3D struktura proteina

7/25/2019 3D struktura proteina

1/95

Univerzitet u Tuzli

Prof. Dr. Lejla Begi

Medicinski fakultet Tuzla

Predavanja iz predmeta Biohemija

1. Aminokiselinska sekvenca odreujetrodimenzionalnu strukturu proteina.

2. Funkcija proteina zavisi od njegove strukture.

3. Jedan izolovani protein ima jedinstvenu ili priblino

jedinstvenu strukturu.

4. Najvanije veze koje stabiliziraju strukturu proteina

su nekovalentne interakcije.

5. Izmeu velikog broja jedinstvenih proteinskihstruktura moemo prepoznati neke zajednike

strukturne uzorke koji nam pomau da organiziramo

nae razumijevanje proteinske arhitekture.


2/95

Univerzitet u Tuzli




Struktura

globularnog

proteina

himotripsina.

Radi usporedbe

veliine desno je

prikazana molekula

glicina.


3/95

Univerzitet u Tuzli




Prostorni raspored atoma zove se konformacija.

Mogua konformacija proteina ukljuuje bilo koje

strukturno stanje bez cijepanja kovalentnih veza.

Konformacija koja prevladava u odreenim uslovima

obino je termodinamiki najstabilnija, ima najmanji

sadraj Gibbsove slobodne energije.

Nativni proteinisu proteini u svojoj funkcionalnojsvijenoj konformaciji.


4/95

Univerzitet u Tuzli




Stabilnost proteina se moe definirati kao tenja proteinada odri nativnu konformaciju.

Odreeni polipeptidni lanac moe teoretski poprimiti

bezbroj konformacija.

Konformacijska entropija i vodikove veze nastoje da

odre nesvijeno stanje proteina.

Disulfidne veze i slabe interakcije stabiliziraju nativnu

konformaciju.

Slabe interakcije su zbog svoje brojnosti dominantna

stabilizirajua snaga u strukturi proteina.


5/95

Univerzitet u Tuzli




Core i !auling "#$ti% godina . vijeka analizirali

peptidnu vezu.

'tomi asocirani na peptidnu vezu su koplanarni.

!ostoji rezonanca ili parcijalna podjela dva para

elektrona izmeu oksigena u (C)O i nitrogena u

(*+ grupi.


6/95

Univerzitet u Tuzli




,sljed rezonancije peptidna veza ima karakter dvostruke

veze i usljed toga ne moe rotirati. -otacija je mogua

oko *$C i C$C.


7/95

Univerzitet u Tuzli




Planarne peptidne grupe.

C

-atomi susjednih aminokiselina razdvojeni su sa tri kovalentne veze.

Kima polipeptidnog lanca je serija rigidnih povrina koje se izmjenjuju sa

takom rotacije oko C.

Uglovi izmeu N-Coznaen je kao(fi), a izmeu C-C(psi).


8/95

Univerzitet u Tuzli




Ramachandran

dijagram za ostatke

L-alanina.

Dozvoljenevrijednosti za

imogu se

odrediti iz

Ramachandrandijagrama.


9/95

Univerzitet u Tuzli




Termin sekundarna struktura odnosi se na prostornu

organizaciju polipeptidnog lanca.

Jo1951. god. Pauling i Corey predvidjeli su postojanje

sekundarne strukture proteina, nekoliko godina prije nego

to je prva struktura proteina potpuno razjanjena.


10/95

Univerzitet u Tuzli




Desni alfa-heliks.

Povrine rigidnih

peptidnih veza

paralelne su sa

uzdunom osom

heliksa. Uzduna osa

prikazana je kao

vertikalni tap.

U svim proteinima

nalazi se desni alfa-

heliks.


11/95

Univerzitet u Tuzli




Jedinica koja se

ponavlja je jedan

okret heliksa duine

0,54 nm i sadri 3,6aminokiselinskih

ostataka.


12/95

Univerzitet u Tuzli




Hidrogenske veze se

formiraju izmeu

hidrogen atoma>NHgrupe jedne

aminokiseline i

oksigen atoma iz

>C=O grupe 4.

aminokiseline prema

N-terminusu.


13/95

Univerzitet u Tuzli




Alfa-heliksprikazan

odozgo prema dole.

R grupe su prikazane

kao purpurne lopteokrenute su prema

vani u odnosu na

heliksnu kimu.

U i it t T li M di i ki f k lt t T l


14/95

Univerzitet u Tuzli




Jednostavni metod

za odreivanje

desne i lijeve

uzvojnice.



15/95

Univerzitet u Tuzli




Elektrini dipol

peptidne veze prenosise dualfa-heliksa

preko unutarlananih

hidrogenskih veza.

Rezultat je heliksni

dipol.



16/95

Univerzitet u Tuzli




Stabilnost heliksa zavisi od aminokiselinske sekvence.

Veliki blok Glu destabilizira uzvojnicu.

Veliki blok Arg ili Lys destabilizira uzvojnicu.

Pro ili Gly ograniavaju formiranje uzvojnice. Pro uvodidestabilizirajue petlje u alfa-uzvojnicu.

Usljed zavoja kritine interakcije se odigravaju izmeu

AK ostataka meusobno udaljenih za 3 ili 4 AK ostatka s

obje strane.

Negativno nabijene AK u blizini amino terminusa

stabiliziraju uzvojnicu i vice versa.

Univerzitet u Tuzli Medicinski fakultet Tuzla


17/95

Univerzitet u Tuzli




Negativno nabijene AK u blizini karboksi terminusa

destabiliziraju uzvojnicu i vice versa.

Na stabilnost alfa heliksa utie veliina i tip susjednih R-

skupina.

R-ostaci se mogu elektrostatski privlaiti ili odbijati.

.



18/95

Univerzitet u Tuzli




Beta-konformacija

polipeptidnih lanaca-antiparalelna



19/95

Univerzitet u Tuzli




Organizira

polipeptidne lance u

ravne povrine.

Kima polipeptidnoglanca prua se u cik-

cak strukturi.

Polipeptidni lanci se

smjetaju jedan dodrugog i obrazuju

serije nabora.



20/95

Univerzitet u Tuzli




Vodikove veze se

formiraju izmeu

susjednih segmenata

polipeptidnih lanaca.

R grupe susjednih AK

stre iz cik-cak

strukture u suprotnim

smjerovima.



21/95

Univerzitet u Tuzli




U globularnim proteinima 1/3 aminokiselina nalazi se u

okretima ili petljama u kojima polipeptidni lanac mijenja

smjer.

Vani elementi koji spajaju sukcesivne nizove alfa heliksa

ili beta konformacije.

.



22/95

Univerzitet u Tuzli




Struktura beta-okreta.

Okret sadri 4

aminokiselinska

ostatka.



23/95

Univerzitet u Tuzli




Cis izomer prolina esto se javlja u beta-okretima.



24/95

Univerzitet u Tuzli




Sekundarne strukture

imaju karakteristine

uglove veza i

aminokiselinski sastav.

Ramachandran

dijagram za razliitestrukture.



25/95

Univerzitet u Tuzli




Relativna

vjerovatnoa

javljanjapojedinih

aminokiselina u

tri osnovna tipa

sekundarnestrukture.



26/95

U e e u u


ed c s a u e u a


Cjelokupni trodimenzionalni aranman svih

atoma u proteinu predstavlja tercijernu strukturu

proteina.Neki proteini sadre dva ili vie polipeptidnih

lanaca koji mogu biti identini ili razliiti.

Aranman takvih proteinskih podjedinica u

trodimenzionalnim kompleksima predstavljakvaternernu strukturu.



27/95

Prof. Dr. Lejla BegiPredavanja iz predmeta Biohemija

Prilikom razmatranja viih nivoa strukture

korisno je klasificirati proteine u 2 glavne

grupe

1. Fibrilarne proteine i

2. Globularne proteine

Fibrilarni proteini sadre polipeptidne lance

organizirane u duge niti ili povri, dokglobularni proteini sadre polipeptidne lance

svijene u globularni ili sferni oblik.



28/95


Fibrilarni proteini se uglavnom sastoje od jednog

tipa sekundarne strukture. Slue za potporu,

daju oblik i vanjsku zatitu kimenjaka.

Globularni proteini esto sadre nekoliko tipova

sekundarne strukture. U ovu grupu spadaju

enzimi, regulatorni proteini, transportni

proteini i dr.



29/95


Fibrilarni proteini (skleroproteini) su prilagoeni

za strukturnu funkciju.

Sastavljeni su od bazinih jedinica-jednostavnog

ponavljajueg elementa sekundarne

strukture.

Netopivi su u vodi usljed visoke koncentracije

hidrofobnih aminokiselina.



30/95




31/95


Alfa-keratin se nalazi u sisara i ini najvei dio suhe

teine kose, vune noktiju, kandi, bodlji, papaka i

vanjskog dijela koe.

Alfa-keratin je lan velike familije proteina koji se zovu

proteini intermedijernog filamenta (IF).

Alfa-keratinski heliks je desno orijentiran. Dva heliksa

su umotana jedan oko drugog i ine superuzvojnicukoja je lijevo orijentirana. Dva lanca superheliksa su

paralelna i povezana su preko hidrofobnih ostataka.



32/95


Dva lanca superheliksa su paralelna i povezana su preko

hidrofobnih ostataka.



33/95


Struktura kose. etiri protofibrila (32 lanca alfa-keratina)

kombiniraju se u intermedijerni filament.



34/95


Jaina fibrilarnih proteina poveava se kovalentnim

poprenim vezivanjem polipeptidnih lanaca unutar

multiheliksnih snopova i izmeu susjednih lanaca u

supramolekularnom rasporedu.

U alfa-keratinu poprene disulfidne veze stabiliziraju

kvaternernu strukturu.



35/95


Popreni presjek

kose.



36/95


Trajna ondulacija predstavlja biohemijski inenjering.



37/95


KOLAGEN

Daje vrstinu strukturama. Nalazi

se u svim tkivima i organimakojima daje oblik i strukturnu

jainu.

Nalazi se u organskom matriksu

kostiju, kornei oiju, zubima,koi.



38/95


Struktura kolagena. Alfa-lanac kolagena ili kolagenski

heliks predstavlja

poliprolinsku uzvojnicu tip II

koja je jedinstvena

sekundarna struktura lijevo

orijentirana.

Povrina peptidne veze

okomita je na osu heliksa za

razliku od alfa-heliksa gdje je

ova veza paralelna sa osom.



39/95


U jednom okretu uzvojnicenalaze se tri aminokiselinska

ostatka.

Unutar heliksa nema vodikovih

veza.Redoslijed aminokiselina unutar

heliksa je

Gly-Pro-Y ili Gly-X-Hyp

Tri lanca molekule kolagena

uvijaju se jedan oko drugog

formirajui superheliks.



40/95


Ostaci glicina okrenuti su prema

unutranjosti i ine hidrofobnu ivicu.

Lanci superuzvojnice meusobno se

dre hidrofobnim vezama i vodikovim

vezama koje nastaju interakcijom

peptidnih veza susjednih lanaca.

Tri kolagenska heliksa (tropokolagen)

stabiliziraju se pomou sterikih

odbijanja pirolidonskih prstenova

prolinskih i hidroksiprolinskih

ostataka.



41/95


Za enzimsku

hidroksilaciju prolina

i lizina neophodan jeC-vitamin.



42/95


Struktura fibrila

kolagena. Specifini

poredak kolagenskihmolekula i broj

poprenih veza zavisi

od vrste tkiva i daje

karakteristinupoprenu ispruganost na

elektronmikrografu.



43/95


Sa starenjem se poveava krutost i krtost vezivnog tkiva usljed

akumulacije kovalentnih veza u fibrilima.



44/95


Sisari sadre vie od 30 strukturnih varijanti kolagena.

Genetski defekti u strukturi kolagena ilustriraju povezanost

izmeu strukture i funkcije.

Osteogenesis imperfecta (abnormalno formiranje kostiju u

beba) i Ehlers-Danlosov sindrom (labavi zglobovi) posljedica

su zamjene jednog ostatka glicina sa veom aminokiselinom.

Glicin ne moe biti zamijenjen sa drugom aminokiselinom, a

da ne doe do bitnih teta po strukturu kolagena.



45/95


Kolagen je glikoprotein.

Sintetizira se u fibroblastima. Nakon sinteze polipeptid se

hidroksilira, glikozilira te stvara trostruku uzvojnicu.

Iz fibroblasta se izluuje u obliku prokolagena.

Nakon skraivanja, hidrolizom peptidnih veza, nastaju

snopovi tropokolagena koji se lociraju na staninoj

povrini u obliku zrelog kolagenskog vlakna.



46/95


Fibroin svile

proizvode insekti i

pauci. Polipeptidni

lanci su preteno u

beta konformaciji.

Bogati su Gly i Ala.



47/95


Lanci fibroina

(plavi) pauka

prikazani obojenim

elekronskim

mikrografom.



48/95


Elastin se ubraja u fibrilarne proteine zbog funkcije irelativne netopivosti.

Nalazi se u ligamentima, pluima, zidovima arterija i

koi.

Elastin nema pravilnu sekundarnu strukturu.

Sadri nesreenu strukturu u kojoj su aminokiselinski

ostaci visoko mobilni.

Protein posjeduje kinetiki slobodne i ekstenzivnopopreno vezane strukture koje mu daju elastinost

slinu gumi.



49/95


Dezmozin

kovalentno

povezuje

poprene

polipeptidne

lance u

vlaknima

elastina.



50/95


Humani serum albumin Mr 64 500 ima 585

aminokiselinskih ostataka u jednom lancu.



51/95


Tercijerna struktura

mioglobina kita.

Kendrew i sar. 50-tih

godina 20. vijeka otkrilistrukturu mioglobina

pomou difrakcije x-zraka.

Prvi put je uoena veza

izmeu strukture i funkcije.



52/95


Metode za odreivanje 3D strukture proteina su difrakcija x-zraka i

NMR spektroskopija.



53/95


Uzorci za difrakciju x-zraka pripremaju se od kristala proteina.



54/95


Komplementarnametoda za odreivanje

trodimenzionalne

strukture

makromolekula je

NMR.

Prednost ove tehnike u

odnosu na difrakciju x-

zraka je da se izvodi namakromolekulama u

otopini.



55/95


Globularni proteini imaju razliite

trodimenzionalne strukture.

Citohrom c je hem protein.

Sastoji se od jednog

polipeptidnog lanca sa 104 AK

ostatka (Mr 12.400).40% lanca je u obliku alfa heliksa



56/95


Lizozim je enzim


polipeptidnog lanca sa

oko 129 AK ostataka (Mr14.600).

40% lanca je u obliku alfa

heliksa, a 12% u obliku

beta konformacije.

etiri disulfidne veze

stabiliziraju sstrukturu.



57/95


Ribonukleaza je mali globularniprotein koji se izluuje iz

pankreasa u tanko crijevo.


polipeptidnog lanca sa oko 124AK ostataka (Mr 13.700).

26% lanca je u obliku alfa

heliksa, a 35% u obliku beta

konformacije.

etiri disulfidne veze stabiliziraju

strukturu.



58/95




59/95


Analiza mnogobrojnih globularnih proteina otkriva zajednikestrukturne uzorke.

Razumijevanje kompletne 3-D strukture gradi se preko analize

njenih dijelova.

Supersekundarne strukture, motivi ili nabori (folds)su

posebno stabilni aranmani nekoliko elemenata sekundarne

strukture i veza izmeu njih.

Proteini izgraeni iz vie stotina AK ostataka esto se svijajuu dvije ili vie stabilnih globularnih jedinica koje se zovu

domeni. Razliiti domeni obino imaju i razliite funkcije.



60/95


Strukturni domeni u troponinu C. Ovaj protein koji vee kalcijum ima odvojene

domene za vezanje kalcijuma. Domeni su oznaeni plavo i ljubiasto.



61/95




62/95




63/95




64/95




65/95




66/95




67/95




68/95


Stvaranje veih motiva iz manjih./je est motiv koji se

stvara ponavljanjem jednostavnih motiva tzv. --petlji.



69/95


Proteinski motivi su osnova za strukturnu klasifikaciju proteina(SCOP).

SCOP je baza podataka u kojoj su svi proteini podijeljeni u 4 klase:

1. sve

2. sve

3. /

4. +U svim proteinima postoji manje od 1000 uzoraka svijanja.

.



70/95


.

Proteini sa signifikantnom slinou primarne sekvence i/ili

dokazivo slinom strukturom pripadaju istoj familiji.

Dvije ili vie familija s malom slinou u primarnoj sekvenci

mogu koristiti iste glavne strukturne motive i tako imati

funkcionalnu slinost. Ovakve familije grupiraju se u

superfamilije.

.



71/95


Proteinski motivi su osnovaza strukturnu klasifikaciju

proteina (SCOP).



72/95




73/95




74/95




75/95


.Proteinske kvaternerne strukture proteu se od jednostavnih dimera

do velikih kompleksa.

Multimer sadri od 2-100 podjedinica.

Oligomer sadri smo nekoliko podjedinica.

Protomer je jedinica koja se ponavlja.

.



76/95


Kvaternerna struktura deoksihemoglobina.



77/95


.Identine podjedinice multimernih proteina aran

irane su uogranieni set simetrinih uzoraka.

Simetrija moe biti rotacijska i heliksna.

Postoje granice u veliini proteina.

Veliina je limitirana sa 2 faktora:

1. kapacitetom nukleinskih kiselina da kodiraju proteine

2. tanou sinteze proteina

.



78/95




79/95




80/95




81/95


Virusni kapsidi. Proteinski omotapoliovirusa ima ikosaedarsku strukturu.



82/95


Virusni kapsidi.

Mozaini virus

duhana imaheliksnu strukturu.



83/95


Gubitak strukture proteina dovodi dogubitka funkcije.

Denaturacijaje naruavanje

trodimenzionalne strukture proteina

koji dovodi do gubitka funkcije.

Denaturacija je i reverzibilan proces

Ponovno uspostavljanje nativne

konformacije uklanjanjem denaturanata

naziva se renaturacija(desno Anfinsenov

eksperiment saribonukleazom).



84/95


Denaturirani protein postoji kao skup djelimino svijenihoblika.

Odvijanje proteina je kooperativni proces.

Toplina djeluje na hidrogenske veze.Ekstremni pH mijenja neto naboj proteina. Dovodi do

elektrostatskih odbijanja icijepanja hidrogenskih veza.

Organska otapala (alkohol, aceton), urea, gvanidin i

deterdenti djeluju na hidrofobne interakcije.



85/95


Polipeptidi se svijaju brzo pomou procesa koji se odvija

korak po korak.

Svijanje je hijerarhijski proces. Prvo se formira lokalna

sekundarna struktura, a zatim interakcijama na veimrastojanjima stvaraju supersekundarne strukture. Proces se

nastavlja formiranjem domena i konano nastaje kompletno

svijeni protein.



86/95


Kompjuterska simulacija svijanja proteina.



87/95


Svijanje zapoinje spontanim kolapsom polipeptida u

kompaktno stanje koje se formira hidrofobnim interakcijama

izmeu nepolarnih ostataka.

Stanje hidrofobnog kolapsa moe imati visok sadraj

sekundarne strukture, ali boni lanci aminokiselina nisu u

potpunosti fiksirani.

Kolapsno stanje esto se naziva molten globule-staljene

globule.



88/95


Termodinamika

proteinskog svijanja

moe se prikazati

pomou tzv. lijevka

slobodne energije.



89/95


Defekti u svijanjuproteina mogu biti

molekularna osnova za

veliki broj genetsih

poremeaja u ljudi.

Cistinu fibrozu izaziva

poremeaj na proteinu

koji se zove CFTR-

transmembranski

regulator provodljivostikoji ima ulogu kanala za

hloridne ione.



90/95


Mutacija koja dovodi do

cistine fibroze jedelecija Phe na poziciji

508 u CFTR. Mutacija

izaziva neadekvatan

folding proteina.Mutacije u kolagenu

dovode do bolesti.

Prionske bolesti nastaju

zbog pogrenog svijanja

prionskog proteina. To

su degenerativne bolesti



91/95


Prionske bolesti nastaju

zbog pogrenog svijanja

prionskog proteina. To

su degenerativne bolestimozga, spongiformne

encefalopatije u koje

spadaju:

kravlje ludilo,Creutzfeldt-Jacobova

bolest, scrapie, kuru.



92/95


Nekim proteinima je potrebna pomoprilikom svijanja.

Molekularni aperoni su proteini koji reaguju sa

djelimino svijenim ili neadekvatno svijenim

proteinima. Takoer se veu za proteine da bi sprijeili

njihovo prijevremeno svijanje. Veu se za nesvijenamjesta bogata hidrofobnim ostacima.

Prva klasa aperona su Hsp 70-heat shock proteini.

Druga klasa su tzv.aperonini. To su proteinskikompleksi neophodni za svijanje elijskih proteina koji

se ne mogu spontano sviti.



93/95


Na slici je

prikazan ciklini

put kojimaperoni veu i

oslobaaju

polipeptide.



94/95


Na slici je

prikazana

uloga

aperonina

u svijanju

proteina.



95/95


Povrina i

uzduni presjek

GroEL/GroES

kompleksa

E.coli.

Documents

3D struktura proteina