anemija srpastih celic malarijaibk.mf.uni-lj.si/teaching/biokemija1/predavanja/...malarija...

Najpogostejše hemoglobinopatije

Anemija srpastih celic

Malarija

Talasemije so napake v sestavi hemoglobina.

α−talasemija − pomanjkanje α verige hemoglobina

β-talasemija - pomanjkanje β verige hemoglobina

Mutacije so v regulatornih regijah globinskih genov

in ne v kodirajočem zaporedju.

CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+

Prenos CO2 iz tkiv

v pljuča in ledvice

15-20%s Hb

80-85%kot bikarbonatni pufrski sistemIn kot raztopljen CO2

Prenos H+ iz tkiv

v pljuča in ledvice

40% s Hb

60% kot

plazemski

pufrski sistemi

H+

his

oksidacija organskih hranil, npr. glukoze

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +6H2O

Prenos ogljikovega dioksida in protonov s hemoglobinom

Definicija v medicinskem sloverju: Spojina, sestavljena iz ogljikovega

dioksida in hemoglobina, ki predstavlja eno od oblik hemoglobina v krvi.

Definicija na wikipediji: Razlaga vezave ogljikovega dioksida na

hemoglobin se v besedilih različne biokemijske literature razlikuje. Nekateri

predpostavljajo, da se 4 molekule ogljikovega dioksida vežejo na

hemoglobin, vendar ne na isto mesto kot kisik. Druga literatura razlaga, da

se ogljikov dioksid sploh ne veže in da se ves prenaša po krvi (v obliki

bikarbonatnega pufra).

Ogljikov dioksid se lahko veže na amino skupine in tako tvori karbamino

hemoglobin. Amino skupine so dostopne na N-terminalnem delu globinskih

verig in na stranskih verigah lizina in arginina.

Lehninger, Stryer: karbamino hemogobin je oblika hemoglobina, kjer je

ogljikov dioksid vezan na N-terminalno skupino globinskih verig.

Karbamino skupina

Karbamino hemoglobin

Funkcije proteinov (pogojene s strukturo)

• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb)

• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)

• Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen ...)

• Kontraktilni proteini

• Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane

• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze ...)

• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig)

• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

• Lipoproteini, potrebni za transport lipidov po telesu

Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)

Razvijanje kromatina je prva stopnja uravnavanja izražanja genov

Nukleosom - osnovna enota kromatina evkariontske celice

(a) nukleosome povezuje prosta DNA

(b) slika nukleosomov z el. mikroskopijo

Proteinsko ogrodjenukleosoma

Struktura nukleosomas 146 bp vezane DNA

Pogled

od zgoraj

Pogled

s strani

Lewin, GenesVII

DimerH2A-H2B

DimerH3-H4

Nukleosom - ponavljajoča se enota kromatina

Histoni – majhni bazični proteini v jedru

• 5 različnih vrst pri evkariontih - H1, H2, H3, H4, H5 (Mr od 11 - 21 kDa)

• So dobro ohranjeni med različnimi vrstami

• ~1/4 aminokislin histonov predstavljata Arg in Lys

• Bazični (pozitivno nabiti) histoni se z elektrostatskimi interakcijami vežejo na negativno nabito ogrodje DNA

fosfodiestrska vez med 2-deoksi-ribozo in

fosfati v DNA – negativni naboji na fosfatih

pozitivni naboji na radikalu

lizina in arginina

Vrste in lastnosti histonov

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

-Acetilacija lizina -Metilacija lizina-Fosforilacija serina

Modifikacije histonskih repkov vplivajo na strukturo kromatina

Potranslacijske modifikacije histonov

Sodelovanje med oznakami histonov pri aktivaciji prepisovanja:

(1) Metilacija arginina (mono- ali di-), fosforilacija serina, acetilacija lizina

(2) Ubikvitinacija lizina, metilacija lizina

Poznamo “pisatelje” in “bralce” histonskega koda.Obstajajo proteini, ki potranslacijsko spremenijo histone, kot tudi proteini, ki specifično prepoznajo oznake na

histonih

Procesi, ki vplivajo na koncentracijo proteinov v celici

Prepisovanje (transkripcija): funkcionalne skupine DNA so dostopne za vezavo s

funkcionalnimi skupinami (radikali) proteinov

Rdeče označene

skupine so primerne

za vezavo

Primer specifične povezave med aminokislinskim ostankom in

bazo v nukleinski kislini – interakcije med proteini in DNA

DNA vezavna mesta za transkripcijske faktorje (regulatorne proteine) so kratka (do 10 bp) dolga

zaporedja, pogosto palindromi.

5’-TGACGTCA-3’

3’-ACTGCAGT-5’

AKTIVATOR PREPISOVANJA (TRANSKRIPCIJSKI FAKTOR)

•Protein, ki je potreben za pričetek prepisovanja, (vendar ni del RNA polimeraznega kompleksa).

•Veže razpoznavni DNA element.

•Preko protein-protein interakcij sodeluje z drugimi

transkripcijskimi faktorji, s transkripcijo

povezanimi faktorji ali z RNA

Polimerazo.

•Biti mora potreben za pričetek

prepisovanje z določenega promotorja

ali seta promotorjev.

•Sestavljen iz večih funkcionalnih domen

(modulov).

Cramer et al., Science 288, 640-645 (2000)

Kristalna struktura (3A) 10 podenot RNA polimeraze IIkvasovke S. cerevisiae.

Velika homologija sčloveškimi in bakterijskimiproteini

9/10 enot ohranjenih med evkariotskimi polimerazamiI, II in III

Prepisovanje genov, ki kodirajo proteine, poteka z RNA polimerazo II

Cramer et al., Science 288, 640-645 (2000)

Kodirajoča veriga

Matrična veriga

Med prepisovanjem (transkripcijo) nastaja DNA-RNA hibrid

DNA-vezavni proteini uravnavajo sintezo RNA

• nahajajo se v vseh kraljestvih živega sveta

• Kot monomeri, homodimeri ali heterodimeri se vežejo na specifična regulatorna mesta DNA (<10 nukleotidov) in uravnavajo izražanje (ekspresijo)genov

• na DNA se vežejo s šibkimi interakcijami

• vsebujejo nekaj značilnih supersekundarnih struktur: Zn-prsti, vijačnica-zavoj-vijačnica, levcinska zadrga, vijačnica-zanka-vijačnica,

• Prednost kombinatorike: 3 različni vezavni proteini → 9 specifičnih vezavnih mest

• Med približno 30 000 človeškimi geni je ~1000 transkripcijskih faktorjev

• Različne kombinacije transkripcijskih faktorjev uravnavajo izraženje različnih genov

Glavne funkcijske domene transkripcijskih faktorjev:-DNA vezavna domena,-transaktivacijska domena,-domena za povezovanje z drugimi trankripcijskimi faktorji,

-dimerizacijska domena.

Lewin, GenesVII

DNA-vezavni proteini so ključnega pomena za prepoznavanjemesta na DNA

Domena proteina - aminokislinsko zaporedje z neodvisnim vzorcem zvijanja, ki se pojavi v razičnih proteinih

Najpogostejše DNA vezavne domene:

-cinkov prst,

-Homeodomena (vijačnica-zavoj-vijačnica (helix-turn-helix).

Pogoste transaktivacijske domene (za interakcije z drugimi proteini)

- levcinska zadrga

-Bazične vijačnica-zanka-vijačnica (helix-loop-helix)

http://p53.bii.a-star.edu.sg/images/common/aboutp53/simpleProt.png

Cinkovi (Zn) prsti

Cys2-His2

Jedrni (steroidni) receptorji vsebujejo Zn prste

Cys-X(2)-Cys-(X13)- Cys-(X2)- Cys

Vezava človeškega estrogenskega receptorja na DNA

Mineralokortikoidni receptor se po vezavi liganda premakne iz citoplazme v jedro

-910 M kortikosteron

Nishi M. et al., Mol. Endo. 15, 1077-1092 (2001)

Homeodomeno sestavlja 60 aminokislin s tremi α−vijačnicami, v obliki vijačnica-zavoj-vijačnica. Vijačnica 3 je v stiku z baznimi pari veliek brazde. N-terminalni konec homeodomene je v stiku z malo brazdo.

Homeodomena

•Ak zaporedje v levcinski zadrgi -Leu-(X)6-Leu-(X)6-Leu(X)6-Leu-•(vsaka 7. ak je levcin) •Leu povezan z Leu sosednje vijačnice - 2 prilegajoči se α-vijačnici•strukturo vzdržujejo hidrofobne interakcije

Levcinska zadrga

Originalni koncept Bolj pravilno

http://www.web-books.com/MoBio/Free/images/Ch4F6b.gif

Vijačnica-zanka-vijačnica

DNA-vezavni proteini omogočijo nastanek kompleksa, ki sproži transkripcijo

DNA-vezavni proteini (transaktivatorji, transkripcijski faktorji) imajo DNA vezavno

in transaktivacijsko domeno.

Funkcije proteinov (pogojene s strukturo)

• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb)

• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)

• Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen ...)

• Kontraktilni proteini

• Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane

• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze ...)

• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Imunoglobulini)

• Lipoproteini, potrebni za transport lipidov po telesu

Imunski sistem vključuje vrsto specializiranih celic in proteinov

• Levkociti: makrofagi in limfociti

• Lahko zapustijo krvni obtok, preidejo v tkiva

• Limfociti proizvajajo proteine, imunoglobuline (Ig) in receptorje (Rp) na

površini - prepoznajo tuje molekule (delce) in jih uničijo

• Imunski sistem včasih prepozna tudi svoje lastne molekule (avtoimunske

bolezni)

• Človek: 108 različnih Ig - velika verjetnost, za prepoznanje vseh tujih molekul –

antigenov (vsaka molekula, ki vzpodbudi imunski odgovor: virus, bakterijska

celična stena, protein ... Mr > 5000)

• Ig ali Rp se veže na določen del antigena – antigenska determinanta (epitop)

- Heteromerni proteini v obliki črke Y

-Vsebujejo 2 lahki (Mr = 25 kDa) in 2 težki (Mr = 55 kDa) verigi

- Lahke verige vstopajo v interakcije z N-terminalnim delom

težkih verig – dobimo dve ročici (arms) – Fab del – ki vsebuje

mesto, za vezavo antigena.

-C-terminal težkih verig se poveže v steblo – Fc domena – ki

vstopa v interakcije z receptorji na celicah.

-Sesalci imamo 5 vrst imunoglobulinov: IgA, IgD, IgE, IgG and

IgM.

-Imunoglobulini pri sesalcih imajo enake lahke verige (λ, κ)

razlikujejo se po tipu težke verige (γ, α, µ, δ, ε)

-Težke in lahke verige so vedno v razmerju 1 : 1.

Immunoglobulini

IgD prepoznajo iste antigene kot IgM,

manj znana funkcija

IgE – zaščita proti parazitom, vloga v

alergijskih reakcijah

IgG – nejvečja koncentracija v krvnem

serumu

Vrste imunoglobulinov

IgM prvi v obrambi

(limfociti B)

IgA v solzah, slini, mleku –

obramba proti bakterijam in

virusom

Vrste imunoglobulinov

Struktura imunoglobulina G (IgG) – imunoglobulinski zvitje

Imunoglobulinsko domeno sestavljata dva para antiparalelnih beta ploskev, ki

so povezane z disulfidnimi mostički in hidrofobnimi interakcijami.

Struktura igG

Protitelesa vežejo specifične molekule (antigene) preko hipervariabilnih zank

•Inducirano prilagajanje

•Visoka afiniteta (Kd ~10 nM)

Makrofag: fagocitoza virusa, ki se je vezal na protitelo

Fc receptor

Diverziteta za prepoznavanje antigenov nastane tudi s prerazporeditvijo

genov v somatskih celicah

Analitska tehnika ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay)

Splošni princip

ELISA kompleti za določanje virusnih in bakterijskih okužb in kateregakoli proteina, ki lahko služi kot diagnostični marker

Avtoimune bolezni

Avtoimune bolezni nastanejo kot posledica pretiranega odziva imunskega

sistema na celice, lastne organizmu.

Funkcije proteinov (pogojene s strukturo)

• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb)

• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)

• Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen ...)

• Kontraktilni proteini

• Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane

• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze ...)

• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Imunoglobulini)

• Lipoproteini, potrebni za transport lipidov po telesu

Nepolarne (hidrofobne) molekule se prenašajo po krvi le shranjene v

amfipatičnih strukturah (lipoproteinskih delcih)

triacilglicerol

holesterol

Lipoproteini so nadmolekulski kompleksi lipidov in proteinov

Apolipoproteini določajo v katere celice se bodo lipidi prenašali.

Lipoproteini

Struktura LDL z Apolipoproteinom

B-100 (1 polipept. veriga, 4636 ak,

Mr = 513)

4 vrste lipoproteinskih delcev, vidnih z

elektronskim mikroskopom

Sestava lipoproteinov

TAG Fosfolipidi Holesterol in estri

Proteini

Hilomikroni +++ - - - VLDL ++ + + - LDL - + ++ + HDL - + + ++

- manj kot 10% + 20-40% ++ 40 – 80% +++ več kot 80%

Gostota: proteini > fosfolipidi > holesterol in estri > TAG

Elektroforetska mobilnost plazemskih lipoproteinov

Lipoproteini in transport lipidov po telesu

Triacilglicerol (TAG)

Krvna plazma pred in po uživanju TAG

LDL

Kroženje lipoproteinov

Holesterol je nujno potreben, a je v velikih količinah škodljiv!

ATEROSKLEROZA:

• odlaganje holesterola in drugih lipidov na žilnih stenah

• vezava Ca2+ v obloge

• reakcija z ogljikovo kislino (CO2 + H2O) v CaCO3 - poapnenje žil

• oviran ali blokiran pretok krvi - srčni infarkt, možganska kap, tromboza.

PREVENTIVA:

• dieta (zmanjšana količina holesterola v hrani)

• povečana telesna aktivnost

• zdravila a) zmanjšana sinteza

b) zmanjšana resorpcija

c) odstranjevanje žolčnih kislin

Pomembno je tudi razmerje med lipoproteini LDL (nosijo holesterol v tkiva) in HDL

(nosijo holesterol iz tkiv v jetra � izločanje z žolčnimi kislinami)

Družinska hiperholesterolemija – okvara gena za receptor LDL

Vloga oksidiranih

lipidov v procesu

aterogeneze