MOLEKULÁRIS BIOLÓGIA 12006 tavaszi szemeszter

2. Előadás 2006. 02. 06.

Boros Imre tanszékvezető egyetemi tanár

Makromolekulák szerkezete: fehérjék(22 dia)

FEHÉRJÉK SZERKEZETE

ALAPOK:G.J. Mulder, J.J. Berzelius 1839: proteinekAz első ismert fehérje szerkezetek: mioglobin (1958. J Kendrew, MRC) és a hemoglobin.

20 aminosav, az L-forma (de Gly), ikerion, peptid kötés,

Alapismeretek a fehérje szerkezetek leírásához:Aminosavak csoportosítása:

Hidrofób oldallánc Töltött oldallánc

Poláros oldallánc(aromás, S-tartalmú, az oldalláncon -NH2 –OH , -SH csoportot tartalmazó stb. csoportosítási lehetőségek)

Módosított aminosavak

Hydrofobicitás: a számolás alapja az aminosavak oldhatósága különböző oldószerekben, teoretikus energia számítások, stb.

Fehérjékre rendszerint 20-20 aminosavakból álló ablakokkal számolják. (Minél pozitivabb érték, annál erősebben hidrofób)

Aminosavak csoportosítása

A peptidkötés

C-CO-NH-C peptid egységek egy síkban, rotációs szög az N-C között: phi, : a C-C között psi, ( viszonyítás a mindkét peptid kötést tartalmazó síkhoz, ahol és =0). A és szögpárok egymással szemben ábrázolva a Ramachandran plot. Szterikus okok miatt nincs szabad kombináció, hanem a szögek jellegzetes csoportosuló eloszlást mutatnak. Kivétel a Gly, mert mivel ennél csak egy H az oldallánc, sokkal nagyobb a szabadság a különböző konformáció felvételére. A Gly szokatlan konformációkat is megenged a peptidláncban.

Szerkezeti jellegzetességek: A peptid kötés polaritása miatt a fő lánc poláros, hidrofil, egy H-híd donor (NH) és egy acceptor (CO) csoport minden peptid egységre.

A szerkezetet fenntartó kötések és erők:

Diszulfid hidak: Ciszteinek között, képződése oxidációval az ER-ben. A citosol redukáló hatású az abban előforduló fehérjékben nem gyakori híd. Gyakrabban a szekretált extracelluláris proteinekben fordul elõ. Lehet különbözô polipeptid láncok között pl inzulin, vagy gyakrabban láncon belül, pl proteáz inhibítorokban.

Ionos kölcsönhatások – töltéssel rendelkező aminosav oldalláncok

Hidrogén hidak (peptidkötés-peptidkötés, peptidkötés- oldallánc, oldallánc-oldallánc)

Hidrofób kölcsönhatások

A fehérje belső része a hidrofób core a külső felszín hidrofil. A fő lánc poláros csoportjai egymással H-hidakat formálva semlegesítődnek. Ennek megfelel az -hélix és a -lemez szerkezet.

Az aminosav sorrend meghatározza a fehérje térszerkezetet.(De: ne feledkezzünk el a dajka fehérjék szerepéről (segítség kell a térszerkezet kialakításához/fenntartásához) és a prionokról (több mint egy stabil térszerkezet is lehet) (denaturáció: a térszerkezetet biztosító kötések megszüntetése pl. ureában, reverzibilis vagy irreverzibilis)

A H-hidakban résztvevő atomok:

A fehérje szerkezetet fenntartó kölcsönhatások:

Az alfa-hélixben minden H-híd egy iránybamutat, ezért az eredő dipol momentum egy részleges pozitív töltést eredményez a hélix N-terminális végén és részleges negatív töltést a C- terminális végen. Mivel a Pro esetében az oldallánc utolsó atomja a főlánc N atomjához kötött ez utóbbi nem vehet részt H-kötésben. Ennek eredményeként a Pro egy hajlást eredményez a hélixben.

Jó helix formáló oldalláncok: Ala, Glu, Leu, Met,

Rossz hélix formáló oldalláncok: Pro, Gly, Tyr, Ser,

“Helical wheel” vagy spirál plot: A membránt átívelő régiók rendszerint hidrofób oldalláncokat

tartalmazó hélixek. Szinte kizárólag alfa-hélix szerkezetűek a keratinok.

Másodlagos szerkezeti elemek

-hélix 3,6 aminosavmaradék/fordulat, a hélix sugara 2,3 Å, a menetemelkedés 5,44 Å fordulatonként, 1,5 Å aminosavanként. H-híd az n-ik CO és n+4. NH között.Változó hosszúság, 4-5-50 aminosavátlagosan 10, azaz három fordulat, Majdnem mindíg jobbra csavarodó gyakorlatilag balra csavarodó alfa hélix nem megengedett L aminosavakból,

-lemez

Ellentétben az -hélixekkel, a -lemez részeket kölönböző, nem folyamatos részek alkotják.

Rendszerint 5-10 aminosav maradékból álló részek majdnem teljesen kinyújtott láncban. H-hidak az egyik rész NH és a másik CO csoportjai között és fordítva. Paralell vagy antiparalell attól függően, hogy a résztvevő beta-láncok azonos vagy ellentétes irányultságúak. A paralellben a H-hidak egyenletesen, az antiparalellben közeli

H-híd párok távolabbi H-híd párokkal váltakoznak.

A beta-láncok egymást követő C atomjai váltakozva egy kicsit a lemez síkja fölött és alatt vannak (pleated).

Jellegzetes példa a béta lemez szerkezetû fehérjékre a selyem fő fehérjéje.

Loop (hurok) régiók és törések/fordulatok:

Ezek kapcsolják össze a szabályos szerkezetű részeket. Rendszerint a felszínen, a CO és NH csoportok gyakran a vízzel formálnak H kötéseket.

Rendszerint poláros, hidrofil oldalláncokban gazdagok. Itt gyakoribbak az evolúció során létrejött változások. Gyakran szerepelnek ligand-kötő helyekben pl. az antitest kötőhelyek az elenanyagokban 6 loop régióból épülnek fel.

alfa-hélix

béta-lemez

Antiparalell beta lemez

Paralell beta lemez

Motívumok: másodlagos szerkezeti elemek hasonló geometriai elrendezésben viszonylag gyakran előforduló egyszerű kombinációi.

Gyakran kapcsolhatók valamilyen specifikus funkcióhoz (pl. DNS kötés) vagy nagyobb funkcionális részek elemei.

Gyakori motívumok:

helix-loop-helix: pl. DNS kötő és Ca-kötő fehérjékben (calmodulin) a 12 aminosavnyi loop régió köti a Ca-ot.

hajtű vagy beta-beta szerkezet:(hairpin motif) Két antiparalell lánc összekapcsolódva egy 2-5 aminosavmaradékból álló hurokkal (pl marha tripszin inhibítorban). Nem kapcsolható hozzá specifikus funkció.

Görög kulcs motif (greek key motif) Négy vagy öt szomszédos antiparalell beta lánc pl. a Staphylococcus nucleázban. Nem kapcsolható hozzá specifikus funkció.

beta-alfa-beta motif: Két paralell béta lánc összekapcsolva egy alfa-helixel, közöttük egy-egy loop. Pl szubtilizinben.

béta-hordó: pl a triózfoszfát izomerázban

Az egyes szerkezeti elemek előfordulásaegyes fehérjékben nagyon eltérő arányú lehet

Coiled-coil szerkezet:

Az alfa-hélixet alkotó fehérjében minden 4. vagy 7. pozícióban hibrofób aminosav helyezkedik el. Két egymás mellett elhelyezkedő hélix esetében a hidrofób oldalláncok egymással hidrofób-hidrofób kölcsönhatásba lépnek és a két hélix egymásba tekeredő hélixet (coiled coil) alkot.

A fehérje szerkezetek hierarchiája:

Elsődleges szerkezet: aminosav sorrend

Másodlagos szerkezet: Lokálisan előforduló, szabályos ismétlődést mutató

szerkezetű részek: alfa-helixek, béta-láncok és hurkok. Rendszerint egyszerű motivumokba rendeződve.

Harmadlagos szerkezet: A motivumok kombinálódása kompakt, globuláris

egységekké - doménekké.

A domain a harmadlagos szerkezet alapvető egysége. Egy stabil harmadlagos szerkezetet felvenni képes teljes polipeptid lánc, vagy polipeptid lánc rész. Gyakran egy-egy domén egy-egy funkcionális egységnek felel meg. Rendszerint a polipeptid láncban egymás közelében elhelyezkedő szerkezeti motívumok kombinációi építik fel.

A harmadlagos tehát az a szerkezet, amit a teljes polipeptid lánc - egy vagy több domént alkotva - a térben felvesz.

Negyedleges szerkezet: A több azonos vagy különböző alegységből kialakuló

fehérje szerkezete. A polipeptidláncok/alegységek száma, mérete

funkcionális és szerkezeti hasonlósága vagy eltérése, valamint összekapcsolódásuk módja is változatos lehet.

Fehérje szerkezetek hierarchiája: Az influenza vírus hemaglutinin:elsődleges (aminosav sorrend), másodlagos (alfa-helix és beta-lemez szerkezetek előfordulása), harmadlagos (a teljes polipeptid lánc térbeli tekeredése) és negyedleges (a három polipeptid lánc kölcsönhatásával létrejött, szénhidrát oldallánc módosításokat tartalmazó, biológiailag aktív fehérje) térszerkezete

Harmadlagos szerkezet: Az egy vagy több domént alkotó teljes polipeptid lánc térbeni szerkezete

A gyakran önálló funkcióval társítható azonos domének előfordulása fehérje családokban a fehérje evolúció mechanizmusára utal (domének és exonok megfelelése, exon keverés elmélet)

Az src onkoprotein két fehérje-fehérje kölcsönhatásban szerepet játszó domént (SH2 és SH3) és két protein kináz domént tartalmaz

A fehérje harmadlagod szerkezet az evolúció során jobban megtartott mint a primer szerkezet

Fent: két szerin proteáz, melyek igen hasonló térszerkezetűek, bár aminosav sorrendjükben csak mérsékelten hasonlóak (a zölddel jelzett részek).

Lent: élesztő és ecetmuslica szabályozó fehérjék, amelyek aminosav sorrendjükben alig (fekete pontok), térszerkezetüket tekintve viszont igen jól hasonlítanak egymáshoz ( a jobboldali kép a két térszerkezet egymásra illesztve a két peptidlánc lefutását leíró ábrázolásban – az egyetlen jelentős eltérés a két fehérje között egy loop régióban van (narancsszinű pontok).