01-Uvod AK Protein 08a

Biochémia

Katarína MikušováKatedra biochémie CH1-213

Harmonogram prednášok• 29. 9.2008 Úvod, aminokyseliny. Proteíny.• 6.10.2007 Sacharidy. • 13.10.2007 Lipidy, biologické membrány. • 20.10.2007 Enzýmy.• 27.10.2007 Úvod do metabolizmu. Glykolýza.• 3.11.2007 Citrátový cyklus. Glyoxylátový cyklus.• 10.11.2007 Oxidačná fosforylácia.• 17.11.2007 -• 24.11.2007 Fotosyntéza.• 1.12.2007 Pentózová dráha. Coriho cyklus.• 8.12.2007 Metabolizmus lipidov.• 15.12.2007 Metabolizmus dusíkatých zlúčenín.

Termíny skúšok

• 19.12.2008 (piatok)• 8. 1.2009 (štvrtok) • 20. 1.2009 (utorok)

• + 2 opravné termíny podľa dohody

Literatúra

• Voet, Voetová: Biochemie, Victoria Publishing, 1995

• Vodrážka: Biochemie, Academia, 1992, 1995• Mikušová, Kollárová: Princípy biochémie v

schémach a v príkladoch, UK Bratislava, 2005

• Lehninger, Stryer, Garrett a Grisham

Základné vlastnosti živých systémov

• Živé systémy sú zložité a vysoko organizované

Základné vlastnosti živých systémov

• Živé systémy sú zložité a vysoko organizované

• Biologické štruktúry majú funkčný význam

• Živé systémy sú aktívne zapojené do premien energie

• Živé systémy majú vysokú schopnosť replikácie

Biomolekuly: molekuly života• H, O, C a N tvoria viac ako 99% atómov ľudského tela

Prvok %H 63O 25,5C 9,5N 1,4

• Ktorá vlastnosť je spoločná pre H, O, C a N a robí z nich vhodné atómy pre chémiu života?

• ODPOVEĎ: Je to ich schopnosť vytvárať kovalentné väzby prostredníctvom zdieľania elektrónových párov.

Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita

Proteín (aminokyseliny, peptidové väzby)

Nukleové kyseliny(nukleotidy, 5´→3´fosfodiesterováväzba)

Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita• Informatívnosť

vlákno DNA

časť polypeptidu

vlákno DNA

reťazec polysacharidu

Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita• Informatívnosť• Trojrozmerná štruktúra

Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita• Informatívnosť• Trojrozmerná štruktúra

Slabé interakcie udržujú biologickú štruktúru a určujú biomolekulárne

interakcie

Sila kovalentých väzieb typických pre biomolekuly

„Sila“ slabých interakcií• Typy slabých

interakcií:– Van der Waalsove

interakcie: 0,4 – 4,0 kJ/mol

– Vodíkové väzby: 12-30 kJ/mol

– Iónové interakcie: 20 kJ/mol

– Hydrofóbne interakcie: menej ako 40 kJ/mol

-vzájomné pôsobenie atómov v bezprostrednej blízkosti

C O H O ...

– NH3+ →← OOC –-

CH

CH3

CH2

CH3

„Sila“ slabých interakcií

• Biomolekulárne rozpoznávanie je sprostredkované slabými interakciami.

• Slabé interakcie obmedzujú možnosť existencie živých organizmov do relatívne úzkeho rozmedzia environmentálnych podmienok.

Slabé interakcie vo vodných systémoch• Vlastnosti vody

– Vysoká hodnota teploty topenia a teploty varu, výparného tepla, povrchového napätia

– Polarita v dôsledku lomenej štruktúry– Tvorba vodíkových väzieb

• Solvatačné vlastnosti vody– Ióny sú obklopené solvatačným obalom

– Polárne látky vytvárajú vodíkové väzby– Nepolárne látky → „HYDROFÓBNE INTERAKCIE“

Klastre molekúl H20 vo vodnej fáze

Vysokoorganizovaná štruktúra molekúl H2O okolo alkylového reťazca

Disperzia lipidov v H2O

Každá molekula lipidu „vnucuje“ okolitým molekulám H2O prechod do vysokoorganizovaného, usporiadaného stavu.

Klastre lipidových molekúl

Len okrajové lipidy„organizujú“ molekuly vody.Menej molekúl H2O je v usporiadanom stave, ENTROPIA vzrastá.

Micely

Všetky hydrofóbne skupiny sú chránené voči kontaktu s vodou; usporiadaná vrstva molekúl vody je minimalizovaná; entropia zvýšená.

Podstata hydrofóbnych interakcií• Nepolárna látka „organizuje“

vodu• Vodíkové väzby sa

reorganizujú v okolí nepolárnej látky

• To predstavuje zvýšenie usporiadanosti, a teda zníženie ENTROPIE

• Podstatou hydrofóbnych interakcií je zvýšenie entropie systému vďaka opätovnému „uvoľneniu“ molekúl vody

Aminokyseliny-stavebné jednotky proteínov

α

Rozdelenie AK podľa charakteru bočného reťazca

• AK s nepolárnymi bočnými reťazcami (9)• AK s polárnymi neutrálnymi bočnými

reťazcami (6)• AK s nabitými bočnými reťazcami (5)

Aminokyseliny s nepolárnymi bočnými reťazcami

CH COOH

NH2

CH2CH2SH3C

CH COOH

NH2

CH

CH3

CH3 CH2

CH COOHH

NH2

CH COOHCH3

NH2

CH COOH

NH2

CH

CH3

CH3

CH COOH

NH2

CH

CH3

CH2H3C

NH

COOH

CH COOH

NH2

CH2

NH

CH2 CH COOH

NH2

glycín

alanín

valín

leucín

izoleucín

prolín

metionín

fenylalanín

tryptofán

Aminokyseliny s polárnymi neutrálnymi bočnými reťazcami

CH COOH

NH2

OH CH2

CH COOH

NH2

CH3 CH

OH

OH

CH COOH

NH2

CH2

CH COOH

NH2O

NH2 CH2C

CH COOH

NH2O

NH2 CH2C CH2

CH COOH

NH2

SH CH2

serín

treonín

tyrozín

asparagín

glutamín

cysteín

Tvorba disulfidovej väzby

Aminokyseliny s nabitými bočnými reťazcami

CH COOH

NH2O

OH CH2C CH2

CH COOH

NH2O

OH CH2CCH COOH

NH2

CH2CH2CH2NH2 CH2

CH COOH

NH2

CH2CH2NH CH2

NH

NH2 C

NHN

CH COOH

NH2

CH2

KYSLÉ AK ZÁSADITÉ AK

kyselinaasparágová

kyselinaglutámová

lyzín

arginín

histidín

Vlastnosti aminokyselín

• Acidobázické vlastnosti• Optické vlastnosti• Spektroskopické vlastnosti

• Acidobázické vlastnosti

C COOH

NH2

H

R C COO

NH3

H

R -

+

α

neionizovaná formaaminokyseliny

ionizovaná formaaminokyseliny

postranný(bočný) reťazec

C COOH

H

R C COO

NH3

H

R C

NH2

H

R COO

NH3

H+

H+

H+

H+

-

+

-

+

katión aniónobojaký ión(amfión, zwitterión)

preferovaná forma pri pH 1

preferovaná formapri pH 7

preferovaná formapri pH 11

• Optické vlastnosti– Všetky aminokyseliny okrem glycínu sú

opticky aktívne– V prírode prevládajú L-aminokyseliny– D-, L- nomenklatúra je odvodená od

štruktúr D- a L-glyceraldehydu

• Spektroskopické vlastnosti aminokyselín

– Všetky aminokyseliny absorbujú v infračervenej oblasti

– Len TRYPTOFÁN, TYROZÍN a v menšej miere FENYLALANÍN absorbujú v UV

– Absorbancia pri 280 nm sa využíva pri detekcii proteínov

Proteíny

Funkcie proteínov

• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora• Imunitná ochrana• Tvorba a prenos nervových impulzov• Regulácia rastu a diferenciácia

Funkcie proteínov


Funkcie proteínov

• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia

– Hemoglobín (O2)– Sérumalbumín (MK)– Ovalbumín (N)– Kazeín (N)– Ferritín (Fe)

hemoglobín

Funkcie proteínov

• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb

– Aktín– Myozín

Funkcie proteínov

• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora

– Kolagén– Keratín

Funkcie proteínov


Funkcie proteínov


Funkcie proteínov


Vznik peptidovej väzby

peptidová väzba

Rozdelenie peptidov a proteínov

• Dipeptidy, tripeptidy, tetrapeptidy... (> 12 AK) • Oligopeptidy (12-20 AK)• Polypeptidy (< 20AK)

• Proteíny:– Monomérne (jeden polypeptidový reťazec)– Multimérne (viac ako 1 polypeptidový reťazec)

• Homomultimérne (rovnaké reťazce)• Heteromultimérne (rôzne reťazce)

Konjugované proteíny

Alkoholdehydro-genáza (Zn)

Fe, Zn, Ca, Mo, CuMetaloproteíny

Sukcinát-dehydrogenáza

Flavínové nukleotidyFlavoproteíny

HemoglobínHémHemoproteíny

Kazeín z mliekaFosfátové skupinyFosfoproteíny

Imunoglobulín GSacharidyGlykoproteíny

β-lipoproteín krviLipidyLipoproteíny

PríkladProstetická skupinaTrieda

N-koncovýzvyšok

C-koncovýzvyšok

N CSer-Gly-Tyr-Ala-Leu

N CSer-Gly-Tyr-Ala-Leu

Úrovne štruktúr v proteínochprimárna štruktúra

sekundárnaštruktúra

terciárnaštruktúra

kvartérnaštruktúra

zvyšky AK α-helix polypeptidovýreťazec

asociované podjednotky





-poradie AK v polypeptide-kovalentné (peptidové) väzby medzi AK









-relatívne stabilné priestorové usporiadanie aminokyselín, ktoré má za následok tvorbu určitých špecifických štruktúr, ako α-helix alebo štruktúra β-skladaného listu-vodíkové väzby medzi CO a NH skupinami peptidových väzieb






-kompletné priestorové usporiadanie aminokyselín v proteíne-uplatňujú sa v nej najmä nekovalentné (slabé) interakcie medzi bočnými reťazcami aminokyselín







- priestorové usporiadanie polypeptidových reťazcov v podjednotkovom(multimérnom) proteíne-uplatňujú sa v nej najmä nekovalentné (slabé) interakcie


• N – čiastočne kladný, O-čiastočne záporný • Čiastočne charakter dvojitej väzby (40%)• Dĺžka 0.133 nm – kratšia než jednoduchá a dlhšia než

dvojitá väzba• Zvyčajne v trans konformácii• Vďaka čiastočnému charakteru dvojitej väzby šesť atómov

v rámci peptidovej väzby leží v jednej rovine –planárne usporiadanie

Peptidová väzba

Dôsledky planárneho usporiadania peptidovej väzby

Dva stupne voľnosti na AK zvyšok v polypeptidovom reťazci

• Uhol okolo Cα-N sa označuje Φ (fí)• Uhol okolo Cα-C sa označuje Ψ (psí)• Niektoré hodnoty uhlov Φ a Ψ sú pravdepodobnejšie než

iné

Sterické obmedzenia uhlov Φ a Ψ

Nepovolený prekryv orbitalov neumožňuje určité kombinácie uhlov Φ a Ψ

Napr.:Φ = 0° a Ψ = 180°Φ = 180° a Ψ = 0°Φ = 0° a Ψ = 0°

G.N. Ramachandran:

Stericky výhodné kombinácie uhlov Φ a Ψsú základom pre uprednostňované sekundárne štruktúry

Hlavné typy sekundárnych štruktúr

• α-helix• β-skladaný list• β-otáčka

Lokálne štruktúry stabilizovanévodíkovými väzbami

Pravotočivý α-helix• L. Pauling a R. Corey, 1951• Stabilizovaný H-väzbami

medzi CO a NH• CO skupina každej AMK je

viazaná k NH skupine AMK o 4 zvyšky dopredu v lineárnej sekvencii

• Počet zvyškov na 1 otáčku: 3,6

• Vzdialenosť medzi zvyškami na 1 otáčku: 0.54 nm

• Výskyt: napr. keratín (vlasy), myozín (svaly)...

Cα1 Cα2

Cα3

Cα4

Cα5

Cα6

Cα7

Cα8Cα9

3,6 zvyšku, 0,54nm

The Nobel Prize in Chemistry 1954"for his research into the nature of thechemical bondand its application to the elucidation ofthe structureof complex substances"

b. 1901d. 1994

California Institute of Technology(Caltech) Pasadena, CA, USA

USALinus Carl Pauling

β-skladaný list-polypeptidový reťazec je úplne rozvinutý-H väzby môžu byť aj medzi rozdielnymi reťazcami

β-skladaný list-antiparalelný

NN

N

O

O

O

O

H

H

H

NN

NN

O

O

OH

H

H

H

NC

CN

-paralelný

NN

N

O

O

O

O

H

H

H

NN

N

O

O

O

O

H

H

H

NC

NC

β-otáčka

• Zmena smeru peptidového reťazca• Karbonylový kyslík je viazaný vodíkovou

väzbou s protónom amidu o tri zvyšky ďalej• Prevládajú v nej prolín a glycín

Typy interakcií pri tvorbe terciárnej štruktúry proteínov

NH3

CH2

CH2

C

CH2

O H

CH2

C

O O

CH2

CH2

OO

CH

CH2

CH3

CH3

CH

CH3 CH2

CH3

CH2

S

S

CH2

C O

O

(CH2)4

NH3+

+

iónovéinterakcie

disulfidováväzba

iónovéinterakcie

hydrofóbneinterakcie

hydrofóbneinterakcie

vodíkovéväzby

Rozdelenie proteínov podľa štruktúry a rozpustnosti

• Fibrilárne• Globulárne• Membránové

kolagén -fibrilárny proteín

myoglobín -globulárny proteín

bakteriorodopsín -membránový proteín


• Fibrilárne– Väčšina polypeptidového reťazca je

paralelná s jednou osou– Často sú mechanicky pevné– Zvyčajne sú nerozpustné– Zvyčajne majú štruktúrnu funkciu– Príklady: kolagén, α-keratín, β-keratín

(fibroín)

redukcia natočenie oxidácia

Fibroín

Sekundárne štruktúry a vlastnosti fibrilárnych proteínov

Kolagén v šľachách,kostiach

Vysoká pevnosť v ťahuKolagénový trojitý helix

Fibroín v hodvábeMäkké, flexibilné vlákna

β-skladaný list

α-keratín vo vlasoch, perí, nechtoch

Tvrdé, nerozpustné ochranné štruktúry rôznej tvrdosti a flexibility

α-helix „zosietený“disulfidovými väzbami

PríkladyCharakteristikaŠtruktúra

Približné rozmery ľudského sérumalbumínu, Mr 64 500, 585 AK


• Globulárne– Väčšina polárnych zvyškov je umiestnená na

povrchu molekuly a interaguje s rozpúšťadlom– Hydrofóbne zvyšky smerujú dovnútra molekuly a

navzájom interagujú– Štruktúry globulárnych proteínov nie sú statické– Niektoré časti proteínov sú značne flexibilné a

neusporiadané

myoglobín

Cytochróm c

Lyzozým

Ribonukleáza

Zastúpenie štruktúr α-helixu a β-skladaného listu v niektorých proteínoch

078Myoglobín (153)

1240Lyzozým (129)

039Cytochróm c (104)

3526Ribonukleáza (124)

4514Chymotrypsín (247)

% β-skladaný list

% α-helix

Proteín(počet zvyškov)

Strata štruktúry proteínu má za následok stratu funkcie

• Natívna konformácia – štruktúra proteínu v biologicky aktívnej forme

• Denaturácia – zmena terciárnej (a sekundárnej) štruktúry proteínu, ktorá má za následok stratu biologických vlastností– Ireverzibilná (nevratná)– Reverzibilná (vratná)

Denaturačné činidlá – extrémy pH, teploty,organické rozpúšťadlá, detergenty, močovina, guanidínhydrochlorid

"for his work on ribonuclease, especiallyconcerning the connection between theamino acid sequence and the biologicallyactive conformation"

b. 1911d. 1980

b. 1913d. 1982

b. 1916d. 1995

Rockefeller University New York, NY, USA

Rockefeller University New York, NY, USA

National Institutes of Health Bethesda, MD, USA

USAUSAUSA1/4 of the prize1/4 of the prize1/2 of the prize

William H. SteinStanford MooreChristian B. Anfinsen

"for their contribution to the understanding of the connection between chemical structure and catalytic activity of the activecentre of the ribonuclease molecule"

The Nobel Prize in Chemistry 1972

Pridanie močoviny a β-merkaptoetanolu

Natívna, katalyticky aktívna konformácia

Odstránenie močoviny a β-merkaptoetanolu

Denaturovaný, neaktívny proteín.Disulfidové väzby sú redukované na Cys zvyšky.

Natívna, katalyticky aktívna konformácia proteínu. Disulfidovéväzby sú opäť správne vytvorené.

RENATURÁCIA

Terciárna štruktúra proteínu je daná poradím aminokyselín v jeho reťazci

(primárnou štruktúrou)!

Skladanie (folding) proteínov

Molekulárny „chaperone“ –pomocník pri foldingu proteínov

• Proteíny, ktoré interagujú s čiastočne foldovanými, resp. nesprávne foldovanými proteínmi a zabezpečujú ich správne poskladanie

• Dve triedy– Hsp70 („heat-shock proteins“)– „chaperoníny“

DnaJ a DnaK (E.coli) –homológy Hsp70 a Hsp40 (človek)

„Chaperoníny“ (GroEL,GroES)

„Chaperoníny“

Sekcia mozgovej kôry pacienta s Creutzfeldt-Jakobovou chorobou

(priónové ochorenia)

Documents

01-Uvod AK Protein 08a