Funkcije proteinov, pogojene s strukturo

Transcript

1 Funkcije proteinov, pogojene s strukturo Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb) Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) Oporna funkcija (strukturni proteini: keratini, kolagen) Kontraktilni proteini Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze...) Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig) Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

2 KRATKA PONOVITEV Transport/skladiščenje določenih molekul - proteini, ki vežejo kisik Mioglobin (Mb) 1 polipeptidna veriga Vsebuje 1 prostetično skupino hem Hem mesto vezave kisika (O 2 ) Funkcija: skladiščenje kisika v mišicah Hemoglobin (Hb) 4 podenote 2 α in 2 β (αβ) 2 Vsebuje 4 prostetične skupine hem Hem mesto vezave kisika (O 2 ) Funkcija: prenos kisika po krvi od pljuč do tkiv Globinsko zvitje Mb β Hb

3 Hemoglobin je alosterični protein Vezava liganda (modulatorja) na eno vezavno mesto spremeni vezavne lastnosti drugih vezavnih mest Konformacijska sprememba, povzročena z vezavo modulatorja: manj aktiven protein v bolj aktiven protein (ali obratno) Modulatorji: inhibitorji ali aktivatorji Hb: modulator aktivator O 2 - pozitivni homotropični modulator vezave O 2 na Hb (kooperativna vezava, značilna sigmoidna krivulja) Hb: modulatorji inhibitorji: CO 2, H +, BPG negativni heterotropični modulatorji vezave O 2 na Hb vsi se vežejo na Hb z obratno afiniteto kot O 2 Konformacijska sprememba v Hb v bližini hema po vezavi O 2 Konformacija T (neaktivna) Konformacija R (aktivna) Negativna alosterična modulacija s H+

4 Najpomembnejši človeški Hb Vrsta Struktura podenot Razširjenost HbA (odrasli) α 2 β 2 97% Hb odraslih HbA 2 (odrasli) α 2 δ 2 2-3% Hb odraslih HbF (fetalni) *α 2 γ 2 Najpomembnejši Hb v 3. trimestru nosečnosti *α 2 γ 2 veže z manjšo afiniteto BPG večja afiniteta Hb do O 2

5

6 DNA-vezavni proteini omogočijo nastanek kompleksa, ki sproži prepisovanje - transkripcijo DNA-vezavni proteini (transaktivatorji, transkripcijski faktorji) imajo DNA vezavno in transaktivacijsko domeno.

7 Domena proteina - aminokislinsko zaporedje z neodvisnim vzorcem zvijanja, ki se pojavi v razičnih proteinih Modularna struktura TF. S kombinacijami (npr. homodimeri in heterodimeri) je omogočenih večje število regulatornih vlog. Najpogostejše DNA vezavne domene: -cinkov prst (steroidni jedrni receptorji) -Homeodomena (vijačnica-zavoj-vijačnica (helix-turn-helix) (TF zgodnjega embrionalnega razvoja) Pogoste transaktivacijske domene (za interakcije z drugimi proteini) - levcinska zadrga (od camp odvisni TF, npr. CREB. CREM, ATF-1) -Bazične vijačnica-zanka-vijačnica (helix-loop-helix) (mišični TF Max)

8 Immunoglobulini - Vsebujejo 2 lahki (Mr = 25 kda) in 2 težki (Mr = 55 kda) verigi -Sesalci imamo 5 vrst imunoglobulinov: IgA, IgD, IgE, IgG and IgM. -Imunoglobulini pri sesalcih imajo enake lahke verige (λ, κ), razlikujejo se po tipu težke verige (γ, α, μ, δ, ε) -Imunoglobulinsko domeno sestavljata dva para antiparalelnih beta ploskev, ki so povezane z disulfidnimi mostički in hidrofobnimi interakcijami.

9 Lipoproteini so nadmolekulski kompleksi lipidov in proteinov Sestava lipoproteinov TAG Fosfolipidi Holesterol Proteini in estri Hilomikroni VLDL LDL HDL manj kot 10% % % +++ več kot 80% Gostota: proteini > fosfolipidi > holesterol in estri > TAG

10 Funkcije proteinov, pogojene s strukturo Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb) Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) Oporna funkcija (strukturni proteini: keratini, kolagen) Kontraktilni proteini Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze...) Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig) Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

11 Strukturne značilnosti proteinov Globularni proteini Terciarna struktura - več vrst sekundarne strukture Hidrofobni ak ostanki v notranjosti, hidrofilni na zunanjosti Povezovanje v kvartarno strukturo in supramolekulske komplekse (vodikove vezi, ionske interakcije, -S-S- vezi) Kvartarna strutura je dinamična strukura, topna v vodi Fibrilarni proteini Terciarna struktura iz ene vrste sekundarne strukture Hidrofobni ak ostanki v notranjosti in na zunanjosti Povezovanje v kvartarno strukturo in supramolekulske komplekse (hidrofobne interakcije, vodikove vezi, kovalentne vezi) Kvartarna strutura je trdna strukura, netopna v vodi

12 Struktura proteinov pogojuje njihovo funkcijo Globularni proteini prenašalna - transportni proteini (Mb, Hb) regulatorna (DNA vezavni proteini) signalna hormoni katalitska encimi obrambna protitelesa skladiščna proteini v mleku (kazein), proteini jajčnega beljaka (ovalbumin) Fibrilarni proteini oporna - strukturni proteini (lasje, koža, vezivno tkivo, znotrajcelični filamenti, zunajcelični matriks)

13 Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov sekundarna struktura značilnosti primer α-vijačnica peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički β-konformacija peptidne verige povezane s H-vezmi kolagenska vijačnica peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi, hidrofobnimi in H- vezmi čvrsta netopna struktura mehka, upogljiva vlakna čvrsta netopna struktura, visoka natezna moč, ni raztegljiv keratini Intermediarni filamenti citoskeleta lasje, nohti, povrhnjica kože spektrin v eritrocitih distrofin v mišicah fibroin svila kolagen kite, hrustanec, organski matriks kosti, koža, roženica

14 Keratini - družina živalskih proteinov povrhnjica kože lasje dlaka nohti kremplji perje sestavljeni predvsem iz desnosučne α-vijačnice s hidrofobnimi AK α-vijačnice so med seboj povezane s hidrofobnimi interakcijami in disulfidnimi mostički v ovito vijačnico (colied coil) najtrši α-keratin (nosorogov rog) vsebuje 18% cys Podobno strukturo kot keratini imata tudi spektrin in distrofin cistein

15 Coiled coil (obvita vijačnica) Keratinski dimer (monomerni podenoti sta postavljeni paralelno)

16 Desnosučna alfa vijačnica v keratinu

17 Heptadna ponovitev aminokislin v keratinu b e a d g c f f c g d a e b Zaporedje7 kislin, vsakaprva(a) in četrta (d) sta hidrofobni (npr. Ala, Val, Ile, Phe, Trp), medtem ko so na pozicijah (e) in (g) pogosto negativno in pozitivno nabite aminokisline (Lys, Arg, Asp, Glu). To omogoča nastanek desnosučne α vijačnice. S puščicami so označene morebitne ionske interakcije (vezi) znotraj posamezne vijačnice ali pa med dvema vijačnicama v dimeru. S prekinjeno linijo so označene hidrofobne vezi med vijačnicama M. Liović

18 Keratini v epitelijskih celicah kože Domene α-keratina Paralelni heterodimer iz Tipa I in Tipa II keratinskih polipeptidov Tip I - kisli Tip II - bazični Keratini tvorijo roževinasto plast kožne povrhnjice Znanih vsaj 15 različnih molekul keratina v koži Heterodimeri (Tip I + Tip II) α-keratin v laseh in nohtih privesek/podaljšek keratinov v kožni povrhnjici Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

19 Keratini kožnega epitelija Tip II (bazični) Tip I (kisli) stratified, barrier simple K2p K1 K2e K3 K4 K6a K6b K5 K8 K7 K10 K12 K13 K16 K14 K18 K9 K17 K15 K19 K20 epidermis, višji sloji oko mukoza ust v koži in pri zaraščanju ran bazalne celice epidermisa enostaven epitelij (črevesje, ledvica, jetra, trebušna slinavka) M. Liović

20 Genske bolezni Plasti človeške kože Epidermolitična hiperkeratoza vzrok: točkovna mutacija v genu za K1 in K10 posledica: mehurjenje kože, razpoke v koži Epidermolysis bulosa vzrok: točkovna mutacija v genu za K5 ali K14 posledica: strižne napetosti ob mehanskem pritisku celice niso čvrste mehurji na koži Celice povrhnjice (epidermisa) povezujejo desmosomi, nanje so pripeti znotrajcelični keratinski filamenti Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

21 Mutacije v teh strukturnih proteinih preprečijo nastajanje funkcionalne mreže intermediarnih filamentov citoskeleta = krhkost/povečana občutljivost celic na fizične in kemijske dejavnike Normalna Mutanta

22 Keratini v intermediarnih vlaknih daymix.com/keratin/

23 Vloga intermediarnih filamentov

24 Struktura lasu: α-keratin sekundarna/terciarna Struktura (desnosučne vijačnice) kvartarna struktura (levosučna spirala) kvartarna struktura supramolekuski kompleks osnovna polipeptidna veriga: desnosučna α-vijačnica, veliko hidrofobnih ak (Ala, Val, Ile, Met, Phe) kvartarna struktura: levosučna spirala iz 2 desnosučnih α-vijačnic (protofilament) protofibrila vlakence (supermolekulski kompleks) Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

25 Prečni prerez lasu Da las zraste cca 15 cm v enem letu, se mora tvoriti 9.5 zavojev vijačnice na sekundo.. α-keratin Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

26 Keratini v laseh imajo razteznost kodranje las -Alfa vijačnice keratina se ob segrevanju lahko raztegnejo, dokler ne dosežejo polno raztegnjene beta strukture. Ob ohlajanju se spet spontano zviejjo v vijačnico. -Raztezanje tudi v vlažnem - mokri lasje so bolj ravni. -Trajna z reducentom razbijemo disulfidne mostičke med keratinskimi vijačnicami. Ko se vzpostavljajo novi disulfidni mostički, se lahko povežejo S atomi, ki niso najbližje skupaj las se skodra.

27 Pakiranje keratina v roženici v supramolekularne strukture L. Norlén, A. Al-Amoudi, J. Invest. Dermatol., 2010

28 Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov sekundarna struktura značilnosti primer α-vijačnica peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički β-konformacija peptidne verige povezane s H- vezmi kolagenska vijačnica peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi, hidrofobnimi in H-vezmi čvrsta netopna struktura mehka, upogljiva vlakna čvrsta netopna struktura, visoka natezna moč, ni raztegljiv keratini Intermediarni filamenti citoskeleta lasje, nohti, povrhnjica kože spektrin v eritrocitih distrofin v mišicah fibroin svila kolagen kite, hrustanec, organski matriks kosti, koža, roženica

29 Kolagen protein ekstracelularnega matriksa (EM) organ/tkivo delež kolagena (%) jetra 4 pljuča 10 aorta hrustanec, kite roženica 64 demineralizirane kosti 90 koža kolagen se nahaja v vseh tkivih/organih, celicam daje oporo/trdnost 25% proteinov odraslega človeka, 14-20% otroka dolga življenjska doba: nekaj tednov (žile, brazgotine) do nekaj let (kosti) denaturirani kolagen želatina, nima hranljive vrednosti

30 Kolagen sekundarna struktura: levosučna kolagenska vijačnica, α-veriga, 3 ak/zavoj ak sestava: 35% Gly, 11% Ala, 21% Pro in 4-Hyp ak zaporedje (nekaj 100 ponovitev) ponavljajoči se triplet Gly-Pro-X in Gly-X-Hyp (hidrofobne interakcije kvartarna struktura: desnosučna trojna vijačnica iz α-verig (tropokolagen), povezava med polipeptidnimi verigami preko OH-Pro, OH-Lys in H-vezi Hidroksilacija ak posttranslacijsko, potreben vitamin C supermolekulski kompleks kolagenska fibrila do 1000 molekul tropokolagena, debelina od 10 do 300 nm - paralelno organizirane fibrile (kite) prereza 1mm nosijo težo 10 kg 20 različnih molekul kolagena (I XX); I, II, III, IV, VI, XI fibrilarni) balancenoosa.wordpress.com/

31 Aminokisline kolagena

32 Struktura in medsebojna povezava polipeptidnih verig (α verig) Kolagen Struktura kolagenskih vlakenc (fibril) (a) α veriga kolagena ponavljajoči se triplet Gly-X-Pro ali Gly-X-Hyp; levosučna vijačnica (b) Prostorsko zapolnjen model iste α verige (c) Tri polipeptidne verige zvite v desnosučno vijačnico superheliks (tropokolagen) (d) Prečni prerez superheliksa pod (c): v nitranjosti ostanki Gly (rdeče kroglice) Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

33 Kolagen vsebuje trojno alfa vijačnico T. Andrew Taton Nature 412, (2 August 2001)

34 Organizacija kolagenskega vlakna Tropokolagen (300 x 1,5 nm), sestavljen iz 3 α-verig (2 α1, 1 α2) Organizacija tropokolagena v kolagenske fibrile strukturo stabilizirajo kovalentne vezi preko hidroksiliranih ak Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

35 Kolagen kot sestavina ekstracelularnega matriksa Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

36 Posttranslacijsko zorenje molekul kolagena preprokolagen s propeptidi hidroksilacija, glikozilacija ak prokolagen tropokolagen fibrile v EM Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

37 Kolagen in bolezni -Do sedaj je poznanih 29 tipov kolagenov v telesu -Več kot 90% predstavljajo kolageni tipov I, II, III, in IV. -Bolezni, povezane z nepravilnostmi kolagena so dedne, lahko pa nastanejo tudi zaradi neustrezne prehrane, ki vpliva na po-translacijske spremembe ali druge procese, pomembne v izgradnji kolagena. -Skorbut pomanjkanje vitamina C (askorbinske kisline) prepreči hidroksilacijo prolina. To poruši strukturo kolagena.

38 Presnova kolagena se spreminja s staranjem in boleznimi staranje: zmanjšanje količina kolagena, nastane več prečnih povezav med molekulami tropokolagena krhkost vezivnega tkiva sinteza kolagena poraste po poškodbi brazgotine vsebujejo veliko kolagena v jetrih se ob boleznih parenhimske celice nadomestijo s fibroznim vezivnim tkivom (ciroza jeter) nekatere patogene anaerobne bakterije (Clostridium histolyticum) vsebujejo kolagenaze gas gangrena (plinska gangrena) nekroza tkiva

39 Primeri bolezni, ki izvirajo iz nenormalne sinteze kolagena bolezen vzrok simptomi skorbut pomanjkanje vitamina C krvavenje dlesni, izpadanje zob, degeneracija kosti slabo celjenje ran osteogenesis imperfecta Ehlers-Danlos-ov sindrom nenormalni gen za kolagen mutacija Gly Ser ali Cys nenormalni gen za kolagen mutacija Gly Ser ali Cys nenormalen nastanek kosti pri dojenčkih, krhke kosti, deformacija skeleta/smrt preobčutljiva lomljiva koža, hipermobilni sklepi, slabo celjenje ran Vitamin C je antioksidant

40 Primerjava fibrilarnih proteinov keratina in kolagena keratin desnosučna α-vijačnica kvartarna struktura - levosučni dvojni heliks stabilizirajo hidrofobne in -S-S- interakcije kolagen levosučna prolinska vijačnica kvartarna struktura - desnosučni trojni heliks stabilizirano Pro/Pro in OH-Pro povezave Supramolekulske komplekse stabilizirajo hidrofobne interakcije Strukturna funkcija: citoskelet (intermediarni filamenti), lasje, nohti, keratini v koži Supramolekulske komplekse stabilizirajo povezeve preko OH-ak Strukturna funkcija ekstracelularnega matriksa