Fehérjék: tartalomjegyzék

Átírás

1 Fehérjék: tartalomjegyzék 1) Bevezető 2) A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosav sorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) 3) A fehérjék térszerkezet-viszgálati módszerei 4) A fehérjék belső mozgékonysága 5) Bevezetés az enzimek világába - oxidoreduktázok (az alkohol-dehidrogenáz) - transzferázok - hidrolázok (a szerinproteázok, a lizozim) - liázok - izomerázok - ligázok 6) Érdekes fehérjék

2 1) Bevezető - az élő rendszerekben a víz után a fehérje a legelterjedtebb molekulatípus, - a fehérjék lokális koncentrációja igen magas, - sokrétű feladatot látnak el: motorfehérjék, enzimek, antitestek, hormonok, szállítanak, etc. - a sejtben előforduló szinte összes kémiai átalakítást fehérjék végzik RNS vírus: DNS vírus: Baktérium: 1-25 gén gén gén ember (~ bp): gén ~ fehérjét kódol növény: > gén A fehérjék természetes lineáris polimerek: poliamidok

3 Poliamid polimerek: kémiai összetétel Egyetlen amino-karbonsavból is felépíthetünk lineáris poliamid rendszereket: 1 mol e-kaprolaktám poliaddíciós reakciója 1 mol vízzel elindítható, amely e-peptideket eredményez (~260 C /N 2 atmoszféra, 4-5 óra reakcióidő után az ismert műanyagot a poliamid 6-ot vagy más néven a Nylon 6-ot kapjuk).

4 Poliamid polimerek: az amidkötés téralkata A határszerkezetek szemléltetik hogy 2 nemkötő elektronpár 3 centrumra (, C és N) delokalizálódik, így a C-N kötésnek is van kettőskötés jellege, s ezért válik a peptidkötés síkalkatúvá: 6 atom (C a,c, és a C a, N NH,H NH ) egy síkban van. Az amidkötés adatai: Az amid síkalkatú, s ennek következménye, hogy a polipeptidlánc nem teljesen flexibilis. A főláncban az ismétlődő amidokat a C α atomok kötik össze. Az N NH -C α és a C α -C kovalens σ-kötések mentén az elfordulás viszonylagosan szabad, annak mértékét a φ és a ψ torziósszögek nagysága méri. (Az oldalláncok torziósszög értékeit a χ(i) változók rögzítik.)

5 2) A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosavsorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) Az elsődleges szerkezet a fehérjét felépítő aminosavak sorrendje: balról jobbra, az N-terminálistól a C-terminális felé írjuk és rajzoljuk a polipeptidláncot. A kémiai összetételt, azaz az aminosavakat és azok sorrendjét a megfelelő gén(ek) kódolják. H-Thr--His--Ile--Ser--Ser--Ile-Met-Pro-Leu-Glu-H

6 A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosavsorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) A szabályos (periodikus és aperiodikus) valamint szabálytalannak (fokozott belső mozgásúnak leírt, rendezetlennek) mondott fehérjerészek együttese. Elsőként Linus Pauling javasolta az a-hélix és a b-redőzött rétegek megjelölést. E két fajta, valamint a többi tipikus konformációs építőelem a Ramachandranfelület jellegzetes régióiban azonosítható. Meghatározásukhoz gyakran ismétlődő alapalkatok (foldamer) és mintázatok (pl. H-híd) felismerése vezet. a-hélix b-redő -kanyar tipikus peptidkonformerek elhelyezkedése a Ramachandran-felületen: 0 o j,y 360 o intervallum esetén a E=E(j, y) térképen

7 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. Polipeptidek térszerkezete szabályos,tipikus konformerek szabálytalan, atipikus konformerek periodikus, homo-konformerek aperiodikus, hetero-konformerek f(i) = f(i 1) és y(i) = y (i 1) , a-, π- hélix, - b-redőzött réteg, - kollagén-hélix (PPII szerkezet) f(i) f(i 1) és y(i) y (i 1) b-kanyar szerkezetek: - I (és I ) típusú - II (és II ) típusú - VIa (és VIb) típusú - VIII típusú

8 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. - alfa hélix (α-hélix): a természetes L-aminosavak esetében a jobb (csavar)menet téralkat a szokásos (rugó). Itt minden (i+4). amidcsoport H-donor az i. amid C= felé. alfa hélix: Pauling-Corey-Branson C-terminális jobbmenetes a-hélix balmenetes a-hélix N-terminális f(i) = f(i 1) ~ 54º és y(i) = y (i 1) ~ 45º memo: a 2 db a-hélixből feltekeredő coiled-coil szerkezet, balmenetes szupramolekuláris komplexet eredményez. => harmadlagos szerkezet

9 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. Helikális vagy spirális téralkat: lehet jobbmenetes vagy balmenetes 1) ha a spirális szerkezeti elemnek nincs kitüntetett vége (vagy eleje) (pl. rugó) akkor is lehet a tükörképi párja. 2) ha a spirális szerkezeti elemnek van kitüntetett vége (vagy eleje): pl. oszlop (töve és teteje), csavarhúzó (feje), peptid hélix (N- és C-term.) N-term. C-term. A jobbkéz szabály: tehát ez egy jobbmenetes csavar tehát ez egy jobbmenetes a-hélix memo: Jobbkezesek a fehérjékben található a-hélixek,a DNS A és B formái, stb. def.: Nézzük a hélixet a hossztengelye mentén. Ha a helikális elmozdulás, amely a nézőtől távolodik az óramutató járásával megegyező irányú, akkor az a hélix jobbmenetes. (Ezt a hélix típust szokás P-helixnek (plusznak) nevezni.)

10 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. Az a-hélix tipikus geometriai jellemzői: jobbmenetes 3,6 aminosav menetenként 0,54 nm menetmagasság 0,15 nm emelkedés/aminosav periodikus: 5 csavar/18 aminosavrész után d = 1,05 nm R-csoportok a palástra merőlegesen kifelé H-kötések hélix tengellyel párhuzamosak Robert Brainard Corey ( ) Az a-hélix és a b-redő felfedezője Animáció

11 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. A kollagén: (a görög kolla ( enyv ) és gennao ( nemz, létrehoz ) elemekből, tehát enyvképző. a kollagén téralkata: a természetes L-aminosavak esetében az egyes szálak balcsavarmenetűek. Ideális aminosav összetétel: - PG-. X Y Gly X Y Gly Y Gly X Y Gly X Gly X Y Gly X Y a tropokollagén: a három kollagén szál együttese, amely jobbmenetes hélixet eredményez! (1954) f(i) = f(i 1) ~ 60º és y(i) = y (i 1) ~ +135º memo: Testtömegünk közel negyedét ez a fehérje teszi ki; hialuronsavval és kondroitin szulfáttal kiegészülve a bőr, a porc, az ín, az ízület és csont meghatározó komponense. Animáció

12 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. b-redőzött réteg (vagy b-redő) téralkat esetén - antiparallel és - parallel redőket különböztetünk meg. Ezen másodlagos szerkezeti forma a gerincatomok H-hidas összekapcsolódásának következménye, melyben az oldalláncok csak közvetetten vesznek részt s ezért sokfajta aminosav azonosítható a a különböző b-redőkben. (Az oldalláncok a redő síkja alatt és felett helyezkednek el) - az antiparallel redőzött réteg térszerkezet: f(i) = f(i 1) ~ 150º y(i) = y (i 1) ~ +150º Animáció

13 A parallel redőzött réteg térszerkezet: N C a C N H N C a C N H H C a C N H C a C N C a C a C N H C N H Egy érdekes példa: a selyemszál: - aminosav összetétele konzervatív (Gly:Ala:Ser = 3:2:1) - szekvenciális összetétele: Gly Ala Gly Ala Gly Ser - térszerkezete jellegzetes b-szál jellemzői: feszes lánc nem nyújtható hajlékony rétegek elcsúszhatnak selyemfény rétegek fénytörése

14 A másodlagos szerkezeti elemek: a-hélix, b-redő, stb. -a b-kanyar térszerkezet: -a hurkok: i+1 i+2 i i+3

15 A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosavsorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) Egy fehérje harmadlagos szerkezete azonos az azt felépítő egyetlen polipeptidlánc 3D- vagy térszerkezetével. A másodlagos szerkezeti elemek feltekeredése következtében létrejövő téralkat egy időátlagban kvázi azonos konformer. Jellegzetes hidrofób- és ionos (só-híd) kölcsönhatások, illetve a diszulfid-hidak stabilizálják a kialakult 3D szerkezetet. A fehérjék téralkatát stabilizáló 5-fajta kötés: peptidkötés, hidrogén-híd (kötés), diszulfid kötés, ionos kötések, hidrofób erők (kötés)

16 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) Milyen erősek a fehérjéket összetartó kötések és erők? Kovalens kötés Hidrogén-híd Ionos-kötés Van der Waals Hidrofób erők ~100 kcal/mol ~3 kcal/mol ~ 5 kcal/mol ~1 kcal/mol ~3 kcal/mol megosztott elektronok víz-víz teljes töltésátadás fluktuál nem igazi kötés szerves-vizes H-híddal kompetícióban indukált dipól entrópia vezérelt szerves-szerves erős száraz kristályokban csak sztérikus közelség esetén csak vízben hatásos erős gyenge, orientáció érzékeny vízben gyenge gyenge gyenge A biomolekulák harmadlagos szerkezetének kialakítása során a gyenge kötések (kölcsönhatások) összessége igen jelentős.

17 túl közel ideális túl távol taszítás egyensúly vonzás Van der Waals- (hidrofób) potenciál 3 2,5 V/ek r 0 = 2.58 Å - túl távol aszimmetrikusan polarizált elektronfelhők vonzása - túl közel elektronfelhők egymásba hatolása taszítást okoz 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 (r 0 /r) -12 (r 0 /r) (r 0 /r) ,5 3 3,5 4 4,5 5 ideális (van der Waals) távolság -(r 0 /r) -6 r Johannes Diderik van der Waals ( ) -2

18 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) a-domén szerkezetek: négyes hélixköteg (four-helix bundle) citokróm b 562 (a légzési elektrontranszportlánc része) Keratin fibrilláris szerkezeti fehérje a-keratin (haj, gyapjú, köröm) és b-keratin (köröm, kagylóhéj, teknőspáncél) coiled-coil GCN4 transzkripciós faktor Aktin: mikrofilament monomer egysége Miozin

19 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) b-redő topológiák N C aszpartát transzkarbamoiláz enzim C N bab-motívumok flavodoxin (redox fehérje) Greek key motívum C N C N tripszin (vágva) plasztocianin (elektrontranszporter)

20 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) A bab-motívum: C N részlet az alkohol dehidrogenáz enzim szerkezetéből (szalagmodell)

21 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) A globuláris fehérjék térszerkezete igen sokféle.

22 A fehérjék feltekeredése (vízben) A szerkezeti biokémia dogmája Általánosan elfogadott, hogy az aminosav-szekvencia határozza meg a fehérje térszerkezetét. Bizonyíték: denaturációs-renaturációs kísérletek (Anfinsen). A fehérje natív térszerkezete az esetek túlnyomó többségében a globális energiaminimumnak felel meg. Hogyan találja meg a fehérje a natív térszerkezetét? Levinthal-paradoxon: egy polipeptidlánc lehetséges konformációs állapotainak száma csillagászati: (pl. 100 aminosav, 9 gerinckonformer/aminosav: x ) Az ismert fehérjék néhány másodperc (vagy rövidebb idő) alatt feltekerednek: nincs idő a lehetséges téralkatok töredékének kipróbálására sem (világegyetem kora < s) A feltekeredés adott útvonalon (útvonalakon) zajlik, lényeges a lokális kölcsönhatások és az azok révén kialakuló szerkezeti magok szerepe Alapvető feltekeredési modellek: másodlagos szerkezeti elemek kialakulása hidrofób összeomlás feltekeredett (folded) fehérje kitekeredett (unfolded) fehérje feltekeredési mag (folding nucleus)

23 A ribonukleáz redukciója és denaturálódása Chrisian B. Anfinsen 1972 Nobel-díj Ribonukleáz feltekeredése A ribonukleáz renaturálódása feltekeredés folding

24 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) Fehérjék denaturálásához használt reagensek: kaotróp molekulák Fehérjék denaturálásához használt reagensek: az SS- kötések redukciójához

25 A harmadlagos szerkezet (domének és modulok) definíció: 50%-os feltekeredés: amikor a molekulák fele feltekeredett, ám a másik fele kitekeredett marad. memo: nincs félig feltekeredés!!!

26 A harmadlagos szerkezet: a termostabilitás A hődenaturálás: Ubiquitin (76 as., 8,5kDa) DSC: Differential Scanning Calorimetry C p,exp / (mj o C -1 ) T m 50 o C Θ/ o C Az Ubiquitin DSC termogramja alapján a fehérje 40 o C alatt megtartja natív téralkatát, aztán endotermikus konformáció változáson megy át. T m, olvadáspont (~50 o C olvadási hőmérséklet, melting temperature) az a hőmérséklet, ahol egy adott nyomáson a folyadék és a szilárd fázis egyensúlyban van. Ribonukleáz T 1 T m = 47 o C (320K). ph=7 és T=298K a fehérje letekeredéshez szükséges DG mindössze 22.5 kj.mol -1, ami alig több, mint egy erősebb H-híd (DG 20 kjmol -1 ). Hogy lehet ez, amikor ugyanez a fehérje tele van a-hélixszel és b-redővel, amely egy sor H-hidat tartalmaz? Atkins de Paula 118

27 Példa: DG = DH-TDS = = 4 kcal.mol -1 Ribonukleáz T 1 Ha T=298K akkor a fehérje letekeredéshez szükséges DG mindössze 22.5 kj.mol -1, ami alig több, mint egy H-híd (DG 20 kjmol -1 ). Kérdés: Hogy lehet ez, amikor ugyanez a fehérje tele van a-hélixszel és b-redővel, amely egy sor H-hidat tartalmaz? Becsüljük meg a DH-t: ~ 4 menet hélix 3.6*4 ~ 15 a.s ~ 12 H-híd ~ 12*2= 24 kcal.mol -1 ~ 3 hosszabb b-redő 3*8 ~ 24 a.s ~ 22 H-híd ~ 22*2 = 44 kcal.mol -1 Σ DH > 68 kcal.mol -1 Atkins de Paula 118 Becsüljük meg a DS-t: 1) Legyen a fehérje letekeredett állapotában minden aminosavnak 3 lehetséges és egyforma valószínűséggel megjelenő gerinc konformere. Ekkor S = R ln (3 100 ). 2) Ha feltekeredik egy ötös peptid rész (pl. kanyar) és annak már csak 1 lehetséges konformere van, akkor S = R ln (3 95 ) már csak. (A változás Rln(3 5 ) ami szobahőn (T=25 o C) ~ 3.2 kcal.mol -1. 3) Ha az egész feltekeredik, mit 20 db. pentapeptid darab, akkor az S ~ 20* 3.2 = 64 kcal.mol- 1.

28 A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosavsorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) A fehérjék negyedleges szerkezetének kialakulása során több, akár eltérő, akár azonos polipeptidlánc vagy fehérje kapcsolódik össze, s alkot funkcionális egységet. A keletkező dimerek, trimerek, tetramerek stb. akkor nevezzük homo-dimernek, homo-trimernek stb. ha a felépítő egységek azonosak. Ha eltérőek, akkor a hetero- előtagot használjuk. Az IL-8 biológiai szerepe: a legfontosabb a célsejteken (fehérvérsejteken) a kemotaxis kiváltása.

29 A negyedleges szerkezet A hemoglobin térszerkezete és működése: kék: a-alegységek, sárga: b-alegységek, lila: vas centrumok eritrocita, thrombocita, leukocita vörösvérsejt, vérlemezke, fehérvérsejt A hemoglobin a vörösvértest szállító metalo-fehérje, amely az oxigén transzportban vesz részt. (A gerincesekben jellegzetes) Egyetlen Glu Val aminosav csere befolyásolja a hemoglobin tészerkezetét és működését, amely fiziológiás koncentrációban a sarlósejtes anémia betegségéhez vezet. (De a maláriával szemben ellenállóbb a szervezet.) sarló alakú vörösvérsejtek

30 A negyedleges szerkezet Több doménből felépülő fehérjék a működéshez elengedhetetlen a domének kooperativitása sejt-mátrix kapcsolatot kialakító fehérjék (integrinek) aktiválódása során jellegzetes makroszkopikus szerkezetváltozás következik be.

31 Fehérjék: tartalomjegyzék 1) Bevezető 2) A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosav sorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) 3) A fehérjék térszerkezet-viszgálati módszerei 4) A fehérjék belső mozgékonysága 5) Bevezetés az enzimek világába - oxidoreduktázok (az alkohol-dehidrogenáz) - transzferázok - hidrolázok (a szerinproteázok, a lizozim) - liázok - izomerázok - ligázok 6) Érdekes fehérjék

32 3) A fehérjék térszerkezet-viszgálati módszerei Fehérjék analitika és térszerkezet-vizsgálati módszerei: Az atomi szintű szerkezetkutatás legfontosabb eszközei: - NMR-spektroszkópia - röntgen-krisztallográfia - molekula-modellezés

33 A fehérjék térszerkezet-viszgálati módszerei Mit rejt a kristály? Fehérje röntgenkrisztallográfia: kémiai Nobel-díj, 1962 Max Perutz, John Kendrew kristályban az egyes atomok helye térben jól meghatározott részletgazdag térszerkezet

34 A negyedleges szerkezet Mit rejt az oldat: NMR-spektroszkópia Fehérje NMR: kémiai Nobel-díj, 2002 Kurt Wüthrich anyagszükséglet: 1 mm vizes oldatból μl szerkezeti sokaság

35 4) A fehérjék belső mozgékonysága A makroszkopikus mozgás mikroszkopikus háttere: a táncrend 10 cm 0,1 mm szervezet sejtek 1 nm 0,1 m fehérjemolekulák sejtalkotók

36 A fehérjék belső mozgékonysága Minden fehérje határozott, belsőleg kódolt mozgékonysággal rendelkezik: szinkronizáltabb mozgás, rendezettebb téralkat szinkronizálatlan mozgás, rendezetlenebb téralkat memo: egymásba ágyazott, eltérő időskálájú mozgások ~ 1s 10 5 s ~ 1h s ~ 1év

37 A fehérjék belső mozgási időskálája hurkok és kanyarok záródása 0.1ms 10ms másodlagos szerkezeti elemek 10ns 1ms feltekeredés 1ms 1h H/D R ex Rot. Dif. korrel. idő 1ns<t c < 10ns gerinc dinamika 1ps 10ns t lokális aggregáció 1 s 1 év t effektiv = t C +t lok. oldallánc forgás 0.1ps 10 ps

38 Fehérjék: tartalomjegyzék 1) Bevezető 2) A fehérjék szerkezeti hierarchiája: - elsődleges szerkezet (aminosav sorrend) - másodlagos szerkezet (a-hélix, b-redő, stb.) - harmadlagos szerkezet (domének és modulok) - negyedleges szerkezet (alegység-struktúrák) 3) A fehérjék térszerkezet-viszgálati módszerei 4) A fehérjék belső mozgékonysága 5) Bevezetés az enzimek világába - oxidoreduktázok (az alkohol-dehidrogenáz) - transzferázok - hidrolázok (a szerinproteázok, a lizozim) - liázok - izomerázok - ligázok 6) Érdekes fehérjék

39 5) Bevezetés az enzimek világába energia a sejtben előforduló szinte összes kémiai átalakítást biológiai katalizátorok, az enzimek végzik! - a legtöbb enzim fehérje - az átalakítás sebessége akár szeres lehet a biokatalízis hatására. - így lehetséges, hogy a reakciók végbemennek már 37 o C-on és neutrális ph-n. specificitás: az enzim nagy affinitással kötödik mind a saját szubsztrátjához, mind a termékhez. (E. Fischer kulcs-zár modell megalkotása.) memo: Arrhenius egyenlet (a sebességi egyenlet T függése): k= A exp ( E a /RT) E a k növekvő E a Tipikus enzimreakció: Keeler 138 reakció koordináta T(K) enzim + szubsztrát enzim-szubsztrát komplex enzim + termék A reakció helye: az aktív hely ( centrum ), ahová a szubsztrát tipikusan nem-kovalans kötésen keresztül kötődik. Az enzimreakciók leggyakrabban teljesen sztereospecifikusak.

40 Bevezetés az enzimek világába példa: egy lipáz enzimmel történő észterhidrolízis: alapreakció: a lipáz enzimek a zsírsavészterek szelektív hidrolízisében vesznek részt. A glicerin rész megfelelő pontján hidrolizálnak: sztereospecificitás: legyen az észter királis és használjunk egy racemátot megfigyelés: az egyik enantiomer észter elhidrolizál, a másik nem vagy csak nagyon lassan. (a jelenség neve: kinetikus rezolválás) F racemát észter kiindulási anyag C Et H lipáz H F C C Et (R)-(+)-2-fluorhexánsav-etil-észter >99% enantiomer túlsúly H magyarázat: (S)-(+)-2-fluorhexánsav >69% enantiomer túlsúly - a lipáz aktív zsebébe nem fér be az (R)-enantiomer, ezért az visszamarad és a hidrolízis során 99%-ig dúsul, - míg az (S)-(-)-sav éppen 69%-ban keletkezik. F H Et

41 Geometriai specificitás megadja, hogy mennyire szigorúan csak egyetlen szubsztrátot fogad el az enzim: pl: 1) Karboxipeptidáz A a polipeptidlánc C-terminálisáról lehasít egy aminosavat, ha az nem Arg, Lys, Pro és a megelőző aminosav nem Pro. 2) kimotripszin: észtert is, amidot is hidrolizál. R N H peptid R' + H 2 kimotripszin R + H 3 N + R' Inhibitor: molekula, amely az enzimműködésre negatívan hat, azt gátolja. Kompetitív inhibitor: amelyik a szubsztráttal versenyez az aktív helyért vagy annak bekötését oda gátolja. R N H R' + H 2 Kofaktor: nem-fehérje jellegű, de az enzimhez ideiglenesen kötött molekula/ion, olyan amelyik a katalízist segíti (apoenzim [fehérje] + kofaktor = holoenzim) Koenzim: (spec. kofaktor): olyan segédmolekula, mely nincs permanensen az enzimhez kötve pl. NAD Prosztetikus csoport: (spec. kofaktor): olyan molekula, amely permanensen az enzimhez van kötve pl. Fe-S centrum, hem, stb. memo: sok vízoldható vitamin koenzim prekurzor: nikotinsav NAD, pantoténsav CoA észter Fe 2+ kimotripszin R H + H R' H Koenzim A N niacin

42 Szerinproteázok (sok egymással nem - feltétlenül - rokon fehérje) A fehérjék lebontó enzimek (proteázok): pl. kimotripszin, tripszin és elasztáz (Azért szerinproteáz, mert van benne egy a katalízis szempontjából döntő fontosságú Ser.) A Kimotripszin: specificitása: főleg Trp, Tyr, Phe, de Leu, Met után is hasítja az amidkötést memo: észtereket is hidrolizál memo: a tripszin más specificitású: Arg vagy Lys után hasít. Az inaktív kimotripszinogénből (245 as.) két dipeptid kihasadása és egy refolding során képződik az enzim. A konformációs átrendeződés eredményeként sztérikusan közel kerül a katalitikus triád 3 eleme. A katalitikus triád: Asp His Ser

43 Szubsztrátkötő hely Aktív hely, benne a katalitikus triáddal oxianion üreg ez a peptidkötés fog elhasadni szubsztrátkötő zseb egy aromás (R1) csoporttal rendelkező szubsztrát N- terminális része

44 Proteolízis, biodegradáció: Amid-hidrolízis elemi (szereves kémiai) reakciólépései: - nukleofil addíció, - elimináció. A deprotonált aszpartát az imidazol protonját vonzva, növeli az imidazol másik nitrogénjének protonvonzó képességét, minek hatására a Ser oldalláncának H- kötése lazul, s így az oxigén jobb nukleofil lesz! memo: lombikban, vízben az amidkötés nem hidrolizál, felezési ideje években mérhető, pedig a H 2 kb. olyan nukleofil mint a H- CH 2 - Ser oldallánca. (lásd peptidek 5-6 oldal)

45 Asp 102 H 2 C C H H 2 Az aktív hely regenerálódása N His 57 CH 2 N H R H N C Ser 195 CH 2 R acilezett szerin memo: a hasítandó peptid időlegesen kovalensen kötődik az enzimhez: C-terminális acilezi a Ser oldalláncát (észter), míg az elhasított amidkötés N-terminális része távozik az aktív centrumból. Asp 102 H 2 C C H N His 57 CH 2 Ser 195 RNH 2 N H CH 2 H C R acilezett szerin memo: észter hidrolízise, Ad Nu

46 Asp 102 H 2 C C H N His 57 CH 2 N H Ser 195 CH 2 tetraéderes intermedier H C R Asp 102 H 2 C C H N His 57 CH 2 N H Ser 195 CH 2 regenerált aktív centrum memo: lehet készíteni olyan enzimet, amelyik a fordított folyamatot katalizálja. karbonsav termék H C R Feltehetőleg a riboszómán a fehérjeszintézis során (RNS-részek közreműködésével) ilyen fordított folyamat zajlik.

47 Összefoglalás: A kimotripszin irreverzibilis inhibitora: pl. DIPF

48 Lizozim: egy tipikus enzimműködés (Lysozyme:= lyse: felold + enzyme) A Lizozim feloldja (kilukasztja) a baktériumok sejtfalát: katalizálja a sejtfal poliszacharid egy adott részének hidrolízisét. Nag-Nam-Nag-Nam-Nag-Nam Alexander Fleming 1922-ben megfázott H H R 1 R 2 R 1 R 3 A B H C R 3 D H E R 3 F R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 H HCH 2 H H H NHCCH 3 b-d-n-acetil-glükozamin (Nag) R 1 = CH 2 H R 2 = NHCCH 3 R 3 = CH(CH 3 )CH H HCH 2 R H R: CH 3 H CH NHCCH 3 b-d-n-acetil-muraminsav (Nam)

49 A Lizozim biokatalizált glikozidkötés hidrolízisének molekuláris háttere: 1) A D-E glükopiranóz gyűrűk elhidrolizálása: David Chilton Phillips memo: a D-gyűrű a bekötés következtében konformációsan eltorzul, a térszerkezet feszült lesz. 2) A molekuláris felismerés és a hexaszacharid (zöld) megkötésének atomi részletei:

50 3) A hidrolízis legvalószínűbb mechanizmusának kétfajta bemutatása: memo: a természetes védekezésünk fontos enzimje tehát a Lizozim, amely patogének (pl. Salmonella, E.coli vagy Pseudomonas) ellen nyújt védelmet.

51 Alkohollebontás (oxidoredukció, aromatizáció): A NADH egyensúlyi reakciója az acetaldehidet etil-alkohollá redukálja. A működés lépései és leírása: 1) A NADH és az aldehid megkötődik, utóbbit a Zn 2+ koordinálja, 2) a nikotinsavamid nitrogénjének nemkötő elektronpárja delokalizálódik, a dihidropiridin gyűrű aromássá válik az egyik C4-es hidrogénatomot anionként leadva. (oxidáció) alkoholdehidrogenáz enzim (NADH + inhibitor komplex) 3) A hidridion redukálja az acetaldehidet, majd a képződő alkoholát anion protonálódik. A cink mint Lewissav fokozza a karbonil-szén pozitív polározottságát, s így annak elektrofil jellegét. méregtelenítés: ha nagy az alkoholkoncentráció, akkor az egyensúlyi reakció megfordul és az etilalkohol acetaldehidé oxidálódik, amely mérgező és a vegyület a másnaposság legfőbb oka.

52 az alkohol-dehidrogenáz enzim apoenzim + koenzim + inhibitor (80 kda dimer, az emberben legalább 6 variánsa van, előfordulás, máj és gyomor) memo: Miért mérgezők az alkohol végzetes adalékai: metanol, etilénglikol? NH 2 H feladatuk: - egyensúlyt tartani az alkoholok aldehidek és ketonok között. N N N N H H H H P H P H 2 N H H N H H - méregtelenítés (emlősben): a toxikus alkoholból aldehidet csinál - fermentálás (baci és élesztő): aldehidből alkoholt készít (redukció) A NAD+ (Nikotinsavamid-adenin-dinukleotid) (az élő sejt egyik oxidáló vagy dehidrogénező szere)

53 A kulcs & zár modell (Emil Fischer) Hogyan tervezzünk hatóanyagot vagy gyógyszert? Minél többet meg kell tudnunk a fehérjék dinamikus téralkatáról, annál nagyobb a sikeres tervezés esélye!

54 6) Érdekes fehérjék Újrahasznosítás: mit őrizzünk meg és mit dobjunk ki? Az Ubiquitin Számos sejten belüli folyamat szabályzó és kontroláló fehérjéje a viszonylag kicsi, egy doménből felépülő Ubiquitin. Az evolúció során nem változott: az élesztőben vagy a humán sejtekben rendre ugyanúgy néz ki. Legfontosabb feladata, hogy megjelölje a valamilyen okból sérült fehérjéket, amelyeket később a sejt felismer, majd lebont. A lebontott fehérjék aminosavai újrahasznosításra kerülnek, új peptidek vagy fehérjék épülnek fel belőlük. (Nincs hulladék!)

55 Érdekes fehérjék Sejten belüli kommunikáció és információ-feldolgozás A TNF-a: tumor nekrózis faktor-a A sejtben sok molekula feladata a jelátadás vagy a jelfeldolgozás; melyre jó példa a TNF-a. lyan esetekben, amelyekben az organizmust külső támadás éri (pl. baktériumok) az immunsejtek TNF-a-t termelnek és bocsájtanak ki. A TNF-a túltermelődése a tumoros megbetegedés egy jele.

56 Érdekes fehérjék An army of emergency doctors cares for the health of the proteins in each cell Legend: The small heat shock protein a chaperone ne of the most severe dangers for a cell is the loss of the 3-dimensional structure and function of its proteins. This so-called denaturation can be caused by various influences, among them aging or heat. Denaturation is also the reason why egg white becomes turbid when cooked. Special proteins, the chaperones, rescue denatured proteins by re-folding them. Chaperones thus are the molecular emergency doctors of the cell.

57 Érdekes fehérjék Staples hold our body together Legend: Cadherin ur body consists of trillions of cells that all work together to keep us alive. Between the cells there is a complex network of molecular cables and connection proteins that keep the cells together. They prevent our body from falling apart. Cadherin is one of these connection proteins. It is a long protein that staples together the membranes of two adjacent cells.

58 Érdekes fehérjék A molecular drill P22 tailspike protein. The semi-transparent surface shows the global shape of the protein. Viruses can infect not only higher organisms, such as birds or humans, but also bacteria. Viruses of this type are called bacteriophages, or phages for short. The bacteriophage P22 infects salmonella that cause, e.g., typhus. In order to infect bacteria, phages have a special injection machine that drills through the membrane of the bacterium. These are the so-called tailspike proteins.

59 Érdekes fehérjék A bacterial defense against antibiotics (b-lactamase/inhibitor complex) In the past years, alarming news about antibiotics-resistant bacteria repeatedly appeared in the media. The enzyme beta-lactamase is one of the main defense mechanisms of bacteria against the class of beta-lactam antibiotics such as the well-known penicillin. These antibiotics have a chemical ring structure called beta-lactam. Beta-lactamase cleaves this ring and hence deactivates the anti-bacterial activity of antibiotics.

60 Érdekes fehérjék How is oxygen transported from the lungs to the cells and why is blood red? Legend: Hemoglobin and its pigment heme (in pink) In our blood, hemoglobin is responsible for transporting oxygen. It consists of four proteins and the red pigment heme. Hemoglobin thus is the reason for the red color of blood. In the lungs, the hemoglobins are loaded with oxygen, which they then transport to the cells of our body. The image shows an enlarged detail of hemoglobin with the oxygen-carrying pigment heme shown in pink.

61 Érdekes fehérjék Why are we hung over after a night of excessive drinking? Legend: Alcohol dehydrogenase Alcohol dehydrogenase is responsible for the degradation of alcohol in our liver. Each molecule of alcohol that we drink ends up in the liver, where it is broken down to acetaldehyde by this protein. The degradation product is, however, even more toxic than alcohol itself, and it causes headaches and digestion problems. Fortunately our liver also has a protein that degrades the toxic acetaldehyde. This protein, however, works slower than its colleague alcohol dehydrogenase, providing one of the limits to our drinking capabilities.

62 Érdekes fehérjék Where poisons attack us Legend: The star-like structure of the nicotine-acetylcholine receptor Nicotine-acetylcholine receptors (AChR) are, e.g., responsible for muscle contraction. In addition, they also play essential roles in the processes of thinking and learning in our brain. AChR are the target of many naturally occurring poisons such as, e.g., nicotine, which leads to the production of adrenaline, or snake and spider venoms that paralyze the muscles. Also synthetic poisons such as the lethal nerve gas Sarin, or clinically used painkillers and anesthetics act through AChR. szarin

63 Érdekes fehérjék Arteriosclerosis: touchy giant proteins transport fat Legend: Two units of apolipoprotein B100 interact In our blood, cholesterol is transported in so-called LDL particles. LDL particles contain several lipids (fats) as well as a lipid membrane. They are kept together by apolipoprotein B100, one of the largest proteins known. The lipids, as well as apob, are very sensitive to oxidation. When oxidized, LDL particles can stick together and deposit on the interior walls of the blood vessels. The result is one of the most frequent causes of death in the western world: arteriosclerosis.

64 Kinesin (a motor protein) pulling some kind of vesicle along some kind of cytoskeletal filament

65 A DNS-töl a fehérjéig: Fehérjék élete / funkciója: Fehérje lebontás: Sejtalkotók, működésük: