Struktura a funkce biomakromolekul

Struktura a funkce biomakromolekul KBC/BPOL

1. Typy proteinových struktur Ivo Frébort

Architektura proteinů 

Tvar - globulání nebo fibrilární



Úrovně proteinové struktury Primární Sekundární Terciární Kvarterní

- sekvence - lokální struktury - H-vazby - celková 3-D struktura – podjednotky

Interakce vytvářející jednotlivé úrovně struktur



Primární struktura – kovalentní vazby



Sekundární, terciární a kvarterní struktury vytvořené 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 se prosthetická 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

b-otočka  



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-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-fg)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

Polarita a-helixu Obojetná helix ve flavodoxinu

Nepolární helix v citrátsynthase

Polární helix v calmodulinu

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

ParalelníParalelní b-barelbeta 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