01-uvod ak protein 08a
TRANSCRIPT
Biochémia
Katarína MikušováKatedra biochémie CH1-213
Harmonogram prednášok• 29. 9.2008 Úvod, aminokyseliny. Proteíny.• 6.10.2007 Sacharidy. • 13.10.2007 Lipidy, biologické membrány. • 20.10.2007 Enzýmy.• 27.10.2007 Úvod do metabolizmu. Glykolýza.• 3.11.2007 Citrátový cyklus. Glyoxylátový cyklus.• 10.11.2007 Oxidačná fosforylácia.• 17.11.2007 -• 24.11.2007 Fotosyntéza.• 1.12.2007 Pentózová dráha. Coriho cyklus.• 8.12.2007 Metabolizmus lipidov.• 15.12.2007 Metabolizmus dusíkatých zlúčenín.
Termíny skúšok
• 19.12.2008 (piatok)• 8. 1.2009 (štvrtok) • 20. 1.2009 (utorok)
• + 2 opravné termíny podľa dohody
Literatúra
• Voet, Voetová: Biochemie, Victoria Publishing, 1995
• Vodrážka: Biochemie, Academia, 1992, 1995• Mikušová, Kollárová: Princípy biochémie v
schémach a v príkladoch, UK Bratislava, 2005
• Lehninger, Stryer, Garrett a Grisham
Základné vlastnosti živých systémov
• Živé systémy sú zložité a vysoko organizované
Základné vlastnosti živých systémov
• Živé systémy sú zložité a vysoko organizované
• Biologické štruktúry majú funkčný význam
• Živé systémy sú aktívne zapojené do premien energie
• Živé systémy majú vysokú schopnosť replikácie
Biomolekuly: molekuly života• H, O, C a N tvoria viac ako 99% atómov ľudského tela
Prvok %H 63O 25,5C 9,5N 1,4
• Ktorá vlastnosť je spoločná pre H, O, C a N a robí z nich vhodné atómy pre chémiu života?
• ODPOVEĎ: Je to ich schopnosť vytvárať kovalentné väzby prostredníctvom zdieľania elektrónových párov.
Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita
Proteín (aminokyseliny, peptidové väzby)
Nukleové kyseliny(nukleotidy, 5´→3´fosfodiesterováväzba)
Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita• Informatívnosť
vlákno DNA
časť polypeptidu
vlákno DNA
reťazec polysacharidu
Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita• Informatívnosť• Trojrozmerná štruktúra
Vlastnosti biomolekúl• Štruktúrna polarita• Informatívnosť• Trojrozmerná štruktúra
Slabé interakcie udržujú biologickú štruktúru a určujú biomolekulárne
interakcie
Sila kovalentých väzieb typických pre biomolekuly
„Sila“ slabých interakcií• Typy slabých
interakcií:– Van der Waalsove
interakcie: 0,4 – 4,0 kJ/mol
– Vodíkové väzby: 12-30 kJ/mol
– Iónové interakcie: 20 kJ/mol
– Hydrofóbne interakcie: menej ako 40 kJ/mol
-vzájomné pôsobenie atómov v bezprostrednej blízkosti
C O H O ...
– NH3+ →← OOC –-
CH
CH3
CH2
CH3
„Sila“ slabých interakcií
• Biomolekulárne rozpoznávanie je sprostredkované slabými interakciami.
• Slabé interakcie obmedzujú možnosť existencie živých organizmov do relatívne úzkeho rozmedzia environmentálnych podmienok.
Slabé interakcie vo vodných systémoch• Vlastnosti vody
– Vysoká hodnota teploty topenia a teploty varu, výparného tepla, povrchového napätia
– Polarita v dôsledku lomenej štruktúry– Tvorba vodíkových väzieb
• Solvatačné vlastnosti vody– Ióny sú obklopené solvatačným obalom
– Polárne látky vytvárajú vodíkové väzby– Nepolárne látky → „HYDROFÓBNE INTERAKCIE“
Klastre molekúl H20 vo vodnej fáze
Vysokoorganizovaná štruktúra molekúl H2O okolo alkylového reťazca
Disperzia lipidov v H2O
Každá molekula lipidu „vnucuje“ okolitým molekulám H2O prechod do vysokoorganizovaného, usporiadaného stavu.
Klastre lipidových molekúl
Len okrajové lipidy„organizujú“ molekuly vody.Menej molekúl H2O je v usporiadanom stave, ENTROPIA vzrastá.
Micely
Všetky hydrofóbne skupiny sú chránené voči kontaktu s vodou; usporiadaná vrstva molekúl vody je minimalizovaná; entropia zvýšená.
Podstata hydrofóbnych interakcií• Nepolárna látka „organizuje“
vodu• Vodíkové väzby sa
reorganizujú v okolí nepolárnej látky
• To predstavuje zvýšenie usporiadanosti, a teda zníženie ENTROPIE
• Podstatou hydrofóbnych interakcií je zvýšenie entropie systému vďaka opätovnému „uvoľneniu“ molekúl vody
Aminokyseliny-stavebné jednotky proteínov
α
Rozdelenie AK podľa charakteru bočného reťazca
• AK s nepolárnymi bočnými reťazcami (9)• AK s polárnymi neutrálnymi bočnými
reťazcami (6)• AK s nabitými bočnými reťazcami (5)
Aminokyseliny s nepolárnymi bočnými reťazcami
CH COOH
NH2
CH2CH2SH3C
CH COOH
NH2
CH
CH3
CH3 CH2
CH COOHH
NH2
CH COOHCH3
NH2
CH COOH
NH2
CH
CH3
CH3
CH COOH
NH2
CH
CH3
CH2H3C
NH
COOH
CH COOH
NH2
CH2
NH
CH2 CH COOH
NH2
glycín
alanín
valín
leucín
izoleucín
prolín
metionín
fenylalanín
tryptofán
Aminokyseliny s polárnymi neutrálnymi bočnými reťazcami
CH COOH
NH2
OH CH2
CH COOH
NH2
CH3 CH
OH
OH
CH COOH
NH2
CH2
CH COOH
NH2O
NH2 CH2C
CH COOH
NH2O
NH2 CH2C CH2
CH COOH
NH2
SH CH2
serín
treonín
tyrozín
asparagín
glutamín
cysteín
Tvorba disulfidovej väzby
Aminokyseliny s nabitými bočnými reťazcami
CH COOH
NH2O
OH CH2C CH2
CH COOH
NH2O
OH CH2CCH COOH
NH2
CH2CH2CH2NH2 CH2
CH COOH
NH2
CH2CH2NH CH2
NH
NH2 C
NHN
CH COOH
NH2
CH2
KYSLÉ AK ZÁSADITÉ AK
kyselinaasparágová
kyselinaglutámová
lyzín
arginín
histidín
Vlastnosti aminokyselín
• Acidobázické vlastnosti• Optické vlastnosti• Spektroskopické vlastnosti
• Acidobázické vlastnosti
C COOH
NH2
H
R C COO
NH3
H
R -
+
α
neionizovaná formaaminokyseliny
ionizovaná formaaminokyseliny
postranný(bočný) reťazec
C COOH
H
R C COO
NH3
H
R C
NH2
H
R COO
NH3
H+
H+
H+
H+
-
+
-
+
katión aniónobojaký ión(amfión, zwitterión)
preferovaná forma pri pH 1
preferovaná formapri pH 7
preferovaná formapri pH 11
• Optické vlastnosti– Všetky aminokyseliny okrem glycínu sú
opticky aktívne– V prírode prevládajú L-aminokyseliny– D-, L- nomenklatúra je odvodená od
štruktúr D- a L-glyceraldehydu
• Spektroskopické vlastnosti aminokyselín
– Všetky aminokyseliny absorbujú v infračervenej oblasti
– Len TRYPTOFÁN, TYROZÍN a v menšej miere FENYLALANÍN absorbujú v UV
– Absorbancia pri 280 nm sa využíva pri detekcii proteínov
Proteíny
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora• Imunitná ochrana• Tvorba a prenos nervových impulzov• Regulácia rastu a diferenciácia
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora• Imunitná ochrana• Tvorba a prenos nervových impulzov• Regulácia rastu a diferenciácia
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia
– Hemoglobín (O2)– Sérumalbumín (MK)– Ovalbumín (N)– Kazeín (N)– Ferritín (Fe)
hemoglobín
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb
– Aktín– Myozín
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora
– Kolagén– Keratín
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora• Imunitná ochrana• Tvorba a prenos nervových impulzov• Regulácia rastu a diferenciácia
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora• Imunitná ochrana• Tvorba a prenos nervových impulzov• Regulácia rastu a diferenciácia
Funkcie proteínov
• Enzýmová katalýza• Transportná a zásobná funkcia• Koordinovaný pohyb• Mechanická podpora• Imunitná ochrana• Tvorba a prenos nervových impulzov• Regulácia rastu a diferenciácia
Vznik peptidovej väzby
peptidová väzba
Rozdelenie peptidov a proteínov
• Dipeptidy, tripeptidy, tetrapeptidy... (> 12 AK) • Oligopeptidy (12-20 AK)• Polypeptidy (< 20AK)
• Proteíny:– Monomérne (jeden polypeptidový reťazec)– Multimérne (viac ako 1 polypeptidový reťazec)
• Homomultimérne (rovnaké reťazce)• Heteromultimérne (rôzne reťazce)
Konjugované proteíny
Alkoholdehydro-genáza (Zn)
Fe, Zn, Ca, Mo, CuMetaloproteíny
Sukcinát-dehydrogenáza
Flavínové nukleotidyFlavoproteíny
HemoglobínHémHemoproteíny
Kazeín z mliekaFosfátové skupinyFosfoproteíny
Imunoglobulín GSacharidyGlykoproteíny
β-lipoproteín krviLipidyLipoproteíny
PríkladProstetická skupinaTrieda
N-koncovýzvyšok
C-koncovýzvyšok
N CSer-Gly-Tyr-Ala-Leu
N CSer-Gly-Tyr-Ala-Leu
Úrovne štruktúr v proteínochprimárna štruktúra
sekundárnaštruktúra
terciárnaštruktúra
kvartérnaštruktúra
zvyšky AK α-helix polypeptidovýreťazec
asociované podjednotky
Úrovne štruktúr v proteínochprimárna štruktúra
sekundárnaštruktúra
terciárnaštruktúra
kvartérnaštruktúra
-poradie AK v polypeptide-kovalentné (peptidové) väzby medzi AK
zvyšky AK α-helix polypeptidovýreťazec
asociované podjednotky
Úrovne štruktúr v proteínochprimárna štruktúra
sekundárnaštruktúra
terciárnaštruktúra
kvartérnaštruktúra
zvyšky AK α-helix polypeptidovýreťazec
asociované podjednotky
-relatívne stabilné priestorové usporiadanie aminokyselín, ktoré má za následok tvorbu určitých špecifických štruktúr, ako α-helix alebo štruktúra β-skladaného listu-vodíkové väzby medzi CO a NH skupinami peptidových väzieb
Úrovne štruktúr v proteínochprimárna štruktúra
sekundárnaštruktúra
terciárnaštruktúra
kvartérnaštruktúra
zvyšky AK α-helix polypeptidovýreťazec
-kompletné priestorové usporiadanie aminokyselín v proteíne-uplatňujú sa v nej najmä nekovalentné (slabé) interakcie medzi bočnými reťazcami aminokyselín
asociované podjednotky
Úrovne štruktúr v proteínochprimárna štruktúra
sekundárnaštruktúra
terciárnaštruktúra
kvartérnaštruktúra
zvyšky AK α-helix polypeptidovýreťazec
- priestorové usporiadanie polypeptidových reťazcov v podjednotkovom(multimérnom) proteíne-uplatňujú sa v nej najmä nekovalentné (slabé) interakcie
asociované podjednotky
• N – čiastočne kladný, O-čiastočne záporný • Čiastočne charakter dvojitej väzby (40%)• Dĺžka 0.133 nm – kratšia než jednoduchá a dlhšia než
dvojitá väzba• Zvyčajne v trans konformácii• Vďaka čiastočnému charakteru dvojitej väzby šesť atómov
v rámci peptidovej väzby leží v jednej rovine –planárne usporiadanie
Peptidová väzba
Dôsledky planárneho usporiadania peptidovej väzby
Dva stupne voľnosti na AK zvyšok v polypeptidovom reťazci
• Uhol okolo Cα-N sa označuje Φ (fí)• Uhol okolo Cα-C sa označuje Ψ (psí)• Niektoré hodnoty uhlov Φ a Ψ sú pravdepodobnejšie než
iné
Sterické obmedzenia uhlov Φ a Ψ
Nepovolený prekryv orbitalov neumožňuje určité kombinácie uhlov Φ a Ψ
Napr.:Φ = 0° a Ψ = 180°Φ = 180° a Ψ = 0°Φ = 0° a Ψ = 0°
G.N. Ramachandran:
Stericky výhodné kombinácie uhlov Φ a Ψsú základom pre uprednostňované sekundárne štruktúry
Hlavné typy sekundárnych štruktúr
• α-helix• β-skladaný list• β-otáčka
Lokálne štruktúry stabilizovanévodíkovými väzbami
Pravotočivý α-helix• L. Pauling a R. Corey, 1951• Stabilizovaný H-väzbami
medzi CO a NH• CO skupina každej AMK je
viazaná k NH skupine AMK o 4 zvyšky dopredu v lineárnej sekvencii
• Počet zvyškov na 1 otáčku: 3,6
• Vzdialenosť medzi zvyškami na 1 otáčku: 0.54 nm
• Výskyt: napr. keratín (vlasy), myozín (svaly)...
Cα1 Cα2
Cα3
Cα4
Cα5
Cα6
Cα7
Cα8Cα9
3,6 zvyšku, 0,54nm
The Nobel Prize in Chemistry 1954"for his research into the nature of thechemical bondand its application to the elucidation ofthe structureof complex substances"
b. 1901d. 1994
California Institute of Technology(Caltech) Pasadena, CA, USA
USALinus Carl Pauling
β-skladaný list-polypeptidový reťazec je úplne rozvinutý-H väzby môžu byť aj medzi rozdielnymi reťazcami
β-skladaný list-antiparalelný
NN
N
O
O
O
O
H
H
H
NN
NN
O
O
OH
H
H
H
NC
CN
-paralelný
NN
N
O
O
O
O
H
H
H
NN
N
O
O
O
O
H
H
H
NC
NC
β-otáčka
• Zmena smeru peptidového reťazca• Karbonylový kyslík je viazaný vodíkovou
väzbou s protónom amidu o tri zvyšky ďalej• Prevládajú v nej prolín a glycín
Typy interakcií pri tvorbe terciárnej štruktúry proteínov
NH3
CH2
CH2
C
CH2
O H
CH2
C
O O
CH2
CH2
OO
CH
CH2
CH3
CH3
CH
CH3 CH2
CH3
CH2
S
S
CH2
C O
O
(CH2)4
NH3+
+
iónovéinterakcie
disulfidováväzba
iónovéinterakcie
hydrofóbneinterakcie
hydrofóbneinterakcie
vodíkovéväzby
Rozdelenie proteínov podľa štruktúry a rozpustnosti
• Fibrilárne• Globulárne• Membránové
kolagén -fibrilárny proteín
myoglobín -globulárny proteín
bakteriorodopsín -membránový proteín
Rozdelenie proteínov podľa štruktúry a rozpustnosti
• Fibrilárne– Väčšina polypeptidového reťazca je
paralelná s jednou osou– Často sú mechanicky pevné– Zvyčajne sú nerozpustné– Zvyčajne majú štruktúrnu funkciu– Príklady: kolagén, α-keratín, β-keratín
(fibroín)
redukcia natočenie oxidácia
Fibroín
Sekundárne štruktúry a vlastnosti fibrilárnych proteínov
Kolagén v šľachách,kostiach
Vysoká pevnosť v ťahuKolagénový trojitý helix
Fibroín v hodvábeMäkké, flexibilné vlákna
β-skladaný list
α-keratín vo vlasoch, perí, nechtoch
Tvrdé, nerozpustné ochranné štruktúry rôznej tvrdosti a flexibility
α-helix „zosietený“disulfidovými väzbami
PríkladyCharakteristikaŠtruktúra
Približné rozmery ľudského sérumalbumínu, Mr 64 500, 585 AK
Rozdelenie proteínov podľa štruktúry a rozpustnosti
• Globulárne– Väčšina polárnych zvyškov je umiestnená na
povrchu molekuly a interaguje s rozpúšťadlom– Hydrofóbne zvyšky smerujú dovnútra molekuly a
navzájom interagujú– Štruktúry globulárnych proteínov nie sú statické– Niektoré časti proteínov sú značne flexibilné a
neusporiadané
myoglobín
Cytochróm c
Lyzozým
Ribonukleáza
Zastúpenie štruktúr α-helixu a β-skladaného listu v niektorých proteínoch
078Myoglobín (153)
1240Lyzozým (129)
039Cytochróm c (104)
3526Ribonukleáza (124)
4514Chymotrypsín (247)
% β-skladaný list
% α-helix
Proteín(počet zvyškov)
Strata štruktúry proteínu má za následok stratu funkcie
• Natívna konformácia – štruktúra proteínu v biologicky aktívnej forme
• Denaturácia – zmena terciárnej (a sekundárnej) štruktúry proteínu, ktorá má za následok stratu biologických vlastností– Ireverzibilná (nevratná)– Reverzibilná (vratná)
Denaturačné činidlá – extrémy pH, teploty,organické rozpúšťadlá, detergenty, močovina, guanidínhydrochlorid
"for his work on ribonuclease, especiallyconcerning the connection between theamino acid sequence and the biologicallyactive conformation"
b. 1911d. 1980
b. 1913d. 1982
b. 1916d. 1995
Rockefeller University New York, NY, USA
Rockefeller University New York, NY, USA
National Institutes of Health Bethesda, MD, USA
USAUSAUSA1/4 of the prize1/4 of the prize1/2 of the prize
William H. SteinStanford MooreChristian B. Anfinsen
"for their contribution to the understanding of the connection between chemical structure and catalytic activity of the activecentre of the ribonuclease molecule"
The Nobel Prize in Chemistry 1972
Pridanie močoviny a β-merkaptoetanolu
Natívna, katalyticky aktívna konformácia
Odstránenie močoviny a β-merkaptoetanolu
Denaturovaný, neaktívny proteín.Disulfidové väzby sú redukované na Cys zvyšky.
Natívna, katalyticky aktívna konformácia proteínu. Disulfidovéväzby sú opäť správne vytvorené.
RENATURÁCIA
Terciárna štruktúra proteínu je daná poradím aminokyselín v jeho reťazci
(primárnou štruktúrou)!
Skladanie (folding) proteínov
Molekulárny „chaperone“ –pomocník pri foldingu proteínov
• Proteíny, ktoré interagujú s čiastočne foldovanými, resp. nesprávne foldovanými proteínmi a zabezpečujú ich správne poskladanie
• Dve triedy– Hsp70 („heat-shock proteins“)– „chaperoníny“
DnaJ a DnaK (E.coli) –homológy Hsp70 a Hsp40 (človek)
„Chaperoníny“ (GroEL,GroES)
„Chaperoníny“
Sekcia mozgovej kôry pacienta s Creutzfeldt-Jakobovou chorobou
(priónové ochorenia)