MOLEKULÁRIS BIOLÓGIA 1 2006 tavaszi szemeszter

1. MOLEKULÁRIS BIOLÓGIA 12006 tavaszi szemeszter 2. Előadás 2006. 02. 06. Boros Imre tanszékvezető egyetemi tanár Makromolekulák szerkezete: fehérjék (22 dia)

2. FEHÉRJÉK SZERKEZETE ALAPOK: G.J. Mulder, J.J. Berzelius 1839: proteinek Az 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)

3. Aminosavak csoportosítása

4. A peptidkötés

5. 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.

6. 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

7. Azaminosav 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 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.

8. A H-hidakban résztvevő atomok: A fehérje szerkezetet fenntartó kölcsönhatások:

9. Másodlagos szerkezeti elemek -hélix 3,6 aminosavmaradék/fordulat, a hélix sugara 2,3 Å, a menetemelkedés 5,44 Å fordulatonként, 1,5Åaminosavanként. H-híd az n-ik CO és n+4. NH között. Változó hosszúság, 4-5-50 aminosav átlagosan 10,azaz három fordulat, Majdnem mindíg jobbra csavarodó gyakorlatilag balra csavarodó alfa hélix nem megengedett L aminosavakból, Az alfa-hélixben minden H-híd egy irányba mutat, 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.

10. -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.

11. alfa-hélix béta-lemez

12. Antiparalell beta lemez Paralell beta lemez

13. 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

14. Az egyes szerkezeti elemek előfordulása egyes fehérjékben nagyon eltérő arányú lehet

15. 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.

16. 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.

17. 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

18. Harmadlagos szerkezet: Az egy vagy több domént alkotó teljes polipeptid lánc térbeniszerkezete 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

19. 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).