Valkude ruumiline struktuur

1. Valkude struktuuri määravad faktorid

2. Valkude sekundaarstruktuur

3. Valkude tertsiaarstruktuur

4. Valkude kvaternaarstruktuur

5. Valkude struktuuri näiteid: RibonukleaasA, Müoglobiin, Hemoglobiin, Insuliin

Valkude struktuur?

• Bioloogiliste makromolekulide struktuur kirjeldatakse erinevatel tasanditel

• primaarstruktuur• sekundaarstruktuur• tertsiaarstruktuur• kvaternaarstruktuur

PRIMAARSTRUKTUUR. Aminohappe jääkide lineaarne järjestus

SEKUNDAARSTRUKTUURID

-heeliks -leht

DOMEENID ehk SUPERSEKUNDAARSTR

TERTSIAARSTRUKTUURHemoglobiini ahel

KVATERNAARSTRUKTUUR4 hemoglobiini ahelat moodustavadOligomeerse valgu molekuli

KVATERNAARSTRUKTUUR- ja tubuliiniassotseerumine mikrotorukeseks

Millised faktorid determineerivad valkude ruumilise struktuur?Kuidas on seotud valgu ruumiline struktuur ja valgu füüsikalised-keemilised omadused?

Valkude ruumiline struktuur- regulaarne või irregulaarne?

1. Primaarstruktuurid tohutult varieeruvad2. 1934- pepsiini kristallidelt difraktsioon3. 1958- müoglobiini struktuur (Kendrew)4. 1965- lüsotsüüm

Ca 10000 valgu struktuur praeguseks teada

“Perhaps the most remarkable features of the molecule are its complexity and its lack of symmetry. The arrangement seems to be almost totally lacking in the kind of regularities which one instinctively anticipates, and it is more complicated than has been predicted by any theory.”

John Kendrew- kommenteerides esimest globulaarse valgu kristallstruktuuri, Cambridge University, 1958

Valkude struktuurse organisatsiooni tasemed

1. Primaarstruktuur- aminohappeline järjestus

2. Sekundaarstruktuur- polüpeptiidahela peaahela ehk selgroo aatomite lokaalne paigutus arvestamata külgahelate konformatsiooni

3. Tertsiaarne struktuur- Polüpeptiidi kui terviku ruumiline struktuur

4. Kvaternaarne struktuur- subühikute ruumiline organisatsioon

PRIMAARSTRUKTUUR. Aminohappe jääkide lineaarne järjestus

SEKUNDAARSTRUKTUURID

-heeliks -leht

DOMEENID ehk SUPERSEKUNDAARSTR

TERTSIAARSTRUKTUURHemoglobiini ahel

KVATERNAARSTRUKTUUR4 hemoglobiini ahelat moodustavadOligomeerse valgu molekuli

KVATERNAARSTRUKTUUR- ja tubuliiniassotseerumine mikrotorukeseks

Valgu ruumilise struktuuri määravad:

• peaahela ja kõrvalahela lubatud

konformatsioonid

• struktuuri stabiliseerivad interaktsioonid

•H-sidemed•Ioonsed sidemed•Hüdrofoobne interaktsioon•Kovalentsed sidemed•Metalliioonide koordinatsioon

Peptiidtasand hallC-mustO-punaneH-valgeR-lilla

Peptiidrühma ruumiline struktuur I

Peptiidrühm on jäik tasapinnaline struktuur resonantsi tõttu, peptiidside on olulisel määral kaksiksideme iseloomuga

C-N side 0.13Å lühem kui N-C üksikside

C-O side karbonüülrühmas on 0.02A pikem kui ketoonidesPeptiidside on tavaliselt trans konformatsioonis

trans konformatsiooni korral on C aatomit teine teisel pool peptiidsidet

Põhjus: steerilised efektid kõrvalahelate vahel

•Pro jääkide korral steerilised probleemid puuduvad cis sideme jaoks

•Pro amiidse lämmastiku osavõtul 10% cis side

•Peptidüül prolüül cis-trans isomeraas

Peptiidahela konformatsioon Peptiidahel on kujutatav üksteisele järgnevate planaarsete peptiidrühmade ahelana

Peptiidahela konformatsioon määratud kahe torsioonnurga abil, mis kirjeldavad pöörlemist C-N () ja C-C() sidemete ümber

Kokkuleppeliselt on ja 180o siis kui polüpeptiidahel on maksimaalselt väljavenitatud konformatsioonis ja suurenevad kellaosuti suunas vaadatuna C poolt.

Kas suvalised javäärtused on lubatud?

Lubatud peptiidahela konformatsioonid on arvutatavad, vastavaid ja paare kujutatakse Ramachandrani blotil

Erandid:1. Pro korral fikseeritud ca 60o

2. Gly korral , millel puudub C, on jalubatud väärtused palju laiemates piirides.

Regulaarsete (korduvate) javäärtustega sekundaarstruktuurid

1. heeliks2. struktuur

heeliks: 1951 Paulig

• Ainuke heeliks, mis vastab piiranguteta Ramachandrani blotile ja millel on energeetiliselt kasulikud regulaarsed H sidemed

• 3.6 aminohapet tiiru peale heeliksi tõus 5.4 A • Keskmine heeliski pikkus 12 aminohappe jääki, 18

A • Peptiidrühma karbonüül moodustab H sideme n+4

peptiirühma N-H rühmaga, iga amiidi vesinik ja karbonüüli hapnik moodustavad sideme

• Heeliksi sisemuses aatomid tihedalt pakitud • Mitu heeliksit võivad valgus omakorda kokku

keerdunud olla

2 olulist regulaarset sekundaarstruktuuri, kus vesiniksidemed peaahela elementide vahel stabiliseerivad molekuli on:

heeliks

•Karbonüülrühmad on suunatud heeliksi struktuuris ühele poole, mis loob dipoolmomendi• heeliks on sageli raskesti vees lahustuv

Regulaarsete (korduvate) javäärtustega sekundaarstruktuurid II

struktuur: Paulig ja Corey 1951- volditud leht

H sidemed ei moodusta sama ahela vaid külgneva ahela rühmitustega: lehe struktuur. Stabiliseerivad H sidemed tekivad üksteisest kaugel asuvate aminohappe jääkide vahel.

1. Antiparalleelne leht- ahelad suunatud vastupidi2. Paralleelne leht- ahelad suunatud samapidi

lehed koosnevad 2..12 ahelast, iga ahel keskmiselt 6 aminohappe jääkiParalleelsed lehed alla 5 ahela haruldased, nende stabiilsus väiksem. Sageli esinevad segamini paralleelne antiparalleelne.Lehed tihti parempoolse pöördega Ahelate omavahel ühendamise topoloogia võib olla kompleksne

• lehe struktuuris ei ole karbonüülid orienteeritud ühes suunas nagu heeliksi korral.• heeliksis on ühe aminohappe jäägi kohta 0.15 nm heeliksi pikkuses, lehe struktuuris 0.32-0.34 nm•Mõlemad regulaarsed struktuurid on sageli bipolaarsed. Solvendi poole eksponeeruvas osas paiknevad polaarsed ja laetud aminohappe jäägid

Pöörded ja aasad ehk lingud

Pööre- peptiidahela suund muutub vastupidiseks4 aminohappe jääkiÜhendab regulaarse sekundaarstruktuuriga (-heeliks, -leht) regioone

Aas ehk ling- samuti ilma sekundaarstruktuurita 6-16 jääki pidev lõikÜhendab samuti regulaarse sekundaarstruktuuriga regioone

Moodustavad olulise osa globulaarsete valkude struktuurist. Nurgad jajärjestikuste jääkide jaoks on erinevad

pöörded, stabiliseeritud H sidemega, peptiidahel muudab järsult suunda tüüpiliselt 4 aminohappe jääkiTüübid I ja II, olenevalt 2 ja 3 AH jääki ühendava sideme konformatsioonist. 2 jääk sageli Pro, II tüüpi pöördes 3 jääk Gly

lingud ehk aasad, 6-16 jääki, kõrvalahelad täidavad aasa. Sageli valkude pinnal

Kas sekundaarstruktuur on ennustatav primaarstruktuurist lähtudes?

Chou ja Fasman 1976

•Homoloogia alusel mudeldamine•Valkude pakkumise mudeldamine•Irregulaarsused standardsetes struktuurides•Helix capping (Asn, Gln)

Valgud jaotatakse ajalooliselt globulaarseteks ja fiibervalkudeks

Esialgne jaotus morfoloogia alusel

Fiibervalgud- domineerib 1 sekundaarstruktuur

Fiibervalgud on tüüpiliselt vees lahustumatud kasutusel sidekudedes

Näited: Kollageen, keratiin, siidi fibroiin

Globulaarsed valgud- vees lahustuvad. Enamus valke rakkudes. Heterogeense sekundaarstruktuuriga. Oluline tertsiaarstruktuur

tuleneb ebareeglipärastest külgahelate interaktsioonidest

(interaktsioonid solvendiga, hüdrofoobne interaktsioon, ioonsed interaktsioonid, vesinikside ja kovalentsed sidemed)

Kollageeni kolmikheeliks- imetajal on 1/3 valgust kollageen

•Kollageeni struktuur moodustab kolmikheeliksi•Heeliks on vasakpoolne ja rohkem välja venitatud kui -heeliks. •Kollageeni kolmikheeliks on stabiliseeritud vesiniksidemetega, mis on võimalikud tänu ebaharilikule primaarstruktuurile• Primaarstruktuur koosneb kordustest Gly-Xaa-Yaa•Xaa on enamasti Pro ja Yaa hüdroksüproliin

Vitamiin C ehk askorbiinhappe peamine funktsioon on osalemine kollageeni proliini ja lüsiini jääkide hüdroksüleerimine

Valkude tertsiaarstruktuur

Valkude ruumilise struktuuri määramiseks

1. Röntgenstruktuuranalüüs2. NMR

1.Vajalikud valgu kristallidTüüpiliselt saavutatav 2-3.5ÅlahutuvusVajalik primaarstruktuurEeldatavasti kristallstruktuur kattub struktuuriga lahuses

2.NMR töötab valgu lahusegaLimiteeritud ca 30 kD suurusete valkudega

Valkude tertsiaarstruktuur II

Globulaarsete valkude aminohapete jääkide paiknemine on seaduspärane

1. Mittepolaarsed V, L, I, M F paiknevad peamiselt gloobuli sisemuses

2. Laetud R, H, K, D, E on tavaliselt pinnal solvendile eksponeeritud3. Polaarsed neutraalsed on tavaliselt pinnal kuid ka gloobuli sees,

kus moodustavad H sidemeid

Valkude sekundaarstruktuuri elemendid kombineeritakse erinevatel viisidel

Hemoglobiin Konkanavaliin A Trioosfosfaadi isomeraas

Valkude sekundaarstruktuuri elemendid moodustavad supersekundaarstruktuure ehk

motiive

1. motiiv2. juuksenõel3. motiiv4. tünnid

Valgud, mis on suuremad kui 200 ah jääki moodustavad tavaliselt struktuurselt iseseisvaid globulaarseid klastreid ehk domeene

Valkude pakkumine ja stabiilsus

Natiivsed valgud on sageli väga kergelt denatureeritavad: 100 aminohappe jäägi kohta 40 kJ/mol so kahe H sideme energia!

Valgu struktuuri stabiliseerivad faktorid:1. Hüdrofoobne efekt NB! Aminohapete hüdropaatia

indeks2. Elektrostaatiline interaktsioon: Van der Waals, H side, ioonipaarid3. Kovalentsed sidemed: SS sillad tsüsteiini jääkide vahel4. Stabiliseerivad metallioonid (Zn finger)

Valkude denaturatsioon ja renaturatsioon

Denatureerivad faktorid1. Temperatuur. Termiline denaturatsioon on

kooperatiivne. Muna keetmine2. pH – HCl maos3. Detergendid4. Kaotroopsed ühendid (Guanidiinium ioon,

karbamiid)

Denatureeritavad valgud on renatureeritavad(Anfinseni eksperiment 1957)

Rnaas A spontaanne renaturatsioon tõestas, et primaarstruktuur determineerib kolmemõõtmelise struktuuri

Valkude pakkumine in vivo- juhuslik variantide läbiproovimine?

Ei, selleks pole aega

1. Lokaalsete sekundaarstruktuuride formeerumine 5 ms

2. Tertsiaarstruktuuri moodustumine algab, subdomeenide teke , hüdrofoobne kollaps 1s

3. Domeenide lõplik moodustumine, H sidemed 5s4. Multidomeense struktuuri moodustumine

Pakkumise kiirendamine in vivo ensüümide abil1. PDI, disulfiidi isomeraas2. Tshaperonid (Hsp70, tshaperoniinid)

Hemoglobiin ja müoglobiin

Hemoglobiin- hapniku transportimine veres. Punaste vereliblede valk

Müoglobiin- lihasrakkude valk

Mõlemad valgud sisaldavad heemi prosteetilise rühmana

Müoglobiin- 1 heemi rühmHemoglobiin- 4 heemi rühma

Kopsudes, kus hapniku partsiaalrõhk on kõrge, seondub hemoglobiin hapnikuga:

Hb + 4O2 Hb(O2)4

Lihasrakkudes, kus hapniku partsiaalrõhk on madal, vabaneb hapnik hemoglobiiniga kompleksist

Hb(O2)4 Hb + 4O2

Space-filling modelball and stick model

ribbon modelsausage-like model

Hapniku transport emalt lootele

Loode saab hapniku emalt difusiooni teel läbi platsenta

Lootel on eriline hemoglobiin (HbF), mis seob hapnikku efektiivsemalt ema hemoglobiinist

Tulemuseks on efektiivne hapniku transport lootele

HbF produktsioon lõpeb varsti peale sündi ja on seotud vastava geeni inaktiveerumisega

Sirpjasrakuline aneemia

Defektne geen põhjustab mutantse hemoglobiini produtseerimine. Mutantses hemoglobiini molekulis on vaid üks aminohape asendatud

Hapnikku transporditakse endiselt, kui d punased verelibled on deformeerunud ja liiguvad halvasti läbi kapillaaride

Ribonuclease A

(C575H901N171O193S12)

Milline järgnevatest polüpeptiididest on tõenäoliselt alfa heeliks, milline pole arvatavasti beeta struktuur?

CRAGNRKIVLETYSEDNFGAPKSILWQKASVEMAVRNSG

Milline aminohape on tõenäolisemalt valgu pinnal?

W või QS või V

Kas alfa heeliksi keskel on tõenäolisemalt L või I ?

Iseseisvalt tutvuda fiibervalkude struktuuride ja kollageeni ebaharilikud aminohapete ja heemi struktuuriga

Koju ka!