I mgr) dr Katarzyna Śmietana Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko,"

Podobne prezentacje


Reklamy Google