Vvedenie v bioinformatiku_3_0

Белки – пространственное строение и функции

Белки в организме

• Белки составляют ~15% массы тела среднего человека.

• Функции белков: структурные белки, каталитические белки, транспорт и депо, регуляторные и рецепторные белки и белки иммунной системы (защитные), моторная и сократительная функции

• Большинство тканей тела состоит из белков.

• Многие болезни имеют причиной модификацию тех или иных

белков.

Какой процент человеческого протеома имеет известную

структуру ?

• Крупные фармацевтические компании выявили множество структур, но большинство из них не депонировано в Protein Data Bank.

• ~40,000 генов в человеческом геноме.

• ~25,000 записей в Protein Data Bank:

– a. ~5,600 точных записей хорошего качества.

– b. ~1,100 из них – человеческие белки

– c. И эти записи в основном – единичные домены или фрагменты белков.

• Ответ (эмпирический): ~1%

• Ответ (моделирование гомологов): ~20% доменов

Разнообразие белков

Structures of Life

Уровни структур белков

• Первичная структура – последовательность аминокислот

• Вторичная структура – локальная организация полипептидной цепи без учёта возможных конформаций боковых цепей (R групп).

• Третичная структура – 3D структура всего протеина, включая конформации боковых цепей.

• Четвертичная структура – 3D структура организации субъединиц белка.

Аминокислоты

VL I

M

Гидрофобные боковые цепи

F

Y

Гидрофильные боковые цепи

N Q

Aromatic side chains

Amide group

E D

Negatively charged

Positively charged

RH K

G A S

T Y

PCOH group (H-bonds)

-S- (SS-bonds in Cys)

W (Two

rings)

АминокислотыКлассы боковых цепей АминокислотыАлифатические (без аром. связей) глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин.

Гидроксил- или серосодержащие серин, треонин, цистеин, метионин

Ароматические фенилаланин, тирозин, триптофан

Основные гистидин, лизин, аргинин

Кислые и амиды аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, аспарагин, глютамин

Циклические пролин

Аминокислоты – боковые цепи

Пептидные связи

Пептидная связь образуется в результате взаимодействия α – углерода карбоксильной группы одной аминокислоты и α –аминогруппы другой аминокислоты.

Пептидные связи

Торзионный угол C,N,Cα,C называется φ.

Торзионный угол N,Cα,C,N называется ψ.

Торзионный угол Cα ,C,N,Cα ) называется ω.

HDF5 format

АминокислотыБоковые цепи

χ-угол: торсионный угол, образованный атомами углерода боковой цепи

АминокислотыБоковые цепи

Основные белковые структуры• Первичная структура – последовательность аминокислот

• Вторичная структура – это локальная организация главной полипептидной цепи без учёта конформаций отдельных боковых групп (R групп).

Вторичная структура. спираль ( helix)

H связь: N-H i -> C=O i+4

Linus Pauling, Robert Corey, Max Perutz

Правозакрученная спираль.

Каждая аминокислота соответствует повороту на 100° - 3,6 аминокислоты на виток и трансляции на 1,5 Å вдоль оси.

Вторичная структура. спираль ( helix)Геометрия

310 спираль – H связь: N-H i -> C=O i+3 Концы стандартной спирали

π спираль – H связь: N-H i -> C=O i+5

Вторичная структура. спираль ( helix)Геометрия, углы

Торсионные углы, типичные для α-спирали (φ, ψ) – -60°, -45°. Иными словами, сумма ψ одной аминокислоты и φ следующей ~ -105°.Cумма углов 310 спирали ~ -75°,

π-спирали ~ -130°.

Угол Ω:3cosΩ=1-4cos2((φ+ψ)/2)               

спираль - представление

Вторичные структуры. структуры

лист

William Astbury

Вторичные структуры. структурыГеометрия

Расстояние Сαi – Сαi+2 ~ 6Å

Расстояние между двумя нитями ~ 5Å

Углы: φ ~ -135°, ψ ~ 135°

Антипараллельный лист

Параллельный лист

структуры - представление

Обратные повороты и петли

Super Secondary элементы: мотивы

β изгибы

>2

β углы / α изгибы /α-α углы

Спираль-поворот-спираль

Ramachandran Plot

• Sasisekaharn – Ramakrishnan -Ramachandran plot отображает “допустимые” области для углов φ и ψ.

• Повторяющиеся величины φ и ψ вдоль пептидной цепи регулярные структуры.

Ramachandran Plot

αR - phi ~-57o и psi ~-47o.

cytochrome C-256

β - phi ~-110->-140o и psi ~110->135o

plastocyanin

Домены

Домен – элемент в протеине, свернутый независимо от белка, часто соединенный с подвижной, гибкой, бесструктурной частью.

1) Домен – функциональный элемент белка.

2) Эволюционно сохранившиеся элементы.

Основные структуры белков• Третичная структура – 3D структура всего белка с учётом

конформации боковых цепей.

• Четвертичная структура – 3D организация субъединиц (доменов) и белков в надмолекулярные комплексы

Все в спирали

alamethicin

Спираль-поворот-спираль

RNA-binding protein Rop

Связка из 4-х α спиралей

Ферритин

Все – D структуры

-/ 3D белковые структуры

Сборка из β-α-β единиц:

• Bacterial and mammalian pancreatic ribonucleases. • Lysozome. • Ubiquitin. • Histidine-Carrier protein. • Cysteine proteases such as papain and actinidin. • Zinc Metallo-proteases. • SH2 domains.

α+β 3D белковые структуры

Четвертичная структура

Wheat germ agglutin (9wga chain A)