BIOLOGIA MOLEKULARNA W.12, Różne Spr(1)(4)


Wykład 12

„Wrócę wobec tego do tego co mówiłem jeszcze w zeszłym roku. Zacząłem mówić
o elementach regularnych w strukturze białek, strukturze 2-go rzędowej, o tym jak zbudowana jest α - helisa”

α - helisa jest ????? (zabijcie, naprawdę nie wiem co powiedział) wiązania peptydowego gdzie mamy wiązania wodorowe wytwarzane pomiędzy grupą karbonylową wiązania peptydowego a grupą aminową, która wchodzi w skład tego wiązania, co czwartego aminokwasu. Więc jest to zwinięcie łańcucha polipeptydowego, które daje okres powtarzalności 3,6. „Te wszystkie parametry występują w cząsteczkach białka w tej granicy”. Otrzymujemy model walca wirtualnego wokół którego łańcuch polipeptydowy jest owinięty. Walec ten jest pusty w środku natomiast łańcuchy boczne aminokwasów „sterczą” na zewnątrz.

Slajd 2:

Jeżeli spojrzymy na sposób ułożenia aminokwasów w α - helisie, to mamy do czynienia
z trzema sytuacjami:

(występujący np. w jakimś kawałku syntazy cytrynianowej). Mamy tu aminokwasy albo naładowane albo polarne

Najczęściej takie α - helisy występują w błonach komórkowych. Mają niepoalrne podstawniki sterczące na zewnątrz

W efekcie wałeczek helisy może z jednej strony prztykać do niepolarnej części innych aminokwasów, wnętrza niepolarnego cząsteczki białka lub błony komórkowej, a z drugiej strony ma polarny charakter, który daje możliwość kontaktu z rozpuszczalnikiem.

To rozwiązanie jest często stosowane w różnego rodzaju kanałach jonowych gdzie mamy taką helisę umieszczoną w błonie, od strony błony znajdują się aminokwasy niepolarne natomiast wnętrze kanału ma charakter polarny.

Slajd 3

System przy pomocy którego możemy rozpoznać charakter helisy, czy jest mieszana, polarna czy niepolarna. Ułożenie polarnych i niepolarnych podstawników nie jest widoczne
w liniowej sekwencji aminokwasowej, ponieważ helisa jest zwijana i nie zobaczymy tego tak dokładnie, natomiast po zwinięciu przez program jesteśmy w stanie to stwierdzić. Mniej więcej co czwarty aminokwas znajduje się po tej samej stronie. „Istnieją programy które mogą to policzyć ale mając jakiś krótki kawałek łańcucha polipeptydowego możemy to przy pomocy własnej inwencji również rozpoznać” (osobiście wolę program;) )

α - helisa często jest deformowana.

Walec helisy często się wygina. Są tego różne powody:

W cząsteczkach białka długość α - helisy jest różna. Mogą być bardzo małe fragmenty, od kilku do kilkudziesięciu aminokwasów. Przeciętna długość wynosi ok. 10

β - harmonijka

Podobnie jak w przypadku α - helisy mamy regularną strukturę poprzez tworzenie się oddziaływań pomiędzy grupą karbonylową a grupą aminową w wiązaniu peptydowym. Nie mamy tutaj zwinięcia w formie walca. Wiązania wodorowe występują pomiędzy różnymi fragmentami łańcucha polipeptydowego a czasami między różnymi łańcuchami.

Cechą charakterystyczną jest to, że podstawniki w łańcuchach nie są ustawione na zewnątrz lecz na przemian raz w jedną raz w drugą stronę. To jest bardziej istotna cecha (!!!).

Przeciętna długość takiej struktury w białkach wynosi ok. 6 łańcuchów tworzących strukturę β - harmonijki, co odpowiada mniej więcej szerokości przeciętnej globularnej domeny, bardzo często wchodzą w skład takiej globularnej domeny.

Mamy dwa typy takiej harmonijki: (slajd 7)

Harmonijka nie jest całkiem płaska, poszczególne wstążki ją tworzące są ustawione pod pewnym kątem więc mamy skręcenie płaszczyzny, większe w przypadku większej liczby wstążek. Teraz slajdy 11, 12, 13. Na 13 mamy całe białko na którym widać skręcenie poszczególnych wstążek. Na kolejnym widać różne ułożenia tych struktur.

β - harmonijka może mieć też charakter mieszany - trochę równoległej i antyrównoległej.

Struktury β - harmonijki występują w wielu domenach.

Mogą wystąpić zakłócenia regularnej struktury jak np. wybrzuszenie, które powstaje gdy jedna grupa karbonylowa tworzy wiązania wodorowe w dwiema grupami aminowymi drugiego fragmentu łańcucha polipeptydowego (slajd 16).

Zwroty:

W tych trzech strukturach występuje ponad 80% wszystkich łańcuchów polipeptydowych.

Czasami za elementy struktury drugorzędowej uznaje się pętle. Mają one długość od kilku do kilkunastu aminokwasów, najczęściej występują na powierzchni cząsteczki globularnego białka.

„To tyle na temat tego. A teraz…

Motywy

Motywy są strukturami ponad drugorzędowymi czyli takimi, które zawierają w sobie kombinacje tych trzech (4 łącznie z pętlą) elementów struktury drugorzędowej.

  1. Motyw spinki do włosów

  1. Helisa-pętla-helisa HLH

Występuje w wielu białkach, które wiążą wapń. Czasem jest nazywany motywem EF (od pierwszego białka w którym ten motyw został zidentyfikowany pomiędzy helisami nazywanymi w tym białku E i F ale to nie jest istotne)

Między helisami występuje pętla w której lokuje się jon Ca2+ dla którego wiązania koordynacyjne potrzebne do utrzymania tego jonu są dostarczane przez aminokwasy znajdujące się w α - helisach. (odrobinę kłóci się to ze slajdem ale tak powiedział ) Wiązanie wapnia jest oparte przede wszystkim na kwaśnych aminokwasach

Helisa-zwrot-helisa HTH. Parametry α - helisy są zbliżone do szerokości dużej bruzdy w DNA, helisa dobrze pasuje średnicą do dużej bruzdy. Jedna helisa tego motywu wchodzi w bruzdę
i rozpoznaje zasady azotowe w DNA, a druga helisa znajdująca się na zewnątrz i służy do stabilizacji układu. Jest to często występujący motyw w białkach wirusowych czy też bakteryjnych. Bardzo często część białka rozpoznająca sekwencję nukleotydów w cząsteczkach DNA składa się
z dwóch takich motywów rozdzielonych dokładnie o 34Å czyli o 10 zwrotów podwójnej helisy DNA. W ten sposób mamy dwa motywy będące w stanie penetrować cząsteczkę DNA. Homodomeny i białko Cro wykorzystują ten sam pomysł (slajdy 27 - 29).

  1. Beta-alfa-beta

Skrętność ta jest umowna, jeżeli mamy określoną orientację elementów to α [Author ID1: at Sat Feb 3 23:32:00 2007 ]- helisa łącząca β - wstążki może znajdować się nad lub pod płaszczyzną utworzoną poprzez owe wstążki (slajd 31).

Warto pamiętać że motywy te są w jakiś sposób stabilizowane, przykład inhibitora rybonukleazy. (slajd 33).

Mamy pokazany kawałek α - helisy i jedną z β - wstążek, które tworzą płaszczyznę. Te dwa elementy trzymane są przy sobie dlatego, że po stronie α - helisy bliżej β - wstążki i po stronie β - wstążki bliżej α -helisy znajduje się dużo aminokwasów hydrofobowych stabilizujących układ.

  1. Motyw klucza greckiego

Zbudowany wyłącznie z β - wstążek ułożonych przeciwrównolegle. Taki motyw występuje
w nukleazie ze Staphylococcus używanej w laboratoriach do trawienia DNA (…oczywiście).

„To tyle jeśli idzie o motywy” (dzięki Bogu bo już myślałem, że już nie skończy gadać o tych [Author ID2: at Sun Feb 4 15:13:00 2007 ]kartkach, wstążkach i harmonijkach… Swoją drogą Staroń strasznie bełkocze coś pod nosem i bardzo ciężko się Go słucha:/ )

Domeny

Bardziej wyrazista struktura cząsteczki białka (extra).

Od strony pojęciowej mamy do czynienia właściwie z trzema definicjami czy też podejściami strukturalnym, biofizycznym i bioinformatycznym.

Możemy próbować definiować domeny za pomocą powyższych podejść:

Tak samo ma się to do innych aminokwasów, które stanowią takie aminokwasy decydujące o zachowaniu tej domeny.

Te trzy podejścia bardzo często nakładają się na siebie. Czyli bardzo często te domeny, które można rozpoznać na podstawie podobieństwa sekwencji mają również podobieństwo strukturalne a także funkcjonalne.

Klasyfikacja domen - w jaki sposób dzielimy domeny na różne typy?

Domeny dzielą się na trzy grupy (slajd 38) - podział bardzo zgrubny (Ci, którzy pragną lepszych podziałów - na białka i kwasy marsz):

Domeny typu α

Są najmniej popularne, raczej jest to ciekawostka. Przykładem takiej domeny jest alametycyna, jest to białko które ma 21 aminokwasów, występuje jako pojedyncza α - helisa. Zawiera także niekanoniczny aminokwas - kwas 2-amino-izomasłowy i ma kilka takich podstawników. Jego obecność powoduje układanie się łańcucha polipeptydowego w bardzo regularną helisę. Białko to tworzy agregaty w błonie komórkowej zbudowane z sześciu takich α - helis tworzących kanał.

Domeny te dzielą się na dwie grupy:

Wśród domen zbudowanych z wiązki helis bardzo częsty jest układ taki gdzie mamy 4 [Author ID1: at Sun Feb 4 01:23:00 2007 ]α [Author ID1: at Sun Feb 4 01:23:00 2007 ]- [Author ID1: at Sun Feb 4 01:23:00 2007 ]helisy, które są ułożone w ten sposób, że na zewnątrz poszczególnych helis są ułożone ich części polarne a do środka domeny ułożone są części niepolarne tych helis (slajdzik 40). Takie domeny używane są często do transportu niepolarnych cząsteczek np. lipidów, ponieważ taka domena jest łatwo penetrowana przez związki lipidowe.

Białko ROP

Innymi białkami zbudowanymi w ten sposób są (jako jeden łańcuch polipeptydowy są zbudowane z 4 α - helis):

Charakteryzują się właśnie posiadaniem wewnątrz kieszonki hydrofobowej, w cytochromach do środka wiązki α - helis wchodzi pierścień hemowy, który ma charakter niepolarny.

Ponadto:

Domena globinowa

Jest tak dlatego że okres powtarzalności wynosi nie 4 aminokwasy tylko 3,6
i łańcuchy boczne aminokwasów tworzą wystające na zewnątrz helisy krawędzie między którymi znajdują się bruzdy.

Układ ten przypomina śrubę i jeżeli takie dwie śruby odwrócimy i położymy pod odpowiednim kątem to krawędzie będą wskakiwały do bruzd i taka struktura uzyskuje pewną stabilność.

W domenie globinowej mamy właśnie takie ułożenie α - helis. Krawędzie tworzone przez ugrupowania boczne aminokwasów są ułożone pod kątem 26o do osi helisy. Jeśli jedną helisę odwrócimy o 26o w stosunku do drugiej to krawędzie będą pokrywały się z bruzdami drugiej helisy. Jest to podstawa stabilności domeny globinowej.

Konserwowane są również aminokwasy, które występują na powierzchni domen globinowych i nie jest to związane ze stroną strukturalną a z otoczeniem tego białka w którym ono funkcjonuje. W przypadku hemoglobiny otoczeniem jest wnętrze erytrocytów. Stężenie tego białka wewnątrz erytrocytu jest ogromne kilkaset mg/ml i utrzymanie tego zagęszczenia jest możliwe dzięki równowadze utrzymywanej przez obecność polarnych aminokwasów na powierzchni tej cząsteczki.

W przypadku anemii sierpowatej (slajd 50) jeden z polarnych aminokwasów - kwas glutaminowy jest zamieniany na niepolarną walinę i powoduje to, że walina jest w stanie w zupełnie przypadkowy sposób wchodzić w hydrofobową część innego łańcucha i prowadzić do agregacji tych cząsteczek.

Domeny typu α/β

Części β - harmonijki znajdują się wewnątrz tej struktury, tworzą baryłkę, która znajduje się w środku domeny; natomiast α - helisy znajdują się na zewnątrz tego białka.

Klasyczne białko zawierające tego typu domenę jest to izomeraza triozofosforanów. Zawiera ona 8 połączonych ze sobą elementów.

Sposób zamknięcia tej baryłki daje możliwość tworzenia innego środowiska niż występuje na zewnątrz, aminokwasy znajdujące się po wewnętrznej stronie β - harmonijki dają takie środowisko, które sprzyja jakiejś reakcji;[Author ID1: at Sun Feb 4 01:50:00 2007 ] jeżeli są to enzymy to części katalityczne tych enzymów znajdują się w pętlach, które łączą poszczególne części tej struktury.

Izomeraza triozofosforanów jest to białko dimeryczne. (slajd 54) Oksydaza glikolanowa jest to inny enzym posiadający taką strukturę. Wewnątrz jest środowisko silnie hydrofobowe sprzyjające temu by niepolarne substraty znalazły się w środku.

Drugi rodzaj domen α/β są to domeny, które nie są zamknięte. Tworzą płaszczyzny i te płaszczyzny służą zazwyczaj do wiązania jakichś substratów np. nukleotydy.

Domena na slajdzie 56 występuje w bardzo wielu dehydrogenazach → struktury β - harmonijki dają płaszczyznę która pasuje do pierścieni zasad występujących w nukleotydach.

Większość pokazanych domen ma charakter enzymatyczny (i wszystkie pokazane przykłady służą do wiązania nukleotydów).

Domeny typu β

Innym białkiem zbudowanym wyłącznie z β - harmonijki uformowanej w przeciwrównoległą baryłkę (ale pełniącą zupełnie inną funkcję) jest poryna. Występuje ono w błonie i tworzy kanał. Nie transportuje ani nie katalizuje żadnych substancji, z zewnątrz ma reszty aminokwasowe niepolarne a w środku polarne i umożliwia transport substancji.

Przykładem baryłki typu β, która ma charakter enzymatyczny jest dysmutaza ponatlenkowa → wewnątrz tej baryłki umieszczone są jony metali.

No i białko GFP, które ma strukturę baryłki β zbudowane ze wstążek przeciwrównoległych.

Białka, które zawierają motyw klucza greckiego:

tak jak mamy białka, które omawialiśmy przed chwilą zbudowane z prostej baryłki góra - dół, tak samo mamy w przypadku białek, które są zbudowane z motywu klucz greckiego są to ….(ten wywód chyba nie ma sensu)

Motyw podobny do motywu klucza greckiego

Np. białko hemaglutynina ma strukturę gdzie mamy nóżkę i główkę z miejscem receptorowym, na górze mamy motyw dwukrotnie zwiniętej β - harmonijki.

(chyba nie muszę przypominać, że czytając to opracowanie warto śledzić slajdy
i raczej warto się nauczyć tych trzech typów domen ale tego już sami się zapewne domyślacie)

Teraz powtórzenia domen”.

Te białka pokazał bo bardzo często białka zbudowane z więcej niż jednej domeny są to powtórzenia domen.

Natomiast są też inne białka w których mamy do czynienia z różnymi domenami połączonymi w jednym łańcuchu polipeptydowym.

Kinaza pirogronianowa - mamy tu do czynienia z domeną typu β, dwiema domenami typu α/β i patrząc na model tego białka widać, że są to określone moduły występujące w tej cząsteczce białka.

Taka modularna struktura cząsteczek białka jest to dość uniwersalna cecha, występuje w ogromnej liczbie białek. Mamy przykład kilku białek, które są białkami o bardzo różnej funkcji pełnionej w komórce, a które są zbudowane z kilku elementów podobnych do siebie czyli kilku rodzajów domen ułożonych w różny sposób (te same domeny składane w różnych kombinacjach dają różne białka).

Wiąże się to ze sposobem powstawania białek w procesie ewolucji. Jeśli popatrzymy na strukturę domenową białka i na strukturę genu który koduje to białko, to bardzo często zdarza się tak, że granice domeny nachodzą na granicę eksonu. I to powstawanie białek wielodomenowych, wymiana tych domen w obrębie białek łączy się z tasowaniem tych domen na skutek rekombinacji genów.

Teraz przykład funkcjonalnego połączenia domen w białkach wielodomenowych.

Mamy tu dwa białka o charakterze dehydrogenaz, enzymy o podobnym sposobie działania, ich substratem jest NAD. Te dwa białka mają podobną domenę wiążącą NAD. Pokazuje to jak wiele możliwości daje tasowanie domen.

Innym przykładem jest kinaza tyrozynowa. Tu również mamy kilka domen, jedną domenę kinazową w obrębie której występuje domena wiążąca ATP oraz mamy dwie domeny związane z regulacją tego enzymu - oddziaływaniem z innymi białkami.

„Tyle jeśli idzie o domeny”

Białka oligomeryczne

Powtarzanie białek oligomerycznych, podobnie jak białek wielodomenwych opiera się trochę na tym, że te białka są o wiele mniej wrażliwe na występowanie błędów. Jeżeli jakaś funkcja była by pełniona przez białko mające unikalną jednodomenową strukturę i jest zbudowane
z jednego łańcucha polipeptydowego, to każdy defekt zakłócający tą strukturę zakłóca całkowicie funkcję całego białka.

Jeżeli mamy system w którym mamy wiele domen, wiele łańcuchów polipeptydowych to defekt dotyczący struktury dotyczy tylko jednego elementu funkcjonowania tego białka. Jeżeli jest to białko oligomeryczne to łatwo jest taki defekt naprawić wymieniając taką część.

Struktura białek oligomerycznych:

Białka oligomeryczne mogą tworzyć różnego rodzaju struktury. Mamy schematycznie pokazane trzy typy. Zależą one od tego jak względem siebie położone są wiązania.

Teraz przykład białka dimerycznego będącego homodimerem zbudowanym z dwóch identycznych, symetrycznych podjednostek. Łańcuchy te tylko razem mają aktywność proteazy.

Następna, bardzo często spotykana struktura tetrameryczna. Ułożenie pod kątem mniej więcej 90o .

Na przykładzie innego tetrameru dehydrogenazy mleczanowej można łatwo prześledzić że z [Author ID1: at Sun Feb 4 02:36:00 2007 ]obecnością struktury oligomerycznej wiąże się większa różnorodność form białek, jakie mogą występować.

Dehydrogenaza mleczanowa występuje w dwóch formach:

Są produkowane dwa typy tych monomerów: monomer typu M i typu H. Jak łatwo sobie wyobrazić istnieje całe bogactwo izoenzymów związanych z mieszaniem się tych podjednostek. Są podjednostki M4, M3H, M2H2, MH3, i H4.

Jeśli chodzi o M2H2 to mamy dwie możliwości „cis albo trans” (na przemian albo po jednej stronie). Na tym przykładzie widzimy możliwość generowania większego bogactwa białek
z niewielkiej liczby podjednostek.

Obecność struktury oligomerycznej jest często wykorzystywana w regulacji białek. Często tak jak w przypadku karbamoilotransferazy asparaginianowej mamy do czynienia z różnymi rodzajami podjednostek. Mamy tu do czynienia z podjednostkami regulatorowymi
i podjednostkami katalitycznymi. Aktywność podjednostki katalitycznej jest uzależniona od struktury białka, która jest determinowana przez oddziaływanie podjednostek regulatorowych.

Syntetaza glutaminianowa jest zbudowana z większej liczby podjednostek. Widać dwa sześciokątne pierścienie nałożone na siebie.

Inny przykład - kompleks dehydrogenzy pirogronianowej pokazuje że czasem zaciera się różnica między poszczególnym białkiem a już kompleksem enzymatycznym,[Author ID1: at Sun Feb 4 02:40:00 2007 ] gdzie ta filozofia łączenia się poszczególnych łańcuchów polipeptydowych jest identyczna natomiast są to 3 różne rodzaje białek enzymatycznych i w sumie ten kompleks jest zbudowany z 60 łańcuchów polipeptydowych, które połączone są ze sobą.

Teraz kilka słów na temat białek tubularnych

Mamy dwa rodzaje tych białek

Przykładem jest kolagen. Zbudowany jest z trzech łańcuchów, które tworzą długie struktury. Możliwość tworzenia potrójnej helisy jest związana
z nietypową budową kolagenu.

Ma on co trzeci aminokwas glicynę i prawie co trzeci prolinę; ułożenie tych aminokwasów do glicyny daje możliwość większej ruchliwości, większej możliwości zmian konformacyjnych łańcucha polipeptydowego. Obecność proliny daje stabilizację (??!!) tego łańcucha → chyba chodzi że te 3 łańcuchy polipeptydowe mogą obok siebie leżeć

Przykładem jest aktyna. Jest ona białkiem globularnym z możliwością polimeryzacji zależną od ilości ATP związanego z poszczególną podjednostką. W efekcie polimeryzacji tworzą się długie struktury mające charakter włókien. Innym przykładem jest tubulina, która też ma monomer globularny (który jest dimerem wiążącym nukleotydy). Są one w stanie stworzyć taką strukturę pałeczkowatą a właściwie rurkowatą.

Teraz nam zwraca uwagę na wielkość i kształt białek

Modyfikacje posttranslacyjne

Są to takie zmiany, które zachodzą w łańcuchach polipeptydowych już po ich syntezie.

Modyfikacji tych jest ich bardzo wiele rodzajów (szczegółowo na nast. wykładzie

Są one jednym z dwóch podstawowych elementów generujących różnorodność białek
w komórce. Jednym z tych elementów jest alternatywny splicing a drugim jest możliwość wprowadzania do łańcucha polipeptydowego bardzo zróżnicowanych zmian.

Zmiany te w sposób dramatyczny wpływają na funkcjonowanie białek. Białka te mogą nabywać, tracić lub zmieniać funkcje na skutek takiej modyfikacji.

Jest kilka takich przykładów podanych:

Bardzo często taka obróbka jest wykorzystywana do aktywowania białka (wiele enzymów [Author ID1: at Sun Feb 4 02:56:00 2007 ] właśnie w ten sposób jest aktywowanych).

Ogromna ilość tych modyfikacji, chociaż nie wszystkie ma charakter odwracalny. Jeżeli jest odwracalna, to komórka ma możliwość regulowania różnego rodzaju procesów jak aktywacja czy hamowanie, oddziaływanie pomiędzy (innymi białkami??)

Mamy następny slajd który pokazuje że tych modyfikacji jest dużo, dokładnie kilkaset „ja oczywiście nie będę omawiał wszystkich”. (suuuuuper!!:/ )

Na przykład:

Glikozylacja bardzo często dotyczy białek błonowych.[Author ID1: at Sun Feb 4 03:02:00 2007 ]

Białka strukturalne występujące w jądrze komórkowym podlegają bardzo dużej liczbie modyfikacji jak np. acetylacja, metylacja, ubikwiynylacja, fosforylacja i często jest tak, ze jedno białko ulega różnym rodzajom modyfikacji.

Dalej jest pokazana fosforylacja (bardzo powszechna modyfikacja), która służy aktywowaniu lub dezaktywowaniu wielu białek ale także do przekazywania sygnału docierającego do komórki, najczęściej jest on przekazywany w postaci kaskady kinaz wprowadzających grupy fosforanowe do kolejnych białek.

Przykład naznaczania białek do degradacji poprzez dołączenie ubikwityny.

BIOLOGIA MOLEKULARNA WYKŁAD 12 12.01.2007

8



Wyszukiwarka