Белки: структура, упаковка, транспорт, деградация

Старший научный сотрудник,к.б.н. Древицкая Т.И.

План лекцииХимическое строение белков - аминокислоты - пептидный связь и полипептидная цепьВторичная структура - α-Спираль - β-СтруктураГлобулярная структура (фолдинг белков), парадокс Левинталя - роль вторичной структуры в образовании глобулы - стабилизация глобулы, шапероны - структура мембранных белков - неструктурированные белкиЭндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, транслокон Нарушение фолдинга, стресс эндоплазматического ретикулумаРегуляция, деградация - ограниченный протеолиз - протеасомный протеолиз - лизосомный (аутофагия, мTOR) - внеклеточный протеолиз

Что такое аминокислоты?

- органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы;

- при нейтральном рН обе группы находятся в ионизированном виде, что обеспечивает их способность образовывать полимеры

- R – характер радикалов играет важную роль в пространственной организации белков.

Протеиногенныеα-аминокислоты

Полярные и неполярные аминокислоты

Формирование пептидной связи

TRANS CONFIG

CIS CONFIG

Взаимная ориентация атомов в пептидной связиСвязь планарная и группа может принять одну из двух основных конфигураций:

95 %

В результате трансляции мРНК образуется полипептидная цепь

Стабилизирована ковалентными пептидными связями. Имеет N- и С-конецХарактеризуется количеством аминокислот, их последовательностью и свойствами.Эти характеристики обуславливают дальнейшую пространственную упаковку

Парадокс Левинталя

?100 аминокислот – 10100 комбинаций

Диаграмма Рамачандрана

Что будет дальше происходить с полипептидной цепью?

В глобулярных водорастворимых белках соотношение между гидрофобными и полярными остатками в среднем 50:50. В следствие гидрофобного эффекта неполярные остатки стремятся оказаться всередине глобулы, а полярные остаются на поверхности и взаимодействуют с водой. Это есть главной движущей силой, которая заставляет полипептидную цепь укладываться определенным образом в пространстве, формируя компактную структуру – ГЛОБУЛУ.

Пептидная группа полярная, выступает и донором и акцептором водородных связей

Одна пара электронов, которая соответствует связям С-О на самом деле делокализована также между атомами С-N, что делает невозможным вращение вокруг нее, таким образом реализуется выгодная транс-конформация пептидной связи.

Уровни организации белков

Уровни организации белковых молекул

Базовые структурные единицы белков: вторичная структура

α-helix β-sheet

Водородные связи

α-спиральПолипептидная цепь закручивается в виде спирали. Ветки скреплены между собой межпептидными водородными связями (через 4 аминокислоты)Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали, R-группы направлены наружу. Полный оборот спирали содержит в среднем 3,6 аминоацильных остатков, а расстояние она поднимается в свою очередь, составляет 0,54 нм.

β-структура (β-лист, складчатость)состоят из нескольких антипаралельных бета-цепей (по 6-10 ак), связанных с боков двумя или тремя водородными связями, между амидных атомов водорода и карбонильных атомов кислорода, образуя слегка закрученные, складчатые листы. Они антипаралельны, одна из поверхностей всегда гидрофобна

Большие ароматические остатки (Тир, Фен, Трп) и β-разветвленные аминокислоты (Тре, Вал, Иле) чаще всего находятся в середине β-листа. Про располагаются по краям тяжей в β-листе, предположительно для избегания агрегации белков, которая может привести к формированию амилоидов.

Другие виды

Спираль 310

β- поворот

Третичная структура

Третичная структура описывает взаимосвязь различных областей друг с другом в пределах белка и конечное расположение доменов в полипептиде

Роль вторичной структуры в образовании глобулы Правило 1. Каркас глобулы всегда состоит из участков вторичной структуры (α-спирали и/или β-структурных слоев), гидрофобные поверхности которых, взаимодействуя между собой, образуют гидрофобное ядро. Насыщение пептидных групп водородными связями есть необходимой предпосылкой образования внутри глобулы гидрофобного ядра.

Правило 2. Сегменты вторичной структуры протянуты от одного края глобулы к другому. Перемычки между участками вторичной структуры остаются на поверхности и никогда не углубляются в глобулу.

Правило 3. Перемычки между сегментами вторичной структуры избегают взаимного перекреста – соседние по цепи перемычки расположены по разным бокам глобулы.

Стабилизация глобулы- Гидрофобные взаимодействия между неполярными АК,

расположенными в пределах сегментов вторичной структуры- Водородные связи между пептидными группами в пределах самих

сегментов- Вандервальсовы взаимодействия в середине глобулы –

обеспечивают конечную жесткость

Дополнительно:- Водородные связи в середине глобулы- Электростатические взаимодействия на поверхности- Ковалентные дисульфидные связи- Взаимодействия с небольшими молекулами небелковой природы –

лигандами, простетическими группами, ионами металлов

Четвертичная структура

Примеры организации белков

Структура мембранных белков

бактериородопсин аквапорин

Неструктурированные белки40% белков не образуют жесткой третичной структуры

70% белков имеют неупорядоченные участки, которые обеднены гидрофобными аминокислотами и такое состояние энергетически более выгодно

Молекулярные шапероны (chaperones), або белки теплового шока (HSP)

HEAT SHOCK PROTEINS AND CHROMOSOMAL PUFFS

Hsp 100 – собственно белки теплового шока, работают при

повышении температуры

Hsp 90 – фолдинг рецепторов стероидов и факторов

транскрипции, внутриклеточные рецепторы, связанные

с собственным иммунитетом

Hsp 70 – обеспечивают гидрофильность и повторный фолдинг денатурированных или неправильно упакованных, а также митохондриальных белков

Hsp 60 – обеспечивают фолдинг белков, которые транспортируются в митохондрии

Не-АТФ-азные малые белки теплового шока (small Hsps, sHsps, М = 12-43 кДа, или HSP33)

Функциональная классификация

1. Молекулы, обеспечивающие правильный фолдинг белков (фолдинг-шапероны — folding chaperones).

2. Молекулы, созданные для удержания частично свернутой молекулы белка в определенном положении. Это необходимо, чтобы система имела возможность закончить фолдинг (удерживающие шапероны — holding chaperones).

3. Шапероны, разворачивающие белки с неправильной формой (дезагрегирующие шапероны — disaggregating chaperones).

4. Шапероны, сопровождающие белки, транспортируемые через клеточную мембрану (секреторные шапероны — secretory chaperons).

Стабилизация белков - шапероны

Нарушение фолдинга,

Эндоплазматический ретикулум

Endoplasmic reticulum to nucleus signaling

Endoplasmic reticulum to nucleus signaling

Стресс эндоплазматического ретикулума и ответ на “анфолдинговые” белки (UPR)

Стресс эндоплазматического ретикулума

ERAD – деградация, ассоциированная с эндоплазматическим ретикулюмом

EPAD1 – протеасомный протеолиз

EPAD2 – лизосомный путь расщепления белков

ДЕГРАДАЦИЯ (ПРОТЕОЛИЗ) БЕЛКОВ

ОГРАНИЧЕННЫЙ

НЕОГРАНИЧЕННЫЙ

ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ

ОГРАНИЧЕННЫЙ

НЕОГРАНИЧЕННЫЙ

- активация внутриклеточных проферментов системы апоптоза, синтез нейротрансмиттеров в ЦНС, ПОМК и др.

- активация проферментов системы пищеварения, свертываемость крови, система комплимента и др.

- переваривание белков в пищеварительной системе

- протеасомный протеолиз- лизосомный протеолиз

Target protein

UbiquitinE1

PROTEASOME

20S subunit

α-ring β-ring

19S subunit

THE UBIQUITIN-PROTEASOMAL SYSTEM

Роль протеасомного протеолиза в организме

Протеолиз “изношенных”,

модифицированных,окисленных белков

Регуляция деления и дифференцияции

клетон

Регуляция транскрипции и

трансляции

Регуляция аутофагии

Регуляция апоптоза

Имунный ответ, презентация

антигенов

Деградация белков з коротким периодом

“полужизни”

АУТОФАГИЯ - [греч. auto и phagos – самопоедание] – биологически запрограмований шлях деградації білків та цілих органел за участі лізосомного апарату, механізм, що запезпечує клітину поживними речовинами в разі переходу на ендогенне харчування

Молекулярные механизмы аутофагии

Всем качественной аутофагии)