Proteini su najraznolikije makromolekule u ivim sustavima i ukljueni su u gotovo sve bioloke procese Proteini su linearni polimeri izgra eni od monomera koje nazivamo aminokiseline Slijed aminokiselina odre uje strukturu, te time i funkciju proteina Proteini sadravaju irok raspon funkcionalnih skupina Alkoholnu, tiolnu, tioetersku, karboksilnu, bazine, itd. Me usobnim interakcijama, ili interakcijama s drugim tipovima molekula proteini tvore sloene strukture Makromolekularni strojevi Neki su proteini vrlo kruti, dok drugi imaju odre enu fleksibilnost

STRUKTURA I FUNKCIJA PROTEINA

Struktura odre uje funkciju

Aminokiseline su gradivni elementi proteina

Proteini sustava za replikaciju DNA obuhvaaju dvolananu DNA i omoguuju kopiranje velikih segmenata DNA bez disocijacije sustava za replikaciju od DNA

U proteinima nalazimo samo L-aminokiseline

U neutralnom pH aminokiseline su predominantno u zwitterionskom obliku

Proteini su izgra eni od 20 razliitih aminokiselina

1

pKa vrijednosti ionizirajuih skupina u bonim ograncima aminokiselina

Aminokiseline na Internetu

Strukture aminokiselina http://www.kumc.edu/biochemistry/bioc800/aaframe.htm (kopija) 3D strukture aminokiselina http://chemistry.gsu.edu/glactone/PDB/Amino_Acids/aa.html (kopija) Test poznavanja struktura i oznaka aminokiselina http://www.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/aaIDCQz/aaQCMain.htm

Proteini nastaju kovalentnim povezivanjem aminokiselina

Za stvaranje peptidne veze potreban je ulog slobodne energije (spontani smjer reakcije je hidroliza), no jednom stvorena peptidna veza je kinetiki vrlo stabilna (poluivot peptidne veze u vodenim otopinama je gotovo 1.000 godina).

Polipeptidi su usmjerene molekule

Polipeptidni lanci imaju konstantni dio koji nazivamo okosnica i varijabilni dio kojeg tvore razliiti boni ogranci (R)

proteinima nazivamo polipeptide due od 50 aminokiselina prosjean Mr aminokiseline je 110, to znai da je Mr veine proteina izme u 5.500 i 220.000 masu proteina obino izraavamo u daltonima

1 d = 1 g mol-1Prema konvenciji amino-kraj (N-kraj) je poetak proteina i slijed aminokiselina uvijek piemo od N-kraja prema C-kraju Mr = 100.000 = 100 kd

2

U nekim su proteinima linearni polipeptidni lanci ukrieno povezani disulfidnim vezamaDisulfidne veze nastaju oksidacijom para cisteinskih ostataka pri emu nastaje cistin

Svaki protein ima jedinstveni slijed aminokiselina koji je odre en njegovim genom 1953. godine Frederick Sanger je odredio slijed aminokiselina u inzulinu Do danas su poznati sljedovi vie od 100.000 proteina Promjene u slijedu aminokiselina mogu rezultirati poremeenom funkcijom proteina i biti povezane s razliitim bolestima

srpasta anemija, cistina fibroza

Izvanstanini proteini obino imaju nekoliko disulfidnih veza, dok ih unutarstanini proteini obino nemaju

Planarnost peptidne veze ograniava fleksibilnost polipeptidnih lanaca

Peptidna veza ima karakter djelomine dvostruke veze te se stoga atomi ugljika, kisika, duika i vodika koji je izgra uju nalaze gotovo u istoj ravnini

Rotacija peptidne veze mogua je samo oko C- N veze () i C -Cc veze ()

Ramachandranovi dijagrami prikazuju doputene i nedoputene vrijednosti i

Najvei broj kombinacija i nije doputen zbog sterikih smetnji (dva atoma ne mogu biti na istom mjestu)

3

Mali broj aminokiselina izgra uje velik broj vrlo raznolikih proteina

Razine strukture proteina PRIMARNA STUKTURA slijed aminokiselina u polipeptidnom lancu

SEKUNDARNA STRUKTURA lokalna prostorna organizacija atoma okosnice polipeptidnog lanca neovisna o konformaciji pobonih lanaca

TERCIJARNA STRUKTURA trodimenzionalna struktura itavog polipeptidnog lanca

KVARTARNA STRUKTURA prostorni raspored vie polipeptida (podjedinica) koje tvore protein

Razine strukture proteina

-uzvojnica je zavojita struktura stabilizirana vodikovim vezama unutar polipeptidnoga lanca

U -uzvojnici C=O skupina aminokiseline n tvori vodikove veze s N-H skupinom aminokiseline n+4

Feritin je protein koji pohranjuje eljezo, a izgra en je veinom od -uzvojnica

Boni ogranci aminokiselina ne sudjeluju stabilizaciji sekundarnih struktura.

u

4

Dvije -uzvojnice mogu se omotati jedna oko druge u pletenastu strukturu (engl. coiled coil )

Drugi esti oblik sekundarne strukture je -nabrana ploa

Pletenaste strukture nalazimo u miozinu i tropomiozinu u miiima, fibrinu u ugrucima, keratinu u kosi, intermedijarnim vlaknima citiskeleta, itd.

U -nabranoj ploi boni ogranci aminokiselina (zeleno) nalaze se naizmjence iznad i ispod ravnine ploe

-nabranu plou i -uzvojnicu predloili su Linus Pauling i Robert Covey 1951. godine. -uzvojnicu su otkrili prvu, pa su je nazvali , a -nabranu plou drugu, pa su je nazvali

-nabranu plou stabiliziraju vodikove veze izme u polipeptidnih lanaca

Paralelna -nabrana ploa

Polipeptidni lanci koji tvoje -nabranu plou mogu biti paralelni ili antiparalelni. U antiparalelnoj ploi dvije vodikove veze povezuju nasuprotne aminokiseline u susjednim lancima

U paralelnoj -nabranoj ploi svaka je aminokiselina povezana vodikovim vezama s po dvije aminokiseline u susjednom lancu

-nabrane ploe mogu biti kombinacija paralelnih i antiparalelnih lanaca

-nabrane ploe vaan su strukturni element mnogih proteina

Protein koji vee masne kiseline izgra en je preteito od -nabranih ploa

5

Proteinski lanci mogu mijenjati smjer tvorei okrete unazad (engl. reverse turn) i ome (engl. loop)

Mioglobin je prvi protein kojem je odre ena tona prostorna struktura (tercijarna struktura)

C=O skupina aminokiseline i tvori vodikove veze s N-H skupinom aminokiseline i+3 i tako stabilizira okret unazad.

Crveno su prikazane ome na povrini dijela imunoglobulina. Zbog svoje varijabilne strukture one mogu stupiti u specifine interakcije s razliitim antigenima.

Prostornu strukturu proteina mogue je utvrditi kristalografijom (difrakcija X-zraka na kristalu proteina) ili nuklearnom magnetnom rezonancijom (NMR) proteina u otopini.

Proteini topljivi u vodi smataju se u kompaktne tercijarne strukture s nepolarnom sri

Neki membranski proteini imaju izvrnutu strukturu s hidrofobnim aminokiselinama na povrini, a hidrofilnim u unutranjosti

Struktura mioglobina s nabijenim aminokiselinama prikazanim plavo, a hidrofobnim uto.

Presjek kroz strukturu na kojem se jasno vidi da su hidrofobne aminokiseline smjetene preteito u unutranjosti proteina

Hidrofilni kanal ispunjen vodom

Povrina je uglavnom hidrofobna

Neki proteini izgra eni su od vie kompaktnih domena povezanih fleksibilnijim dijelovima lanca

Polipeptidni lanci mogu se povezivati u sloene kvartarne sturkture

Povrinski protein CD4 sastoji se od 4 vrlo sline domene od po priblino 100 aminokiselina.

Vrlo sline domene esto nalazimo u jako razliitim proteinima to upuuje na injenicu da proteini evoluiraju kombiniranjem domena.

Cro protein bakteriofaga je dimer dvije identine podjedinice

6

Hemoglobin je tetramer dvije identine podjedinice (crveno) i dvije identine podjedinice (uto)

Kvartarne strukture mogu biti vrlo sloene

Omota rhinovirusa sastoji se od po 60 kopija svake od tri podjedinice (prikazanih crveno, plavo i zeleno)

Proteini su vrlo raznoliki

Slijed aminokiselina u proteinu odre uje njegovu prostornu strukturu

Klasini pokusi koje je 1950-tih proveo Christian Anfinsen na enzimu ribonukleazi pokazali su da primarna struktura enzima sadrava svu informaciju potrebnu za smatanje u aktivnu tercijarnu strukturu.

Denaturirana ribonukleaza nema enzimsku aktivnost

Polaganim uklanjanjem ureje i -merkaptoetanola ribonukleaza se renaturira i ponovo postaje aktivnaSlijed aminokiselina ribonukleaze spontano zauzima katalitiki aktivnu prostornu strukturu (renaturacija). Ako je ribonukleaza prvo oksidirana, a zatim renaturirana, aktivnost je bila svega 1% zbog nasuminog stvaranja disulfidnih veza (8 cisteina se mogu na 105 naina povezati disulfidnim vezama). Mnogi se proteini mogu spontano renaturirati, no nekima je za zauzimanje pravilne tercijarne strukture potrebna pomo aperona.

8 M ureja -merkaptoetanol

nativna ribonukleaza

denaturirana reducirana ribonukleazasuviak -merkaptoetanola mala koliina -merkaptoetanola

ureja

gvanidij-klorid

U 8 M ureji (ili 6 M gvanidij-kloridu) proteini zauzimaju konformaciju nasuminog klupka (denaturiraju se). -merkaptoetanol reducira cistine u cisteine te tako kida disulfidne veze.

nativna ribonukleaza

7

Neke aminokiseline ee se nalaze u obliku -uzvojnice, -nabrane ploe ili okreta unazadaminokiselina -uzvojnica -nabrana ploa okret

Preferencija pojedinih aminokiselina za odre ene strukture nije apsolutna i isti sljedovi aminokiselina mogu biti u razliitim konformacijamaSlijed aminokiselina VDLLKN (crveno) u jednom proteinu moe biti dio -uzvojnice, a u drugom dio -nabrane ploe. Kontekst u kojem se odre ene aminokiseline nalaze odre uje koju e konformaciju zauzeti. Predvi anje tercijarne strukture iz slijeda aminokiselina jo uvijek je velik izazov. Prionske bolesti (Creutzfeld-Jacobova bolest, kuru, bolest ludih krava) su primjer to se moe dogoditi ako protein zauzme pogrenu konformaciju. PrPC je normalni stanini protein, no ako se njegova konformacija promijeni u prionsku (PrPSC) stvara velike agregate koji su povezani s razvojem bolesti.

Smatanje proteina je vrlo kooperativni proces

Posttranslacijske modifikacije proteina omoguavaju stjecanje novih svojstava

Hidroksiprolin

-karboksiglutamat

veza eer-aspartat

fosfoserin

Hidroksiprolin stabilizira vlakna kolagena. U nedostatku C vitamina hidroksilacija prolina nije dostatna to rezultira pojavom skorbuta.

Modifikacija glutamata u protrombinu u -karboksiglutamat nuna je za zgruavanje krvi. U nedostatku vitamina K glutamat se ne modificira u -karboksiglutamat to onemoguava zgruavanje krvi i rezultira krvarenjem.

Proteini se smataju progresivnom stabilizacijom intermedijarnih struktura.

Preure enje i oksidacija slijeda Ser-TyrGly omoguava fluorescenciju zelenog fluorescentnog proteina (GFP)

Struktura i funkcija proteina Proteini su izgra eni od 20 aminokiselina Primarna struktura proteina je slijed aminokiselina povezanih peptidnom vezom Najee sekundarne strukture su -uzvojnica, -nabrana ploa, okreti i ome Tercijarna struktura je raspored atoma proteina u prostoru. Proteini topljivi u vodi imaju kompaktne strukture s hidrofobnom sri Polipeptidni se lanci mogu povezivati u viepodjedinine strukture (kvartarna struktura) Slijed aminokiselina u proteinu odre uje njegovu trodimenzionalnu strukturu

Samo jedna od etiri stanice embrija eksprimira GFP i stoga fluorescira zeleno.

8

Hemoglobin (Hb) prenosi kisik iz plua u tkiva topivost kisika u plazmi je svega oko 0.0001 M u punoj krvi ak 0.01 M

Struktura feroprotoporfirina IX (hema)

33% ukupne mase eritrocita tetramerni protein, 2 podjedinice, 2 podjedinice svaka podjedinica sadri po jedan hem (feroprotoporfirin IX) s po jednim atomom eljeza podjedinice i su sline i obje evolutivno potjeu od mioglobina

Vezanje kisika na hemoglobin je kooperativno vezanje jedne molekule kisika potie vezanje ostale tri molekule dolazi do konformacijske promjene u molekuli hemoglobina

Pri oksigenaciji hemoglobina dolazi do konformacijske promjene

sigmoidalna krivulja vezanja omoguava transport bitno veih koliina kisika u tkiva mioglobin ne pokazuje kooperativnost vezanja (monomerni proteini ne mogu biti kooperativni)

Pri oksigenaciji hemoglobina dolazi do konformacijske promjene

Krivulje disocijacije O2 s Mb i Hb

9

Kooperativnost je nuna za uinkoviti transport

Transport CO2 i Bohrov uinak hemoglobin igra vanu ulogu u transportu CO2 veina CO2 u tkivu je u obliku H2CO3 sintetizira ga karboanhidraza (CO2 je vrlo slabo topljiv) H2CO3 disocira na H+ i HCO3 vezanje H+ na Hb potie otputanje kisika i istovremeno stabilizira HCO3-

oksigenacija Hb u pluima (visok pO2) i promjena konformacije praeni su otputanjem 0.6 H+ za svaki O2 H+ vee se na HCO3-, daje H2CO3 koji disocira na CO2 i H2O

Bohrov uinak omoguava dodatni dotok kisika miiima kiselina stvorena u miiima potie osloba anje kisika

Bohrov uinak (utjecaj pH na disocijaciju O2 s Hb)

Protoniranje His146 omoguuje stvaranje dodatne vodikove veze to stabilizira deoksihemoglobin

Veina CO2 transportira se u plua u obliku bikarbonatnog iona

Uinak 2,3-bisfosfoglicerata (BPG) BPG stabilizira strukturu deoksihemoglobina vrsto se vee na deoksi-Hb a slabo na oksi-Hb

pomie krivulje vezanja kisika prema viim parcijalnim tlakovima uinak BPG je kljuan za fizioloku ulogu Hb uz BPG u kapilarama se osloba a oko 40% kisika bez BPG gotovo sav kisik ostao bi vezan za Hb

poveanje koncentracije BPG u eritrocitima omoguava brzu prilagodbu manjoj koliini kisika u zraku

10

2,3-BPG stabilizira strukturu deoksihemoglobina

Uinci bisfosfoglicerata (BPG) i CO2

Porast koncentracije bisfosfoglicerata omoguava prilagodbu niim koncentracijama kisika

Fetalni hemoglobin vre vee kisik od hemoglobina odraslog ovjeka zbog nieg pH fetalne krvi i potrebe za otimanjem kisika iz krvi majke tijekom fetalnog razvoja javlja se drugaiji hemoglobin koji ima vei afinitet za kisikom tijekom prvih nekoliko mjeseci fetalnog razvoja hemoglobin je oblika i 22 podjedinica progresivno zamjenjuje podjedinicu, a podjedinica podjedinicu tako da je fetalni hemoglobin predominantno 22 priblino mjesec dana prije poroda javlja se i podjedinica koja postepeno zamjenjuje podjedinicu tijekom sljedeih nekoliko mjeseci

Fetalni hemoglobin nema His143 u lancu to uklanja dva pozitivna naboja i smanjuje afinitet za 2,3-BPG

11