Ćwiczenia 1. E. Banachowicz Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM Własności białek - Opt.Ok.II Biofizyka Ćwiczenia 1. E. Banachowicz Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM http://www.amu.edu.pl/~ewas E.Banachowicz

Budowa aminokwasów i białek

Ogólna budowa aminokwasów w neutralnym pH grupa aminowa - NH2 grupa karboksylowa - COOH

Ogólna budowa aminokwasów - glicyna Gly, G

Ogólna budowa aminokwasów - alanina Ala, A alfa- amiokwasy L - aminokwasy

L-aminokwasy - centrum asymetrii

Reguła CORN

20 aminokwasów białkowych kod 1- i 3- literowy alanina A, Ala arginina R, Arg asparagina N, Asn kw.asparaginowy D, Asp cysteina C, Cys glutamina Q, Gln kw.glutaminowy E, Glu glicyna G, Gly histydyna H, His izoleucyna I, Ile leucyna L, Leu lizyna K, Lys metionina M, Met fenyloalanina F, Phe prolina P, Pro seryna S, Ser treonona T, Thr tryptofan W, Trp tyrozyna Y, Tyr walina V, Val

aminokwasy hydrofobowe/niepolarne A V L I P Y F W M C Ala Val Leu Ile Pro alifatyczne aromatyczne zawierające siarkę Tyr Phe Trp Cys Met

aminokwasy hydrofilowe/polarne N Q S T K R H D E N, Asn Q, Gln S, Ser T, Thr K, Lys naładowane (+) D, Asp E, Glu R, Arg H, His naładowane (-)

Diagram Venn’a Specyficzne własności reszt aminokwasowych decydują o strukturze i aktywności biologicznej białek.

cechy/kryteria: hydrofobowe/hydrofilowe alifatyczne aromatyczne, oddziaływujące warstwowo polarne-neutralne polarne naładowane dodatnio/ujemnie kwasowe, zasadowe C-β rozgałęzione małe/duże zawierające siarkę tworzące wiązania wodorowe wzmacniacze/łamacze struktur

Łańcuch polipeptydowy - struktura pierwszorzędowa struktura I-rzędowa: kolejność, sekwencja aminokwasów w łańcuchu (skład i kolejność kolejność decydują strukturze i funkcji) Ala Val Gly Ser Thr Leu Ile NH2 - AlaValGlySerThrLeuIle - COOH NH2 - AVGSTLI - COOH

Wiązanie peptydowe

Kierunkowość łańcucha, nazewnictwo a) 4-Alanina lub tetra-Alanina, b) tetrapeptyd o sekwencji R1R2R3R4 Łańcuch aminokwasów: 2-10 – oligopeptyd, 10-100 – polipeptyd, powyżej 100 reszt aminokwasowych – białko.

Wiązanie peptydowe kąt torsyjny ω i konformacja Trans

0o 180o 90o

Sekwencja białka determinuje jego strukturę przestrzenną mRNA (1) Prekursor mRNA mRNA (2) Sekwencja aminokwasowa (1) Sekwencja aminokwasowa (2)

Struktura drugorzędowa Przestrzenne ułożenie łańcucha opisane za pomocą kątów torsyjnych φ i ψ. φ ψ ω

Elementy struktury II-rzędowej helisy: prawoskrętna α helisa 310 helisa π helisa helisa φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę wiązania wodorowe α helisa -57 -47 180 3,6 1,5 i+4 310 helisa -49 -26 3,0 2,0 i+3 π helisa -70 4,4 1,2 i+5

α - helisa

α - helisa 310 - helisa π - helisa 22-reszty aminokwasowe

Elementy struktury II-rzędowej beta-harmonijki, (β-kartki, struktury pofałdowanej kartki): równoległe antyrównoległe mieszane harmonijka φ ψ ω reszt na skręt przesunięcie na resztę równoległa -139 135 180 2 3,2 antyrównoległa -119 113 -175 3,4

β-harmonijki

Wykres Ramachandrana (Biochemistry, Jeremy Berg, John Tymoczko, Lubert Stryer. 5th ed,PWN 2005).

Wykres Ramachandrana (Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005).

Wykres Ramachandrana dla białka φ ψ β-równoległa -119 113 β-antyrównoległa -139 135 α - helisa -57 -47 310 - helisa -49 -26 π - helisa -70

Łamacze i wzmacniacze Wzmacniacze Łamacze  - helisa M L E C A   Wzmacniacze Łamacze  - helisa M L E C A P G Y T S  - harmonijka równoległa V I F M L Y P G D E A N S K  - harmonijka antyrównoległa Q T R H W C kłębek, zwrot G P D N S Y, naładowane

Wiązanie wodorowe oddz. elektrostatyczne między dwoma względnie elektroujemnymi atomami energia: 4 - 13 kJ/mol (energia wiązań kowalencyjnych: 418 kJ/mol) C O H N δ+ δ- akceptor δ- δ+ δ- N — H · · · · · ·N N — H · · · · · ·O O — H · · · · · ·N O — H · · · · · ·O donor

Wiązania wodorowe dla  - harmonijki struktura równoległa struktura anty-równoległa

Wiązania wodorowe dla α - helisy

Wiązania wodorowe dla zwrotu (skrętu)

Wiązanie wodorowe białko ligand

Wiązanie wodorowe

Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe  oddziaływania hydrofobowe oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne

Oddziaływania hydrofobowe Zasady termodynamiki: I. Energia otoczenia i układu jest stała układ II. W procesach spontanicznych entropia rośnie (ΔS>0) ciepło otoczenie S - entropia - miara przypadkowości i nieuporządkowania H - entalpia - zawartość ciepła w układzie(zwiększenie = wzrost entropii) ΔSotoczenia = -ΔHukładu/T G - energia swobodna (Gibbsa) ΔG = ΔHukładu-TΔSukładu < 0 Reakcja zajdzie spontanicznie jeśli ΔG < 0

Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ nieuporządkowany - duża entropia (S)

Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ nieuporządkowany: - grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody - spadek entropii grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe

Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ uporządkowany (niższa entropia?): - grupy hydrofobowe połączone - uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii grupy hydrofilowe grupy hydrofobowe

Oddziaływania hydrofobowe -spontaniczne zwijanie białek układ uporządkowany (niższa entropia?): - grupy hydrofobowe połączone - uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii ΔSwody = -ΔHbiałka/T wzrost entropii wody kompensuje jej spadek związany ze zwijaniem białek! grupy hydrofilowe ΔG = ΔHbiałka-TΔSbiałka < 0 grupy hydrofobowe

Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę oddziaływania wodorowe  oddziaływania hydrofobowe  oddziaływania van der Waalsa mostki dwu-siarczkowe mostki solne

Oddziaływania van der Waalsa ładunek - dipol dipol - dipol dyspersja (indukowane dipole) N+ O C δ- δ+ O C δ- δ+ OH CH3 H3C δ- δ+

Mostek dwu-siarczkowy --CH2-S-S-CH2-- sekwencja insuliny wołowej

Struktura trzeciorzędowa przestrzenne ułożenie elementów struktury II-rzędowej pojedynczego łańcucha

Struktura czwartorzędowa Przestrzenne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych tworzących natywną cząsteczkę białka białko Cro z bacteriofaga l, jest dimerem złożonym z identycznych podjednostek

Struktura VI-rzędowa tetramer a2b2 hemoglobiny dimer ab hemoglobiny (1G0B.pdb) dimer ab hemoglobiny

Struktura IV-rzędowa Ferytyna - 24mer (1BG7.pdb) Insulina (1APH.pdb)

Oddziaływanie białek z ligandami Jądrowy receptor hormonu Grupy prostetyczne to często kofaktory Apoproteina - białko bez grupy prostetycznej

Ćwiczenia - RasMol http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm