Globulāro proteīnu struktūras un to klasifikācija

2. lekcija

1

Proteīni

Globulārie Fibrillārie

• Veido kompaktas, globulām līdzīgas struktūras

• Veido izstieptas, pavedienieniem vai plāksnēm līdzīgas struktūras

2

Viendomēna un daudzdomēnu proteīni

• Tā kā daudzdomēnu proteīnos katra domēna struktūra var būt radikāli atšķirīga, parasti strukturāli klasificē individuālus domēnus

3

Proteīnu domēni

spirāles saturošie

plāksnes saturošie

jauktie

4

Alfa domēnu struktūras

5

• spirāles ir ļoti bieži sastopamas proteīnos

• Vai spirāle var pastāvēt viena pati?

Izolētai spirālei nav hidrofobā kodola, tāpēc šķīdumā tā būtu ļoti nestabila

Divas (vai 3,4, utt) spirāles var pakoties kopā un veidot hidrofobo kodolu

Hidrofobais kodols

6

Savītā spirāle (“leicīna rāvējslēdzis”)

• Vienkāršākais veids, kā savienot 2 spirāles

• Fibrillārajos proteīnos savītās spirāles var būt simtiem aminoskābju garas

• Globulārajos proteīnos savītās spirāles ir daudz īsākas (~10-30 atlikumu)

7

Heptādes atkārtojumi

• d: Parasti Leu

• a: hidrofoba aminoskābe

• e, g: bieži lādēta aminoskābe

• b,c,f: lādēta vai polāra

a b c d e f g

Met Lys Gln Leu Glu Asp Lys

Val Glu Glu Leu Leu Ser Lys

Asn Tyr His Leu Glu Asn Glu

Val Ala Arg Leu Lys Lys Leu

1

8

15

22

2x3.5=7 (heptāde...)Leu rāvējslēdzī spirālē ir 3.5 (nevis 3.6) atlikumi vienā apgrizienā

8

Leu pakojas pret Leu

Oriģinālais Leu rāvējslēdža koncepts (nepareizs!)

Eksperimentāli noteiktā struktūra

9

Mijiedarbības savītajā spirālē

• Hidrofobajā kodolā mijiedarbojas leicīni un citi hidrofobi atlikumi

• Spirāļu sānus savieno pretēji lādēti atlikumi

• Uz ārpusi ir vērsti polāri un lādēti atlikumi 10

«Kniedes caurumā» («knobs in holes») modelis savītajā spirālē

• Leicīns («kniede») no vienas spirāles pakojas starp 4 citiem atlikumiem no otras spirāles

Leu

Val

Leu

Val

Lys

11

Četru spirāļu saišķis• Visizplatītākais spirāļu pakošanās veids

globulārajos proteīnos

12

4-spirāļu saišķī spirāles var būt paralēlas vai anti-paralēlas

13

spirāļu domēni var būt lieli un komplicēti

14

Globīna folds

• Viena no vissvarīgākajām struktūrām

• Atrodas daudzos neradniecīgos proteīnos

• Cilvēkiem: mioglobīns & hemoglobīns

• Aļģēm: gaismas savākšanas komplekss

• Satur 8 spirāles, kuras veido liganda piesaistīšanās centra kabatu

15

Mioglobīns

16

Hemoglobīns

• Mioglobīns ir atrodams muskuļos kā skābekļa glabātuve

• Hemoglobīns transportē skābekli no plaušām uz pārējo organismu

• Mioglobīns ir monomērs• Hemoglobīns satur 4

monomērus: 2x un 2x • un ķēdes ir strukturāli

līdzīgas un tām ir globīna folds

17

Sirpjveida anēmija: molekulāra slimība

• Veidojas, ja Glu 6 ķēdē mutējas par Val

18

Hemoglobīna molekulu polimerizācija sirpjveida anēmijā

• Mutētais valīns ievietojas citas hemoglobīna molekulas hidrofobajā kabatā

19

Mutantā hemoglobīna šķiedras eritrocītos

Sirpjveida eritrocīts

Normāls eritrocīts

• Mutantais hemoglobīns spēj transportēt skābekli tikpat labi, kā normālais

• Bet – sirpjveida eritrocītiem ir tendence veidot «sastrēgumus» kapilāros

20

Kāpēc Glu 6 mutācija evolūcijas laikā nav eliminēta?

• Mutācija pārsvarā satopama Āfrikā• Homozigotiem indivīdiem ir nodrošināta

aizsardzību pret malāriju• Heterozigoti indivīdi ir asimptomātiski un viņiem

malārija ir vieglā formā 21

Malārijas vēsturiskā izplatība

Sirpjveida anēmijas izplatība Āfrikā

Malārijas patreizējā izplatība

22

Beta struktūras

Daudz mucu...

23

Beta struktūru vispārējs raksturojums

• Funkcionāli, ļoti dažādi proteīni (antivielas, enzīmi, transportproteīni, utt)

• Otra lielākā proteīnu domēnu grupa (pēc )

24

Beta struktūru kopīgās īpašības

• Veidotas no 4 līdz 18+ virknēm

• virknes pārsvarā ir novietotas antiparalēli (izņemot beta spirāli)

• Parasti sastāv no 2 beta plāksnēm, kuras ir novietotas viena pret otru, veidojot -mucu, “saspiestu” -mucu vai “sendviču”

• Dažu cilpu vietā var būt -spirāles

25

β mucas

• Regulāras beta mucas sastāv no vienas beta plāksnes, kur pirmā (t.i., N-gala) beta virkne veido H-saites ar pēdējo (t.i, C-gala)

N- gala beta virkneC-gala beta

virkne

26

Topoloģija

• Strukturālajā bioloģijā topoloģija ir veids, kādā savienoti otrējās struktūras elementi:

27

• Visvienkāršākā topoloģija

Augšup-lejup mucas

28

Augšup-lejup mucas piemērs: retinola piesaistīšanas proteīns (RBP)

• Retinols (vitamīns A) ir hidrofobs savienojums, kurš vāji šķīst ūdenī

• Organismā retinols cirkulē ar transportproteīnu RBP palīdzību

29

RBP retinola piesaistīšanās centrs

• Hidrofobā daļa piesaistās hidrofobā kabatā

• Hidroksilgrupa ir eksponēta pret solventu

OH30

Oscilējoša struktūra RBP aminoskābju sekvencē

• Katra otrā aminoskābe ir hidrofoba• Hidrofobās aminoskābes ir novietotas pret kodolu• Polārās, lādētās un dažas nelielas hidrobobas aminoskābes ir

eksponētas uz virsmas31

-kristalīns

• Atrodas acu lēcās• Katrs domēns

sastāv no 2 grieķu atslēgas motīviem

• Abi motīvi ir savienoti ar vienu savienojumu

• Abas mucas ir saplacinātas

32

Gēnu duplikācija -kristalīna evolūcijā

• Diviem domēniem ir aptuveni 40% sekvences identitāte

• Diviem viena domēna motīviem ir 20-30% identitāte

1.2.

x 2 x 233

Ruletes (“Jelly roll”) -muca

• Ruletes -muca veidojas, satinoties 8 virkņu antiparalēlai beta matadatai 34

Divas grieķu atslēgas ruletes -mucā

• Viens grieķu atslēgas motīvs ir ievietojes otra motīva cilpā

35

Ruletes muca vīrusos• Ļoti bieži sastopams domēns dažādos sfēriskajos vīrusos• Vīrusos muca ir saplacināta un ar spirālēm dažu cilpu vietā• Piemērs: rinovīruss (t.i. iesnu vīruss)• Rinovīrusa daļiņa satur 180 monomērus ar ruletes mucas domēna struktūru

x180

36

Visu klasisko 8 virkņu -mucu salīdzinājums

Augšup-lejup -kristalīna veida ruletes 37

Vēl viena -muca – himotripsīna folds

• Himotripsīns – gremošanas traktā sastopama proteāze, kas sašķeļ barībā esošos proteīnus

• Himotripsīna, tripsīna un citu serīna proteāžu struktūra sastāv no diviem līdzīgiem domēniem

• Dažiem ne-proteāžu proteīniem arī ir līdzīga sruktūra• Viens grieķu atslēgas motīvs un viena -matadata (kopā

sešas -virknes) veido mucu• Aktīvais centrs atrodas starp abām mucām

38

Himotripsīna struktūra

1. domēns

2. domēns

Grieķu atslēga

β matadat

a

Aktīvais centrs

39

Zaļās fluorescences proteīns

• - muca sastāv no 11 virknēm, topoloģija atšķiras no visām iepriekš apskatītajām

40

spirāle• Divi dažādi veidi – divu un trīs plākšņu spirāles

• Abi varianti ir novirzes no idealizētas vienas virknes spirāles

• Nejaukt ar spirāli, kura ir daudz šaurāka

• Atšķirībā no iepriekš apskatītajām struktūrām, veidota no paralēlām virknēm

Idealizēta -spirāle (realitātē neeksistē)

-spirāle

41

Divu plākšņu spirāles struktūra un tās sekvence

X7

U8

X9X7

U8

X9

Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X

X=jebkura aminoskābe

U=bieži Leu

Starp cilpām ir Ca2+ joni42

Trīs plākšņu spirāle

Ir novērotas gan labās, gan kreisās vītnes 3 plākšņu spirāles

Sekvences motīvs - heksapeptīds[LIV] [GAED] XX [STAV] X 43

Pektāta liāzes struktūra

44

struktūras

Mucas, plāksnes un pakavi

45

Kopīgās iezīmes

• Paralēlas virknes ir izkārtotas plāksnēs vai mucās

• Individuālas virknes ir savienotas ar spirālēm

• motīvs ir galvenā sastāvdaļa

46

TIM muca

Pirmo reizi novērots enzīmā Triozes fosfāta Izomerāzē47

TIM mucas kodols

• Kodols ir piepakots ar hidrofobām aminoskābēm

• Sānu ķēdes izkārtotas 3 slāņos

48

TIM muca kā domēns

• Daudzdomēnu proteīnos ar TIM mucu, enzimātiskā funkcija vienmēr lokalizējas TIM mucas domēnā

49

Aktīvā centra novietojums TIM mucas enzīmos

• Aktīvais centrs ir novietots mucas augšpusē starp cilpām virkņu C-galā

50

TIM mucas: enzīmu evolūcijas piemērs

• Mutējot aminoskābes aktīvā centra cilpās evolūcijas gaitā var rasties enzīmi ar pilnīgi jaunu funkciju

• Varētu būt, ka visi TIM mucu saturošie enzīmi ir evolucionāri radniecīgi

• Ir konstatētas TIM mucas ar līdzīgu sekvenci, bet ļoti atšķirīgām enzimātiskajām funkcijām

51

-pakava folds

Parastais zirga pakavs pakavs

52

pakava hidrofobais kodols

• Atrodas starp virknēm un spirālē, NEVIS pakava vidū

• Daudz leicīnu

53

Leicīna bagātie atkārtojumi (LRR, leucine rich repeats)

pakava proteīnos

• a- alifātiska aminoskābe

• X- jebkura aminoskābe

• LRR sekvence ir pietiekoši konservatīva, lai pakava proteīnus varētu atpazīt tikai no aminoskābju sekvences

54

atvērtā savērptā (open twisted) plāksne

• Paralēla vai jaukta plāksne ar spirālēm abās pusēs

• virkņu skaits var būt no 4 līdz 10• Saukts arī par Rosmana foldu

55

Topoloģija

• TIM mucu un LRR proteīnos topoloģija ir fiksēta

• atvērtajā savērptajā plāksnē topoloģija var būt ļoti dažāda

TIM

piemēri atvērtajai savērptajai plāksnei 56

Aktīvā centra novietojums atvērtajā savērptajā plāksnē

• Aktīvais centrs atrodas to divu -virkņu C-galos, no kurām cilpas iet uz pretējām plāksnes pusēm

57

Parastie sendviči

Sendviči....

Proteīnu struktūru sendviči

58

Proteīnu struktūru senviči

• Daudzslāņainas molekulas, katrs slānis ir veidots no vai struktūras

• Visbiežāk sastopamie: • dubultais sendvičs• trīskāršais sendvičs• trīskāršais sendvičs• dubultais sendvičs• atvērtā savērptā plāksne ir ...• Pareizi, trīskāršais sendvičs

59

Vai ir arī citi proteīni?

• Pastāv vēl ļoti daudz proteīnu foldu

• Lielākajai daļai to tiem ir ļoti maz pārstāvju, tādēļ tie sīkāk netiks apskatīti

60