Struktura a funkce biomakromolekul

KBC/BPOL

1. Typy proteinových struktur

Ivo Frébort

Architektura proteinů

Tvar - globulání nebo fibrilární

Úrovně proteinové struktury

Primární - sekvenceSekundární - lokální struktury - H-vazbyTerciární - celková 3-D strukturaKvarterní – podjednotky

Interakce vytvářející jednotlivé úrovně struktur

Primární struktura – kovalentní vazby

Sekundární, terciární a kvarterní strukturyvytvořené slabými interakcemi:

H-vazby, iontové interakce, van der Waalsovy síly, hydrofobní interakce

Interakce vytvářející jednotlivé úrovně struktur

Interakce postranních řetězců aminokyselin

Další chemické skupiny v proteinech

Pokud existuje skupina jiná než aminokyselina důležitá pro funkci proteinu, nazývá seprosthetická skupina

Glykoproteiny, lipoproteiny, nukleoproteiny, fosfoproteiny, metaloproteiny, hemoproteiny, flavoproteiny.

Geometrie peptidové vazby

Roviny peptidové vazby

Stérická omezení pro úhly phi a psi

Překryv orbitalů neumožňuje některé kombinace úhlů phi = 180, psi = 0 phi = 0, psi = 0 phi = 0, psi = 180

G. N. Ramachandran demonstroval význam grafického znázornění těchto úhlů pro známé prosteinové struktury

Stéricky výhodné kombinace jsou základem preferovaných sekundárních struktur

Úhly phi a psi

Ramachandranův diagram

Třídy sekundárních struktur

a-helix Další helixy b-skládaný list b-otočka (b-ohyb, těsná otočka) b-výduť

Všechny tyto struktury jsou stabilizovány vodíkovými vazbami

a-Helix

Strukturu předpověděli Linus Pauling a Robert Corey in 1951

Identifikována v keratinu (Max Perutz) Všudypřítomná složka proteinů Stabilizována H-vazbami Residuí na otočku: 3.6 Stoupání na jedno residuum: 1.5 Å Stoupání na otočku: 3.6 x 1.5 Å = 5.4 Å Smyčka kostry, která je uzavřena vodíkovou

vazbou v alfa helix obsahuje 13 atomů phi = -60 stupňů, psi = -45 stupňů

a-Helix

b-skládaný list

Složený z b-vláken

Také navrhli Pauling a Corey, 1951 Vlákna mohou být paralelní nebo

antiparalelní Stoupání (délka) na residuum:

3.47 Å pro antiparalelní řetězec 3.25 Å pro paralelní řetězec

b-skládaný list

Antiparalelní a paralelní b-skládaný list

Umožňuje otočení směru peptidového řetězce Kyslík karbonylové skupiny jednoho residua je

vázán H-vazbou na amidový proton o 3 residua dále

V těchto strukturách převažují prolin a glycin

b-otočka

b-výduť (bulge)

Způsoby zobrazení proteinových struktur

Fibrilární proteiny

Většina polypetidového řetězce je organizována paralelně k jediné ose

Fibrilární proteiny jsou často mechanicky pevné Fibrilární proteiny jsou často nerozpustné V přírodě zastávají strukturní funkce

a- keratin - součást vlasů, nehtů, drápů, rohů a zobáku Kolagen - klouby, kosti, zuby b- keratin – hedvábí

a- keratin

Sekvence 311-314 amk a-helix segmentů Motiv 7 opakujících se residuí (a-b-c-d-e-f-

g)n, kde residua a a d jsou hydrofobní Umožňuje to spojení řetězců.

Kolagen – trojitý helix

Strukturní jednotka je tropokolagen: Tři polypeptidové řetězce (každý 1000 residuí) MW = 285.000, délka 300 nm, průměr 1.4 nm

Každá třetí aminokyselina je Gly, vysoký obsah Pro Obsahuje neobvyklé aminokyseliny: 3 a 4-hydroxyprolin, 5-hydroxylysin

Prolin a jeho hydroxyderiváty tvoří 30% aminokyselin Neobvyklé složení aminokyselin je nevhodné pro tvorbu alfa helixů a

beta skládaných listů, je však ideální pro trojšroubovici kolagenu: Tři svinutá helikální vlákna, širší než a- helix

stoupání 2.9 Å na residuu 3.3 residuí na otočku dlouhé úseky Gly-Pro-Pro/HyP

Struktura kolagenu

Strukturní základy trojšroubovice kolagenu Každé třetí residuum je směrováno do středu trojšroubovice –

pouze Gly se tam vejde Meziřetězcové H-vazby hydroxyprolinů stabilizují helix Vlákna jsou dále zpevněna interakcemi v rámci řetězce mezi

lysiny a hydroxy-pyridiniovými vazbami mezi řetězci

Kolagenová vlákna Opakující se strukturní motiv 68 nm dlouhý Tropokolagenové jednotky jsou 300 nm dlouhé, existuje 40 nm

mezera mezi sousedícími tropokolageny Tyto mezery obsahují sacharidy a jsou považována za

zárodečná místa pro tvorbu kostí

b-keratin Střídající se sekvence: Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser.... Residua b-skládaného listu jsou střídavě umístěna nad

a pod rovinou, dochází k umístění všech Gly na jednu a Ala a Ser na druhou stranu!

To umožnuje Gly na jedné straně spojení s Gly na straně druhé (stejné platí pro Ala/Ser)

b-keratin

Globulární proteiny Většina polárních residuí směřuje vně proteinu a je v

kontaktu s rozpouštědlem Většina hydrofobních residuí se nachází uvnitř proteinu,

kde dochází k jejím vzájemným interakcím Poměr součtu objemů všech residuí k celkovému objemu je

0.72 až 0.77-- existují prázdné prostory - dutiny

Obojetná helix veflavodoxinu

Nepolární helix vcitrátsynthase

Polární helix vcalmodulinu

Polarita a-helixu

Globulární proteiny- strukturní principy

Složení proteinu není náhodné Strukturní elementy a domény se mohou do určité

míry pohybovat Některé segmenty jsou velmi flexibilní a

neuspořádané Pro pochopení funkce proteinu je důležité znát

způsoby a rychlosti změn

Typy globulárních proteinů Antiparalelní alfa helixy Paralelní a smíšené beta skládané listy Antiparalelní beta skládané listy Metaloproteiny a proteiny obsahující disulfidové

vazby

Antiparalelní a-helixy Nejjednodušší způsob skládání helixů – krátké spojovací

smyčky a antiparalelní struktury Svazek helixů se často stáčí mírně doleva (15 stupňů) Příklady - myoglobin a hemoglobin

Antiparalelní a-helixy

Paralelní a smíšené b-skládané listy

Paralelní b-skládané listy obsahují nepolární residua na obou stranách listu

Obě strany listu musí být chráněny před kontaktem s rozpouštědlem - jedná se o vnitřní struktury

Paralelní b-barely Dvojitě vinuté paralelní b-skládané listy

Paralelní beta barelParalelní b-barel

Dvojitě vinuté paralelní b-skládané listy

Antiparalelní b-skládané listy

Antiparalelní b-skládané listy obsahují nepolární residua pouze na jedné straně listu

Pouze jedna strana musí být chráněna před kontaktem s rozpouštědlem

Antiparalelní b-skládané listy můžou tedy obsahovat pouze dvě vrstvy

Struktury: barel, beta sandwich a listy pokryté helixy na jedné straně

Antiparalelní b-skládané listy: barel

Antiparalelní b-skládané listy: sandwich

Antiparalelní b-skládané listy: list pokrytý helixy

Metaloproteiny a proteiny obsahující disulfidové vazby

Většinou méně než 100 residuí Struktura značně ovlivněna koordinační vazbou

na kov a/nebo disulfidovými můstky Nestabilní když je kov odstraněn nebo disulfid

chemicky redukován

Proteinové moduly Řada proteinů je tvořena jako skládačka dvou či více

modulů (domén) Každý takovýto modul je typickou strukturní jednotkou,

která může být nalezena i v jiných proteinech Někdy jsou moduly použity opakovaně v rámci jednoho

proteinu Použití modulů v přírodě má genetický základ

Proteinové moduly

Proteinové domény v různých organismech

Funkční a evoluční význam domén

fibronectin DNA-binding proteins

Kvarterní struktury

Stabilita: redukce poměru povrch k objemu Efektivita uložení genetické informace Sdružování katalytických míst - kooperativita

Kvarterní struktury: oligomery

Kvarterní struktury: asociace

Kvarterní struktury: imunoglobuliny

Literatura

Garett, R. and Grisham, C.: Biochemistry 2nd ed., Harcourt Brace & Company, Orlando, FL, USA 1999

Alberts, B.: Molecular Biology of the Cell, 5th ed., Garland Science, New York, NY, USA 2008