Bioķīmijas kurss

• 1.-2. nedēļā – ievads proteīnu struktūrā

• Pēc tam – funkcionālā bioķīmija

• 15. sept. – nodarbības otrajā pusē – tests par proteīnu struktūras lekcijām

• Ieteicamās literatūras saraksts - grozā

Ievads proteīnu struktūrā

Lekcijas saturs

• Aminoskābes un to īpašības

• Peptīds un tā ģeometrija

• Otrējā struktūra

• Strukturālie motīvi

• Domēni

• Ceturtējā struktūra

Aminoskābes• Organiski savienojumi ar amino- un karboksil- grupām• Proteīni sastāv no 20 dažādām aminoskābēm ar vienādu skeletu (“backbone”), bet

atšķirīgām sānu ķēdēm (“R”)• Visas proteīnus veidojošās aminoskābes ir -aminoskābes (karboksil- un amino- grupas

ir pievienotas pie viena un tā paša oglekļa atoma, saukta par C)• Pie fizioloģiska pH brīvas aminoskābes ir amfolīti – satur negatīvu lādiņu uz

karboksilrupas un pozitīvu uz aminogrupas

H3+N―C―C―H

COO-

|

|R

H3+N―C―H

COO-

|

|R

| R’

H3+N―C―C―C―H

COO-

|

| R

| | R’ R’’

-aminoskābe - un - aminoskābes (proteīnus neveido)

Aminoskābju optiskie izomēri• Visu aminoskābju (izņemot

glicīnu) -ogleklim ir 4 dažādi aizvietotāji, tāpēc ir iespējami 2 optiskie izomēri – D un L.

• Proteīnos sastopamās aminoskābes ir L- aminoskābes

• DL nomenklatūra ir aizgūta no gliceraldehīda

Aminoskābju klasifikācija

• Parasti aminoskābes klasificē pēc to sānu ķēžu polaritātes

• Izdala nepolārās (hidrofobās), polārās un lādētās aminoskābes

Nepolārās aminoskābes-R grupa satur nepolāras, hidrofobas oglekļa ķēdes. Nepolārās aminoskābes (izņemot glicīnu) slikti šķīst ūdenī.

Leicīns un izoleicīns ir strukturālie izomēri

Glicīns Alanīns Valīns Leicīns Izoleicīns (G, gly) (A, ala) (V, val) (L, leu) (I, ile)

Glicīnam nav sānu ķēdes un to bieži klasificē atsevišķi. Vienīgā aminoskābe, kurai nav optisko izomēru

Fenilalanīns un triptofāns satur plakanus aromātiskos

gredzenusTriptofānu, tā NH grupas dēļ dažreiz klasificē kā

polāru, bet praksē tam ir izteiktākas nepolārās

īpašības

Metionīns satur sēra atomu

Prolīna sānu ķēde ir piesaistīta aminogrupai, veidojot ciklu

Nepolārās aminoskābes

Metionīns Fenilalanīns Triptofāns Prolīns (M, met) (F, phe) (W, trp) (P, pro)

- R grupa sastāv no oglekļa, skābekļa, un skābekļa atomiem, kuri sānu ķēdi padara polārāku un tādejādi hidrofilāku. Polārās aminoskābes labi šķīst ūdenī.

Polārās aminoskābes

Serīns Treonīns Cisteīns Tirozīns Aspargīns Glutamīns (S, ser) (T, thr) (C, cys) (Y, tyr) (N, asn) (Q, gln)

Cisteīnam ir gan polāras, gan hidrofobas īpašības. Divi cisteīni var savienoties ar SH grupām

- R grupai ir lādiņš pie fizioloģiska pH

Lādētās aminoskābes

Aspargīnskābe Glutamīnskābe Lizīns Arginīns Histidīns (D, asp) (E, glu) (K, lys) (R, arg) (H, his)

Histidīns var būt gan lādēts, gan polārs pie fizioloģiski relevantām pH vērtībām. Bieži klasificē kā polāru aminoskābi

Cisteīns un disulfīdi

• Praktiski vienīgais veids, kā kovalenti savienot divas aminoskābes, kuras sekvencē nav blakus viena otrai, ir ar disulfīdu tiltiņu palīdzību

• Disulfīdu veidošanai ir nepieciešama oksidējoša vide. Tā kā šūnas iekšienē vide ir reducējoša, disulfīdi ir reti sastopami iekššūnas proteīnos, bet bieži sastopami šūnas virsmas un sekretējamos proteīnos

oksidēšanās

reducēšanās

Cisteīns Cistīns

Peptīds• Peptīds ir kovalenti saistītu aminoskābju kopums

• Peptīda saite veidojas, vienas aminoskābes aminogrupai reaģējot ar otras aminoskābes karboksilgrupu

• Aminoskābes peptīda sastāvā mēdz saukt par atlikumiem

• Izveidotā peptīda saite ir daļēji dubulta

Peptīdiem ir N-gals un C-gals

Peptīda saite

N-gals C-gals

Peptīds, dipeptīds, tripeptīds, polipeptīds, proteīns

• Dipeptīds ir viekāršākais peptīda veids

• Tālāk seko dipeptīdi, tripeptīdi, utt

• Polipeptīds ir viena kovalenti savienota aminoskābju atlikumu ķēde

• Proteīns sastāv vismaz no viena polipeptīda

• Ar jēdzienu “peptīds” parasti saprot relatīvi īsu (aptuveni <50) aminoskābju atlikumu virkni

• “Proteīns” parasti ir garāks par ≈50 aminoskābēm

Galvenā ķēde un sānu ķēdesKatram polipeptīdam ir viena galvenā ķēde un tik sānu ķēdes, no cik aminoskābēm peptīds sastāv

Atomu nomenklatūra aminoskābes atlikumā

• Galvenās ķēdes atomi ir N, C, C un O

• Sānu ķēdes atomi tiek saukti pēc grieķu alfabēta, sākot no C

• Sānu ķēdes sazarošanās gadījumā ir papildus indeksi “1” un “2”

“N” “C”

“C”

“O”

“C”

“C”“C”

“N” “N”

“N”

“C”

– phi () leņķis N-C– psi () leņķis C-CO

– omega () leņkis C-N

Peptīdu torsijas leņķi

N

leņkis, cis- un trans- peptīdi• Tā kā peptīda saite ir daļēji dubulta, leņķis ir tuvu 180o

trans- peptīdiem vai 0o cis- peptīdiem (±30o ekstremālos gadījumos)

• Cis- peptīdi ir enerģētiski ļoti neizdevīgi (~1000 reizes salīdzinot ar trans-), jo blakus esošie C atomi ir pārāk tuvu viens otram

CC C C

• Cis- peptīda saite pirms prolīna ir tikai 4x neizdevīgāka par trans- saiti, jo tuvu blakus sanāk vai nu abi C atomi vai C un C atomi

• Prolīna cis-trans izomerizācija ir svarīgs faktors proteīnu foldingā un reakciju katalizē īpaši enzīmi – prolilpeptidil izomerāzes (Ppāzes).

• Aptuveni 0.03% no ne-prolīna un 5.2% no x-Pro peptīdiem proteīnos ir cis- konformācijā

• Cis- peptīdiem proteīnos bieži ir nozīmīga funkcijaC

C

C C

C

C

C CC

C

x-x

x-pro

Trans- Cis-

Prolīnu cis-trans izomerizācija

Galvenās ķēdes konformācijas• Tikai noteiktas un leņķu kombinācijas ir enerģētiski izdevīgas, jo

citādi sānu ķēdes pirmais atoms (C) novietojas pārāk tuvu galvenās ķēdes atomiem

• Tā kā glicīnam nav sānu ķēdes, tam ir atļauta praktiski jebkura un leņķu kombinācija. Tādejādi, glicīns ir īpaša un strukturāli nozīmīga aminoskābe, pārsvarā sastopams fleksiblos proteīnu rajonos

Cbeta

Cbeta

N

un leņķu kombinācijas var attēlot Ramačandrāna plotā

Visizdevīgākās konformācijas (90% aminoskābju)

Atļautās konformācijas (8%)

Neatļautās konformācijas (<2%)

Neatļauto konformāciju aminoskābēm bieži ir liela nozīme proteīnu funkcinalitātē

Sānu ķēžu konformācijas

Ne-zigzagveida zigzagveida

Trīs iespējamie valīna rotamēri

• Sānu ķēdēm (izņemot alanīnu un glicīnu) var būt dažādas konformācijas

• Dažām konformācijām ir zemāka enerģija – tos sauc par rotamēriem

• Zemāka enerģija ir t.s. zigzagveida izvietojumā – kad visi atomi ir maksimāli tālu viens no otra

Metālu joni

• Metālu joni ir daudzu proteīnu struktūru sastāvā, tie var veikt dažādas reakcijas (elektronu pārnesi, etc.), vai arī vienkārši stabilizēt proteīnu struktūru

• Metālu jonus parasti koordinē cys, his, asp un glu aminoskābes

• Bieži sastopami ir Zn, Ca, Fe joni

Struktūru stabilizējošs Zn jons gamma butirobetaīna hidroksilāzes satāvā

Nosauciet trīs aminoskābes, kuras ir ļoti atšķirīgas no citām!

Prolīns • Nav brīvas aminogrupas• Ļoti stingrs• Ievieš pārrāvumus vai izliekumus spirālēs un virknēsGlicīns• Nav sānu ķēdes• Var atrasties jebkurā vietā Ramačandrāna plotā• Proteīnos bieži sastopams fleksiblos reģionosCisteīns• Disulfīdi

Pirmējā (primārā), otrējā (sekundārā), trešējā (terciārā) un ceturtējā (kvartārā)

struktūra

Otrējā struktūra• Izšķir divus galvenos otrējo struktūru veidus – alfa spirāles un beta

virknes

• Alfa spirāles var pastāvēt atsevišķi, bet beta virknes grupējas kopā vismaz pa divām vai vairākām, veidojot beta plāksnes

• Alfa spirāles shematiski attēlo kā spirāles vai cilindrus

• Beta virknes shematiski attēlo kā bultas virzienā no N uz C galu

• Otrējā struktūrā aminoskābju galvenās ķēdes skābekļa un slāpekļa atomi viens ar otru mijiedarbojas ar ūdeņraža saišu palīdzību

Hidrofobais kodols

• Proteīna hidrofobo aminoskābju sānu ķēdēm ir tendence savākties vienkopus, lai izvairītos no kontaktiem ar ūdens molekulām

• Rezultātā, hidrofobās aminoskābes ir sastopamas galvenokārt proteīna iekšienē (kodolā)

• Polārās un lādētās aminoskābes pārsvarā atrodas uz proteīna virsmas

Otrējās struktūras veidošanās iemesli

• Tā kā hidrofobo aminoskābju sānu ķēdes atrodas proteīna kodolā, arī to pašu aminoskābju galvenā ķēde lielākoties atrodas kodolā

• Galvenā ķēde satur polārus N un O atomus, kuru atrašanās hidrofobā vidē ir enerģētiski neizdevīga, ja vien tie viens ar otru neveido ūdeņraža saites, tādejādi kompensējot daļējos lādiņus

• Divi visefektīvākie veidi, kā nodrošināt ūdeņraža saites starp galvenās ķēdes atomiem ir veidot alfa spirāles un beta plāksnes

Alfa spirāle• 3.6 atlikumi vienā

pagriezienā• Ūdeņraža saites ir starp

atlikuma n N atomu un atlikuma n+4 O atomu

n

n+4

n

n+4

3.6 aminoskābes

Parādītas tikai saites starp atomiem

Parādītas arī H saites starp n un n+4 atlikumiem

Shematisks reālas-spirāles attēlojums

Pievienota shematiska spirāle. Var redzēt, ka sānu ķēdes virzās slīpi uz leju kā egles zari

C-galsCCC

N -gals N NN

Alfa spirāles varianti

• Parastajā spirālē, atlikums n veido H-saiti ar atlikumu n+4

• 310 spirālē, atlikums n veido H-saiti ar atlikumu n+3. Spirālē ir 3 atlikumi pagriezienā, savienoti ar 10 atomiem, tā radies nosaukums 310

• spirālē, atlikums n veido H-saiti ar atlikumu n+5

• spirāles vidū ir lielāks tukšums, bet 310 spirālē atomi ir ļoti cieši kopā. Neviens no variantiem nav enerģētiski optimāls

• spirāles ir ļoti retas, bet 310 ir samērā bieži sastopamas kā īsas viena apgrieziena spirāles vai arī parasto spirāļu galos

310

Alfa spirāļu “vītne”

• Gandrīz visas zināmās spirāles, kā arī 310 un spirāles ir ar labo “vītni”

• Kreisās “vītnes” un 310 spirāles ir novērotas ārkārtīgi retos gadījumos. Tās ir īsas (<6 atlikumiem) un parasti pilda kādu nozīmīgu funkciju – piemēram veido enzīma aktīvo saitu

• Kopumā zināmajās proteīnu struktūrās ir anotētas aptuveni 30 kreisās vītnes spirāles, bet labās vītnes spirāļu skaits sniedzas vairākos simtos tūkstošu

spirāles dipola moments

• Katrai individuālai aminoskābei ir dipola moments

• Visas karbonilgrupas ir orientētas no spirāles N uz C galu

• Kopā veidojas visas spirāles dipola moments

• N galā ir daļēji pozitīvs, bet C- galā – daļēji negatīvs lādiņš

• N gala lādiņu bieži neitralizē negatīvi lādēta aminoskābe vai kāds ligands – piem. fosfāta grupa

Aminoskābju priekšrocības -spirālēs

• Ala, Glu, Leu un Met ir labi spirāļu veidotāji• Pro, Gly, Tyr un Ser ir ļoti slikti spirāļu veidotāji• Tomēr, augstāk minētās īpašības nav pietiekamas

precīzai otrējās struktūras paredzēšanai no sekvences

Periodiski atkātojumi spirālēs

• spirāles parasti ir novietotas gar proteīna ārpusi, viena puse ir vērsta pret hidrofobo kodolu, otra uz proteīna virsmas

• Šāds novietojums noved pie periodiskas hidrofobu un hidrofilu atlikumu atkārtošanās

• Tomēr, minētā periodiciāte nav tieši izmantojama proteīnu struktūras modelēšanā, jo uz virsmas var būt arī mazi hidrofobi atlikumi (ala, val), kā arī dažas spirāles atrodas pilnībā hidrofobajā kodolā vai pilnībā uz virsmas

Beta plāksnes

Plāksne no antiparalēlām -virknēm Plāksne no paralēlām -virknēm

•Sastāv no vismaz 2 -virknēm•Atšķirībā no -spirālēm, H saites ir starp divām dažādām virknēm•-virknēs polipeptīds ir izstieptā konformācijā

Jauktās plāksnes

Jauktās plāksnes ir daudz retāk sastopamas kā antiparalēlās vai paralēlās

Savērpums plāksnēs

• Gandrīz visas plāksnes zināmajos proteīnos ir savērptas

• Savērpumam vienmēr ir labā vītne

Cilpas

• Cilpas savieno otrējās struktūras elementus• Cilpas atrodas uz proteīna virsmas • Galvenās ķēdes slāpekļa un skābekļa atomi parasti cilpās neveido H-

saites viens ar otru• Cilpās ir daudz polāro un lādēto aminoskābju, arī glicīnu• Cilpu garums var būt no 2 līdz 20 atlikumiem• Cilpas ir fleksiblas • Cilpas bieži veido ligandu piesaistes vietas un enzīmu aktīvos centrus• Homologos proteīnos cilpu rajoni ir daudz variablāki nekā sekundāro

struktūru rajoni

Matadatas un reversie pagriezieni

• Cilpas, kuras savieno divas antiparalēlas beta virknes, sauc par matadatu cilpām

• 2 atlikumus garas matadatu cilpas sauc par reversajiem pagriezieniem vai vienkārši pagriezieniem (“turns”)

Type I turn Type II turn

1.virkne 2. virkne

Matadatas cilpa

Motīvi

• Vienkāršas otrējo struktūru elementu kombinācijas

• Motīvus mēdz saukt arī par superotrējo struktūru• Dažiem motīviem piemīt specifiska bioloģiska

funkcija (piem. DNS piesaistīšanās)• Citiem motīviem nav specifiskas bioloģiskās

funkcijas un tie ir lielāku agregātu sastāvdaļas

Spirāles-cilpas-spirāles motīvs

Kalcija piesaistīšanās motīvs

DNS piesaistīšanās motīvs

Matadatas motīvs

• Divas secīgas anti-paralēlas virknes, savienotas ar cilpu

• Motīvs var būt izolēta vienība, vai arī lielākas plāksnes sastāvdaļa

Tripsīna inhibitors

Erabutoksīns

24 dažādi veidi, kās savienot 2 matadatas

• Tikai pirmie 8 veidi eksistē zināmajos proteīnos

Grieķu atslēgas motīvs

• Visizplatītākais veids, kā savienot 4 virknes

Grieķu atslēgas motīvs Staphilococcus nukleāzē

motīvs

• Ērts veids, kā savienot 2 paralēlas virknes

• motīvs ir gandrīz visu paralēlo beta plākšņu proteīnu sastāvā

Trešējā (terciārā) struktūra un domēni

• Proteīnu trešējā struktūra veidojas no motīviem un papildus sekundārās struktūras elementiem

• Domēns ir proteīna daļa, kura spēj patstāvīgi safoldēties un izveidot stabilu trešējo struktūru

• Proteīniem var būt no viena līdz pat vairākiem desmitiem domēnu

• Daudzdomēnu proteīnos parasti katram domēnam ir sava bioloģiskā funkcija

2x matadata + virkne

16x

2x Grieķu atslēga

• Domēni parasti (bet ne vienmēr) ir nepārtraukti sekvences gabali

• Dažkārt viens domēns var ievietoties otra domēna cilpā

N C

N C

Daudzdomēnu proteīna piemērs – lac represors

C-terminālā spirāle (tetramerizācijai)

Spirāles-pagrieziena-spirāles domēns (piesaistas pie DNS)

Kodola domēns, satur 2 subdomēnus, kuri sastāv no motīviem (piesaista ligandu - laktozi)

IgG satur 12 imunoglobulīna domēnus

Katrs domēns satur 2 plāksnes, līdzīgas grieķu atslēgām

Ceturtējā (kvartārā) struktūra

• Daudzi proteīni ir bioloģiski aktīvi kā monomēri un tiem ceturtējā struktūra neeksistē

• Daudzi citi proteīni ir aktīvi kā homo- vai hetero- polimēri• Vienkāršākais un izplatītākais ceturtējās struktūras paveids

ir homodimērs• Monomēri homopolimēros gandrīz vienmēr ir novietoti

simetriski ar vienu vai vairākām simetrijas asīm vai spirālveida novietojumu

• Dažām bioloģiskajām vienībām, piemēram, vīrusu apvalkiem un ribosomām, ir ļoti sarežģīta ceturtējā struktūra un monomēru skaits var sasniegt vairākus simtus vai pat tūkstošus

Otrās kārtas simetrija glutationa transferāzes homodimērā

9-kārtas simetrija gaismas savākšanas

kompleksā II no Rhodopseudomonas acidophila.

222 simetrija prealbumīnā

Vienkāršs ikosaedrisks vīruss – 180 ķīmiski identiskas subvienības 532 simetrijā

Ribosomas mazā subvienība – heteropolimēra piemērs, daudz

monomēru, nav simetrijas