Fehérjék felépítése és struktúrája. Aminosav oldalláncok. A fehérjék királis elemekből (α-l-aminosavakból) épülnek fel

Átírás

1 Fehérjék felépítése és struktúrája Aminosav oldalláncok A fehérjék királis elemekből (α-l-aminosavakból) épülnek fel Fehérjék szerkezete Anfinsen dogmája Anfinsen dogmája (vagy: termodinamikus hipotézis) azt állítja, hogy (legalábbis viszonylag kis globuláris proteineknél) a természetes szerkezetet (meghatározott körülmények között (hőmérséklet, koncentráció, egyéb alkotók,...)) csak az adott fehérje aminosav-sorrendje határozza meg. Feltételezi, hogy az egyértelműen meghatározott stabil szabadenergia/szabadentalpia minimum kinetikailag elérhető) Ld. még később! Aminosav (di-, tri-,..., oligo)peptid fehérje Fehérjék szerkezeti adatbázisa: PDB ( Milyenek ezek a szerkezetek? Mi határozza meg, hogy adott szekvencia milyen 3D szerkezetet vesz fel? A fehérjeszerkezet-kutatás útörői: Peptidek szerkezete, konformációja Aminosav (di-, tri-,..., oligo)peptid fehérje A peptidkötés planáris és merev. Mi következik ebből?... és még sokan mások! Kérdés: Mikortól fehérje a fehérje? 1

2 A fehérje lánc peptid-gerinc konformációjának leírása A fehérjét alkotó aminosavak oldalláncainak konformációja Peptid kötés jellemzése Cα atomok Oldalláncok O (peptid karbonil) N (peptid nitrogén) és H (peptid amid hidrogén) Fehérjék szerkezeti szintjei A fehérje peptid gerincének konformációs lehetőségei Elsődleges szerkezet: A fehérjék aminosavak lineáris polimereiből felépülő szerves makromolekulák. Aminosav-sorrend. Másodlagos szerkezet: A másodlagos vagy szekunder szerkezeten a peptidgerinc hidrogénkötések által stabilizált lokális (legalább négy aminosavra kiterjedő) rendezettségét értjük. Harmadlagos szerkezet: A harmadlagos vagy tercier szerkezet egy polipeptidlánc teljes térbeli konformációja. Azaz annak az ismerete, hogy az egyes szerkezeti elemek (aminosavak, atomok) hogyan helyezkednek el a többi szerkezeti elemhez képest. Elsősorban a fehérjék belső hidrofób kölcsönhatásai stabilizálják a szerkezetet. Negyedleges szerkezet: Bizonyos fehérjéket, több peptidlánc (alegység) alkot. Az alegységek egymáshoz viszonyított helyzetét adja meg egyértelműen. Fontos: a fehérjék megfelelő hajtogatódásához gyakran dajkafehérjék (chaperonok) szükségesek. Ramachandran elméleti javaslata a peptidgerinc konformációs lehetőségeire jól egyezik a kísérleti φ, ψ eloszlásokkal A fehérje peptid gerincének konformációs lehetőségei Az α-helix A fehérje szerkezet legfontosabb építőkövei (másodlagos szerkezeti elemei) Az alfa helix (α-helix) egy nagyon gyakori másodlagos szerkezeti elem. Minden peptidgerinc N-H csoport hidrogénkötést létesít a néggyel megelőző aminosav peptidgerinc C=O csoportjával. (i+4 i hidrogén kötés). (Itt: Jobbmenetes) Minden aminosav 100 -os fordulattal és 1.5 Å menetemelkedéssel járul hozzá a helikális szerkezethez 3.6 aminosav (5.4 Å ) egy teljes csavar A másodlagos szerkezeti elemek a minél kisebb sztérikus ütközés és a minél nagyobb energianyereségű láncon belüli kölcsönhatás (+ egyéb potenciális energiát csökkentő kölcsönhatások) optimalizálásának eredményei. 2

3 Az α-helikális szerkezet egy másik ábrázolási módban Helikális szerkezetek dipólusos tulajdonsága: Érdekességképpen: vannak más tipusú helikális szerkezetek is: a 310 és a π-helikális szerkezetek a 310-helix : (itt: Jobbmenetes) i+3 i hidrogén kötés Minden aminosav 120 -os fordulattal és 2.0 Å menetemelkedéssel járul hozzá a helikális szerkezethez a π-helix : (itt: Jobbmenetes) i+5 i hidrogén kötés Minden aminosav 87 -os fordulattal és 1.15 Å menetemelkedéssel járul hozzá a helikális szerkezethez 3 aminosav (6.0 Å ) egy teljes csavar 4.1 aminosav (6.0 Å ) egy teljes csavar Szalagok, redők β-redős szerkezetek A turn -ök (kanyarok): Egy helikális szerkezet (polialanin) eredő dipólusmomentuma. A momentum a vázszerkezetben levő N-H amid és C=O karbonil kötések orientációjából származik A β-kanyarok szerkezete 3

4 Poliprolin helikális szerkezetek és a kollagén: A poliprolin láncok a szomszédos láncokkal létesítenek hidrogénkötéses kölcsönhatást. 3 lánc alkot egy helikális szerkezetet Másodlagos szerkezeti elemek együttesei: Topológiák és motívumok Antiparallel β-redők Antiparalell β redő sematikus topológiai ábrázolással Az aminosav egységek különböző relatív valószínűséggel vesznek részt az egyes másodlagos szerkezeti elemekben És a valóságban, röntgendiffrakciós szerkezetek alapján Szupermásodlagos szerkezet (motívumok) Érdekességképpen: A β-szalagok és α-helikális szerkezeti elemek gyakran ismétlődő (több kísérleti szerkezetben is megtalálható) rendeződési módját motívumoknak nevezzük. Példa: görög kulcs motívum Másik példa: jellyroll motívum (β-redős hajtű összetekeréseként képzelhető el) sematikus topológiás ábrázolása és egy valós példa (PDB #:2BUK) A protein szerkezetekben előforduló motívumok száma sokkal kisebb, mint az aminosav sorrendek változatossága. 4

5 Érdekességképpen: Kevert β-redős és α-helikális szerkezeti elemek; a βαβ-topológia Érdekességképpen: Egy bonyolultabb motívum a TIM hordó, amely nyolc α-helixből és nyolc β szalagból áll. Nevét a triosephosphate isomerase nevű enzimről kapta Helikális szerkezetek Domén szerkezetű fehérjék Egy példa helikális szerkezeti elemek fej-láb elrendeződésére sematikusan és egy kísérleti protein szerkezet (PDB #: 2TMV) alapján A fehérjék gyakran több térbelileg elkülönülő hidrofób centrum köré hajtogatódnak. Egy-egy ilyen centrum köré hajtogatódó protein szerkezeti elemet doménnek nevezünk. Fehérje szerkezetről akkor beszélhetünk, ha van legalább egy hidrofób centruma, azaz legalább egy doménje. Tipikus α-helikális szerkezet a mioglobin. Két jól elkülönülő doménből álló proteinek lehetséges elrendeződései Mozaik fehérjék Példa: Néhány mozaikfehérje Szekvenciájuk és doménszerkezetük alapján moduláris részekből (jól elkülönülő doménekből) összeálló proteinek. Az egyes doméneknek (moduloknak) funkcionálisan is más-más a szerepük. 5

6 Hurkok és végződések; Szerepük gyakran a proteinek közötti kölcsönhatás stabilizálása. Példa: a véralvadás XIII-as faktorának dimerje, ahol az N-terminális aktivációs peptid szerepet játszik a monomerek asszociációjában Néhány egyláncú protein százalékos α-helix és β-szalag konformációtartalma Biokémiai funkció: konvergencia és divergencia Oligomer fehérjék, negyedleges szerkezetek Gyakran nagyon különböző hajtogatódási típusok rendelkeznek ugyanazon funkcióval. Példa: kimotripszin (balra) és szubtilizin (jobbra). Ugyanolyan mechanizmus alapján működő szerin proteázok. Példa funkcionális divergenciára: a szerpin szerkezetek nem mindegyikének van szerin- (vagy cisztein-) proteáz gátló képessége A fehérjék oligomerizálódhatnak, az oligomerizáció többféle módon is lehetséges, a monomer fehérje szerkezetétől függ. Oligomer fehérjék Fehérje negyedleges szerkezetek (példák) Egy példa: (Az asszociációra való képesség kialakulása vagy megváltozása gyakran igen jelentős funkcionális változással jár együtt (pl. sarlósejtes anémia).) 6

7 Proteinek hajtogatódása: Érdekességképen: Anfinsen kísérlete (1961) Anfinsen dogmája Anfinsen dogmája (vagy: termodinamikus hipotézis) azt állítja, hogy (legalábbis viszonylag kis globuláris proteineknél) a természetes szerkezetet (meghatározott körülmények között (hőmérséklet, koncentráció, egyéb alkotók,...)) csak az adott fehérje aminosav-sorrendje határozza meg. Feltételezi, hogy az egyértelműen meghatározott stabil szabadenergia/szabadentalpia minimum kinetikailag elérhető). Fontos: érvényessége az alábbi feltételek függvénye.. 3 feltétel: Unikalitás: Az adott szekvenciához nem tartozik egyéb összemérhetően alacsony szabadenergia/szabadentalpia minimum. Stabilitás: kis perturbáció nem változtat lényegesen a minimum konformáción (keskeny, mély henger, nem lapos tányér ) Kinetikus elérhetőség: Ha van is kinetikus gátja a hajtogatódásnak, annak megfelelően kicsinek kell lennie Christian Boehmer Anfinsen, Jr. (March 26, 1916 May 14, 1995) was an American biochemist. He shared the 1972 Nobel Prize in Chemistry with Stanford Moore and William Howard Stein for work on ribonuclease, especially concerning the connection between the amino acid sequence and the biologically active conformation RNáz A natív állapot többnyire reverzibilisen legombolyítható: denaturálószer hozzáadásával melegítéssel vagy hűtéssel ph változtatásával (savanyítás, lúgosítás) nagy nyomással a diszulfidkötések elhasításával Kicsi, egydoménes fehérjék esetében többnyire: Ribonuclease (commonly abbreviated RNase) is a type of nuclease that catalyzes the degradation of RNA into smaller components. Levinthal paradoxon (Cyrius Levinthal) - elméleti biokémikus Minden peptidegységnek kb. 10 konformációs állapota van 100 aminosavas lánc esetén: variáció 1 konformációs állapot s, tehát s, azaz kb év szükséges a natív állapot eléréséhez (több mint az univerzum életkora) A valóságban 1 másodpercen belül feltekeredik a legtöbb fehérje Az "új szemlélet" A kismolekuláknál megszokott reakciókinetika fogalmai nehézkesen alkalmazhatóak a felgombolyodásra. Heterogén populációk vannak Nincs egyértelmű reakciókoordináta Az új szemlélet kulcsfogalma: energiafelület Feltekeredés Levinthal javaslata: útvonalak: Valóság: tölcsér! A felgombolyodás termodinamikai vagy kinetikai kontroll alatt áll? Válasz: A natív szerkezet termodinamikai kontroll alatt áll (a szabadentalpiafelület globális minimuma). Ezt az állapotot azonban a felgombolyodás során kinetikus kontroll alatt álló intermediereken keresztül éri el a fehérje. Feltekeredés Mindig a globális minimum-e a natív -nak nevezett állapot? Nem. Pl: antithrombin III (SERPIN), de a rendszer ilyenkor is a globális minimum felé tart. Továbbá: Protein konformációs betegségek (protein conformational disorders, vagy protein misfolding diseases), például Alzheimer kór, Parkinson kór, prion betegség,...) 7

8 A fehérjék szerkezetmeghatározásának kísérleti módszerei; röntgen-diffrakció A fehérjék szerkezetmeghatározásának kísérleti módszerei; NMR spektroszkópia A fehérjék szerkezetmeghatározásának elméleti módszere; homológia modellezés Általában elfogadható, ha a szekvenciaazonosság ~30% vagy nagyobb. Szimulált (spontán) hajtogatódás: egy protein (villin; egy actin kötő protein) 36 aminosav egysége hajtogatódásának számítógépes szimulációja random módon generált kezdeti konformációból kiindulva. A protein részlet szimulációját virtuális vizes boxban végezték. A szimulált hajtogatódás kb. 1 μs idő alatt ment végbe. Ehhez azonban félmilliárdszor kellett a mozgásegyenleteket integrálni, azaz a számítás időigénye lényegesen nagyobb volt. Ma már hasonló miniproteinekre sokkal hosszabb szimuláció (1ms) is kivitelezhető, persze igen jelentős számítógépi kapacitást feltételezve. 8