Zwijanie białek - protein forming

• przewidywanie struktur przestrzennych na podstawie sekwencji aminokwasów

• wyznaczanie dróg zwijania

Parametry:

• wyznaczanie czasów zwijania

• formy zwijania

• drogi zwijania

• w poszukiwaniu dróg o znanej sekwencji w białkach o znanej sekwencji

• b. dużo struktur przestrzennych białek (globularnych) ciągłe prace

• 30 tys. Struktur białkowych w bazach danych info o strukturach zapisana w PDB - bank

• niewiele struktur błonowych poznano, wiele globularnych, trochę włóknistych - poznane

PDB - informacje o białku i funkcjach

• tabelka z atomami struktury białkowej i współrzędne położeń atomów w przestrzeni.

• problem w jaki sposób sekwencja aminokwasów przekłada się na strukturę przestrzenną nie do końca rozwiązany

• kiedyś dogmatem było , że białko funkcjonuje w roztworze, który ma globalne energetyczne minimum

• poszukiwania koncentruja się na minimum energii

1 . poszukiwanie algorytmów od sekwencji do struktury przestrzennej

• modyfikacje posttranslacyjne i posttranskrypcyjne

• jeśli zdenaturuje się białko (pH, temp.) to białko powraca do formy zwiniętej

• wiele białek ulega modyfikacjom posttranslacyjnym i nie wszystkie białka ulegną zwinięciu

Osiągnięcia:

1. przewidywanie struktur drugorzędowych

• są algorytmy do tego obserwacja, przegląd baz danych każdy aminokwas ma preferencję występowania w dowolnej strukturze drugorzędowej (B- kartka, Alfa- helisa. Ciasne skręty)

• można stworzyć algorytm nakładający strukturę drugorzędową program szuka jądra zaczątku danej struktury i patrzy czy dołączone aminokwasy spełniają preferencję w danej strukturze drugorzędowej; jeśli nie to terminacja

• 80% dokładność struktura 3-cio rzędowa może narzucać preferencje (20%) algorytmy nie biorą globalnego wpływu na strukturę drugorzędową

2. Modelowanie struktury na podstawie homologii sekwencji

• wiele białek ma podobną sekwencję aminokwasową w dużym stopniu

• podobne typy aminokwasów (Glutaminian i Asparaginian)

• identyczność sekwencji

• 30% homologii sekwencji zapewnia ponad 70% identyczności strukturalnej

• szukamy białek o wysokiej homologii sekwencji wyznaczamy na podstawie struktury; strukturę białka mieszanego

• jeżeli homologia < 30% to trzeba bardziej zaawansowanych metod

Postępowanie:

• w bazach danych znaleźć najbliższe homologicznie białka

• zestawienie struktur obszary odpowiadające sobie sekwencyjnie

• algorytmy punktowe - punkty `+' gdy mamy podobny aminokwas a punkty `-` za różnice; punkty karne za luki

• można znaleźć obszary sekwencyjnie zakonserwowane SRC - to te obszary

• do tego program: FASTA, BLAST poszukują max. Nakrywania podobnych sekwencji

• inny program przenosi strukturę na białko o nieznanej strukturze: program MODELER

• wysymulowanie pętli mniej jednoznacznie ustrukturyzowane

Weryfikacja:

• minimalizowanie energii

3. Statystyczne przeszukiwanie przestrzei konformacyjnej

• modele , w których łańcuch białkowy ; sfery niektórych atomów : C, N, C

• łańcuch boczny reprezentuje się przez sfery o określonym promieniu i buduje się siatki (uproszczony model atomowy) bada się przemieszczenie sfer do innych oczek siatki mniejsza ilość konformacji

Kryteria przeszukiwania

• procedura Monte- Carlo przypadkowe poszukiwanie przestrzeni dyskretnej by znaleźć globalne minimum energii

• wielkość białka ma znaczenie

• CASP - konkurs; grupy doświadczalne deponują uzyskane struktury u organizatorów konkursu: modelowanie przez a,b,c, przewidywanie nowych struktur

• Kryterium RMSD - średniego położenia atomów struktury wymodelowanej do rzeczywistej szukamy średniego odchylenia

• Programy komputerowe do tych przewidywań

Metoda dynamiki molekularnej - MD

• bada się ruch atomów, rozwiązuje równania i suzka się drogi konformacyjnej

• można symulować procesy dynamiczne białka w czasie 10 ^-7 - 10^-6 sek. można wysymulować

• zwijanie białek trwa 10^-5 - 10^-2 sek.

• Można przewidywać w jaki sposób proces od formy zwiniętej do rozwiniętej

PARADOKS LEVINTHAG

• białko o 100 aminokwasach 2 kąty fi i psi 2^ 100 możliwych konformacji tego białka = 10^30

• jeśli przeszukać konformacje; przejście z 1 konformacji do drugiej zajmie 10^-11 a zwijanie zajmie nam lata. Paradoks!!!białko zwijajac się nie może przypadkowo trafić w strukturę globalnego minimum przeszukując przypadkowo

Model lejków zwijanych

• wyjaśnia ten paradoks energia swobodna oprócz czynnika czysto energetycznego ma też mamy efekt entropowy białko preferuje strukturę kłębka statystycznego (entropową) oddziaływania np. mostki solne przewyższają efekt entropowy i cząsteczka preferuje jedną konformację cząsteczka nie błądzi przypadkowo

Ruchy cieplne i ruchy Browna cząsteczka zsuwa się po powierzchni lejka.Kooperatywność procesu usuwa paradoks Leninthala

• lejek wywołany kooperatywnością. Czasy rzeczywiste 10^-5 - 10 ^-2

• czasem cząsteczki trafiają w minimum lokalne i lejek może być pofałdowany

Poszukiwanie form przejściowych

• forma stopionej globuły pośrednia między zwiniętą a rozwiniętą strukturą.

• Wykorszystywanie mostków dwusiarczkowych

• Prowadząc in vitro zwijanie cysteiny zakwaszać , zatrzymywać i obserwować struktury przejściowe

• Jeśli mostki siarczkowe w niewłaściwej kolejności to białko się nie zwinie

• w organizmie białka zwija się w bardziej skomplikowany sposób

• tylko białka mające tendencję do zwijania mogą się zwijać

• białka schodzą z maszynerii translacyjnej ; mają peptydy sygnałowe białka trafią na właściwe miejsce

• topogeneza proces i translacja zamrożona, białko wiąże się z błoną do momentu odcięcia peptydu sygnałowego i białko wchodzi przez błonę. Peptydy sygnałowe

Modyfikacje postranslacyjne

• wycięcie fragmentu białka - często informacja o zwinięciu jest tracona

• niektóre białka mają fragmenty (foldazy) sprzyjające zwijaniu własny fragment katalizuje zwijanie

• enzymatyczne przyspieszanie przejścia z jednej formy do drugiej

• izomeraza - powoduje przejścia wiązań z formy trans do formy cis

• tworzenie mostków dwusiarczkowych izomeraza kojarzy właściwe cysteiny i tworzy mostki

• część białek wykorzystuje białka opiekuńcze (chaperoniny)w zwijaniu

• heat shock proteins - białka szoku cieplnego

System GroELGro ES - system białek opiekuńczych; symetria 7 - krotna; walec pusty w środku; czapeczka Gro ES. Wymaga ATP ; wchodzi białko efektywne zwijanie

2 teorie:

1 - mechanizm ma charakter pasywny

• walec to otoczka gdzie białka mogą się zwinąć w odgrodzeniu od reszty komórki

2- działanie aktywne

• tu wchodzą cząsteczki białka , które są nieprawidłowo zwinięte; wchodzą i mogą się poprawnie zwinąć

Proteasom- białka tu kończą swój żywot; bialka cięte na peptydy

• białka mogą się zwijać do form niewłaściwych mogą tworzyć tzw. Złogi (agregaty) amyloidalne

• choroba Alzheimera

• priony - niewłaściwie zwinięte mogą indukować złe zwijanie innych białek

Oddziaływanie międzycząsteczkowe

• kwasy nukleinowe oddziaływują z innymi cząsteczkami

• cząsteczki mogą lepiej lub gorzej się rozpoznawać

• specyficzne - b. dobre dopasowanie powierzchni molekularnych; dopasowanie rozkładu ładunku

• mostki Van der Valsa, itp.

• Wysoka wartość stałej asocjacji dużo kompleksów, dobre dopasowanie

• Miara powinowactwa cząsteczek do siebie

• Kas = [ A B ...E] / [A] [B] ...[E] stała asocjacji

• Kd = 1/Kas - stała dysocjacji

• Kas 10 ^6 - 10 ^13 specyficzne dopasowanie

Stuktury cząsteczkowe - modele

• Inducet Fit - wzajemne dopasowanie - enzym (białko) musi przejść od formy nieaktywnej do aktywnej; muszą być zmiany konformacyjne

• Do 30% białek w eukariotach są natywnie nieustrukturyzownecałe pozbawione struktury lub fragmenty nieustrukturyzwane i dopiero gdy oddziałują z innym związkiem zyskują strukturę; białka sygnałowe. Mogą oddziaływać z kilkoma ligandami model Fly- casting białko musi się związać i wtedy zwija się do właściwej formy funkcjonalnej.