Κεφάλαιο 3. Δομές τάξης α

Transcript

1 Κεφάλαιο 3 Δομές τάξης α

2 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: Σπειρωμένα Σπειράματα Εικόνα 3.1 Σχηματικό διάγραμμα της δομής ενός σπειρωμένου σπειράματος α-ελίκων. Δύο α-έλικες συμπλέκονται και σταδιακά τυλίγονται η μία γύρω από την άλλη.

3 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: Σπειρωμένα Σπειράματα Εικόνα 3.2 Επαναλαμβανόμενο πρότυπο αμινοξέων σε ένα σπειρωμένο σπείραμα α-ελίκων. (a) Η αμινοξική αλληλουχία του μεταγραφικού παράγοντα GCN4. Παρατηρήστε την περιοδικότητα επτάδας με την απόλυτα συντηρημένη λευκίνη στη θέση d (οι θέσεις της επτάδας ονομάζονται a-g). (b) Σχηματικό διάγραμμα της επανάληψης επτάδας σε μια δομή σπειρωμένου σπειράματος α-ελίκων (απεικονίζεται ο σκελετός των πολυπεπτιδικών αλυσίδων). Οι α-έλικες στο σπείραμα είναι ελαφρώς παραμορφωμένες, έτσι ώστε μια στροφή τους να περιλαμβάνει 3.5 κατάλοιπα (αντί 3.6 όπως στην κανονική α-έλικα). Αυτό οδηγεί σε μια περιοδικότητα επτά καταλοίπων ανά δύο στροφές της έλικας.

4 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: Σπειρωμένα Σπειράματα Εικόνα 3.3 Σχηματικό διάγραμμα στο οποίο απεικονίζεται το πακετάρισμα των υδρόφοβων πλευρικών ομάδων μεταξύ δύο α-ελίκων σε μία δομή υπερέλικας. Κάθε έβδομο κατάλοιπο και στις δύο α-έλικες είναι μια λευκίνη που ονομάζεται «d». Εξαιτίας της επανάληψης της επτάδας, τα d-κατάλοιπα πακετάρονται το ένα απέναντι στο άλλο κατά μήκος της υπερέλικας. Τα κατάλοιπα με την ονομασία «a» είναι επίσης συνήθως υδρόφοβα και συμμετέχουν στο σχηματισμό του υδρόφοβου πυρήνα κατά μήκος της υπερέλικας.

5 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: Σπειρωμένα Σπειράματα Εικόνα 3.4 Γέφυρες άλατος μπορούν να σταθεροποιήσουν τις δομές των σπειρωμένων σπειραμάτων και κάποιες φορές είναι χρήσιμες για το σχηματισμό ετεροδιμερών υπερελίκων. Τα κατάλοιπα της επτάδας που ονομάζονται «e» και «g» βρίσκονται κοντά στον υδρόφοβο πυρήνα και μπορούν να σχηματίσουν γέφυρες άλατος ανάμεσα στις δύο έλικες μιας υπερέλικας, με το e-κατάλοιπο στη μία έλικα και το g-κατάλοιπο στη δεύτερη, και αντιστρόφως. (a) Σχηματική αναπαράσταση (σε αξονική προβολή) μιας επανάληψης επτάδας. (b) Το ίδιο, αλλά η προβολή είναι σε ένα επίπεδο παράλληλο με τον άξονα της υπερέλικας.

6 Κεφάλαιο 3 Πακετάρισμα ελίκων: Μοντέλο Εσοχές-Εξοχές Εικόνα 3.5 Σχηματικό διάγραμμα του πακεταρίσματοςτωνπλευρικώνομάδωνστον υδρόφοβο πυρήνα των σπειρωμένων σπειραμάτων σύμφωνα με το μοντέλο «εσοχώνεξοχών». Οι θέσεις των πλευρικών ομάδων στην επιφάνεια της (κυλινδρικής) α-έλικας προβάλλονται σε ένα επίπεδο παράλληλο με τον άξονα της έλικας, και για τις δύο α-έλικες της υπερέλικας. (a) Οι προβαλλόμενες θέσεις των πλευρικών αλυσίδων της έλικας 1. (b) Οι προβαλλόμενες θέσεις των πλευρικών αλυσίδων της έλικας 2. (c) Επικάλυψη των (a) και (b) λαμβάνοντας υπόψη το σχετικό προσανατολισμό των ελίκων στην υπερέλικα. Οι θέσεις των πλευρικών αλυσίδων της πρώτης έλικας, οι «εξοχές», τοποθετούνται ανάμεσα στις θέσεις των πλευρικών αλυσίδων της δεύτερης έλικας, τις «εσοχές». Ο πράσινος χρωματισμός αντιστοιχεί σε ένα d-κατάλοιπο (λευκίνη) της έλικας 1 που περιβάλλεται από τέσσερις πλευρικές ομάδες της έλικας 2 και ο καφέ χρωματισμός αντιστοιχεί σε ένα a-κατάλοιπο (συνήθως υδρόφοβο) της έλικας 1 που περιβάλλεται από τέσσερις πλευρικές ομάδες της έλικας 2.

7 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: 4-α-Ελικοειδές Δεμάτιο Εικόνα 3.6 Τα 4-α-ελικοειδή δεμάτια απαντώνται συχνά ως επικράτειες α-πρωτεϊνών. Η οργάνωση των α-ελίκων είναι τέτοια ώστε έλικες γειτονικές στην αμινοξική αλληλουχία να είναι επίσης γειτονικές και στην τρισδιάστατη δομή. Μερικές πλευρικές ομάδες (και από τις τέσσερις έλικες) βρίσκονται θαμμένες στη μέση του δεματίου σχηματίζοντας τον υδρόφοβο πυρήνα. (a) Σχηματική αναπαράσταση του μονοπατιού της πολυπεπτιδικής αλυσίδας σε ένα 4- α-ελικοειδές δεμάτιο. Οι κόκκινοι κύλινδροι αντιπροσωπεύουν τις α-έλικες. (b) Σχηματική αναπαράσταση μιας αξονικής προβολής ενός δεματίου. Οι μεγάλοι κύκλοι αντιπροσωπεύουν τις κυρίως αλυσίδες των α-ελίκων και οι μικροί κύκλοι τις πλευρικές αλυσίδες. Οι πράσινοι κύκλοι αντιστοιχούν στις θαμμένες υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες ενώ οι κόκκινοι τις υδρόφιλες πλευρικές ομάδες που είναι εκτεθειμένες στην επιφάνεια του δεματίου. [(a) προσαρμοσμένο από τους P. C. Weber και F. R. Salemme, Nature 287: 82-84,1980.]

8 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: 4-α-Ελικοειδές Δεμάτιο Εικόνα 3.7 Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες του κυτοχρώματος b562 και της ανθρώπινης αυξητικής ορμόνης (HGH) σχηματίζουν 4-α-ελικοειδή δεμάτια. Στο κυτόχρωμα b562 (a) οι γειτονικές έλικες είναι αντιπαράλληλες, ενώ (b) η ανθρώπινη αυξητική ορμόνη (HGH) έχει δύο ζεύγη παράλληλων α-ελίκων που συνδέονται μ έναν αντιπαράλληλο τρόπο.

9 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: 4-α-Ελικοειδές Δεμάτιο Εικόνα 3.8 Σχηματικό διάγραμμα του διμερούς της Rop. Κάθε μονομερές αποτελείται από δύο α-έλικες oργανωμένες σε μία δομή σπειραμένου σπειράματος, με τις πλευρικές αλυσίδες πακεταρισμένες στον υδρόφοβο πυρήνα σύμφωνα με το μοντέλο «εσοχών-εξοχών». Τα δύο μονομερή διευθετούνται με τέτοιον τρόπο, ώστε να σχηματίζεται ένα 4-α-ελικοειδές δεμάτιο.

10 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης α: 4-α-Ελικοειδές Δεμάτιο Εικόνα 3.9 Σχηματικό διάγραμμα της δομής μιας επικράτειας της βακτηριακής μουραμιδάσης. Αυτή η επικράτεια αποτελείται από 450 αμινοξικά κατάλοιπα. Η δομή σχηματίζεται από 27 α-έλικες που οργανώνονται σε σχήμα δαχτυλιδιού με δύο στιβάδες. Το δαχτυλίδι έχει μία μεγάλη κεντρική οπή, ενώ η διάμετρός του είναι περίπου 30 Å.

11 Κεφάλαιο 3 Η αναδίπλωση της Μυοσφαιρίνης & Αιμοσαφιρίνης Εικόνα 3.10 Σχηματικό διάγραμμα της δομής της επικράτειας σφαιρίνης. Οι οκτώ α-έλικες ονομάζονται Α-Η. Οι Α-D είναι κόκκινες, οι Ε και F πράσινες και οι G και Η μπλε. Η ομάδα της αίμης εμφανίζεται με άσπρο. (Προσαρμοσμένο από τα πρωτότυπα που παραχωρήθηκαν από τον Α. Lesk.)

12 Κεφάλαιο 3 Πακετάρισμα ελίκων: Μοντέλο Προεξοχέςστιςαύλακες Εικόνα 3.11 Οι πλευρικές ομάδες στην επιφάνεια μιας α-έλικας σχηματίζουν προεξοχές που διαχωρίζονται από αύλακες, όπως σχηματικά απεικονίζεται εδώ. (a) Μία α-έλικα, με κάθε κατάλοιπο να αναπαρίσταται χρησιμοποιώντας μόνο το πρώτο άτομο της πλευρικής του ομάδας, το Cβ. (b) Μια ανάγλυφη αναπαράσταση της επιφάνειας μιας α- έλικας πολυαλανίνης με τον προσανατολισμό που φαίνεται στο (a). Η εικόνα αυτή αντιστοιχεί σε μια υπέρθεση διαδοχικών τομών από ένα χωροπληρωτικό μοντέλο. Οι αριθμοί των καταλοίπων τοποθετούνται στα Cβ άτομα. Οι προεξοχές που δημιουργούνται από τις πλευρικές αλυσίδες που απέχουν μεταξύ τους τέσσερα κατάλοιπα παρουσιάζονται ως γραμμές. (c) Όπως και στο (b), τώρα όμως οι προεξοχές σχηματίζονται από πλευρικές αλυσίδες με μεταξύ τους απόσταση τριών καταλοίπων.

13 Κεφάλαιο 3 Πακετάρισμα ελίκων: Μοντέλο Προεξοχέςστιςαύλακες Εικόνα 3.12 Ταιριάζοντας τις προεξοχές των πλευρικών αλυσίδων από τη μία έλικα με τις αύλακες (που σχηματίζονται μεταξύ των πλευρικών αλυσίδων) της άλλης έλικας και αντιστρόφως, οι α-έλικες πακετάρονται η μία απέναντι στην άλλη. (a) Δύο α-έλικες, οιικαιιι, με τις προεξοχές των πλευρικών αλυσίδων (με μεταξύ τους απόσταση τεσσάρων καταλοίπων) να επισημαίνονται με κόκκινο και μπλε αντίστοιχα. Οι Εικόνες a1, b1 και a2, b2 παρουσιάζουν τις δύο έλικες από την ίδια οπτική γωνία. Στις Εικόνες a3 και b3 ημπλεα-έλικα περιστρέφεται κατά 180, ώστε να σχηματίσει μία επιφάνεια επαφής με την κόκκινη α-έλικα. Στην Εικόνα a4 η διεύθυνση των ελίκων έχει περιστραφεί κατά 50, ώστε να πακετάρονται οι προεξοχές της μιας α-έλικας με τις αύλακες 180 ο 50 ο ΤΑΙΡΙΑΣΜΑ της άλλης. (b) Στην κόκκινη α-έλικα οι προεξοχές σχηματίζονται από πλευρικές αλυσίδες με μεταξύ τους απόσταση τεσσάρων καταλοίπων και στην μπλε α-έλικα από (n,n+4) (n,n+4) πλευρικές αλυσίδες με μεταξύ τους απόσταση τριών καταλοίπων. Οι α-έλικες περιστρέφονται 20 (βλ. Εικόνα 180 ο 20 ο ΤΑΙΡΙΑΣΜΑ b4), με σκοπό να πακεταριστούν οι προεξοχές στις αύλακες σε μια κατεύθυνση αντίθετη από αυτήν της (a). (Προσαρμοσμένο από τους C. Chothia et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: , 1977.) (n,n+4) (n,n+3)

14 Κεφάλαιο 3 Η αναδίπλωση της Αιμοσαφιρίνης Εικόνα 3.13 Το μόριο της αιμοσφαιρίνης δομείται από τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες: δύο α-αλυσίδες και δύο β-αλυσίδες. Συγκρίνετέ τες με την Εικόνα 1.1 και παρατηρήστε ότι, για λόγους σαφήνειας, τμήματα των α-αλυσίδων δεν παρουσιάζονται εδώ. Κάθε αλυσίδα έχει μία τρισδιάστατη δομή όμοια με αυτήν της μυοσφαιρίνης: ηλεγόμενηαναδίπλωσητηςσφαιρίνης. Στην αιμοσφαιρίνη της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας το Glu 6 στη β-αλυσίδα μεταλλάσσεται σε Val, δημιουργώντας έτσι μια υδρόφοβη περιοχή στην επιφάνεια του μορίου. Ηδομήτης αιμοσφαιρίνης καθορίστηκε το 1968 σε διακριτικότητα 2.8 Å στο εργαστήριο του Max Perutz στο MRC Laboratory of Molecular Biology, στο Cambridge του Ηνωμένου Βασιλείου.

15 Κεφάλαιο 3 Η αναδίπλωση της Αιμοσαφιρίνης & Δρεπανοκυτταρική Αναιμία Εικόνα 3.14 Στη δρεπανοκυτταρική αναιμία τα μόρια αιμοσφαιρίνης πολυμερίζονται εξαιτίας της υδρόφοβης περιοχής που δημιουργήθηκε από τη μετάλλαξη του Glu 6 σε Val στη β- αλυσίδα. Στο διάγραμμα (a) απεικονίζεται πώς αυτή η υδρόφοβη περιοχή (με πράσινο χρώμα) αλληλεπιδρά με μία υδρόφοβη θήκη (με κόκκινο χρώμα) ενός δεύτερου μορίου αιμοσφαιρίνης, του οποίου (κόκκινου μορίου) η υδρόφοβη περιοχή αλληλεπιδρά με την κατάλληλη θήκη ενός τρίτου μορίου και ούτω καθεξής. Οι ηλεκτρονιοφωτογραφίες των ινών αιμοσφαιρίνης της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας παρουσιάζονται σε τομή στο (b) και κατά μήκος των ινών στο (c). [(b) και (c) από τους J. T. Finch et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70: , 1973.

16 Κεφάλαιο 3 Δομές Τάξης: Ανακεφαλαίωση Δομές Τάξης α Σπειρωμένα Σπειράματα: 4-α-Ελικοειδές Δεμάτιο: Αναδίπλωση Σφαιρίνης: Πακετάρισμα δύο α-ελίκων μαζί, όπου η μία έλικα τυλίγεται γύρω από την άλλη. Διαθέτουν μοτίβο επαναλαμβανόμενων επτάδων. Σταθεροποιούνται μέσω αλληλεπίδρασης υδρόφοβων αμινοξέων Δύο έλικες που πακετάρονται μαζί αποτελούν μια (μη-αυτοτελή) επικράτεια. Για τον σχηματισμό μιας αυτοτελούς επικράτειας απαιτούνται τέσσερις α-έλικες οργανωμένες σε ένα «δεμάτιο» Διαδοχικές έλικες, χωρις αντιπαράλληλη διευθέτηση, συγκροτούν μια σφαιρική δομή. Οι έλικες συνδέονται με μικρούς βρόγχους. Δύο Τύποι Πακεταρίσματος α-έλικας Μοντέλο Εσοχών-Εξοχών Μοντέλο Προεξοχές στους Αύλακες Δύο έλικες τύπου (n, n+4) Μία έλικα τύπου (n, n+4) και μία έλικα τύπου (n, n+3)

17 Εισαγωγή Μοριακή Προσομοίωση

18 Μοριακή Προσομοίωση - Εισαγωγή Βασικές Έννοιες Δομική Βιοπληροφορική: Βιοπληροφορική αντιστοιχεί στην ανάπτυξη αλγορίθμων και βάσεων δεδομένων για την μελέτη και την κατανόηση των βιολογικών συστημάτων, Δομική Βιοπληροφορική, αντιπροσωπεύει τον τομέα ο οποίος πραγματεύεται την δομή των βιομακρομορίων. Ο όρος Δομική Βιοπληροφορική συμπεριλαμβάνει την μελέτη των δομών του DNA, RNA των πεπτιδίων και των πρωτεϊνών. Η γνώση των πρωτεϊνικών δομών επιτρέπει την διερεύνηση των βιολογικών διεργασιών άμεσα, σε βάθος και με υψηλή ανάλυση Βιομοριακή Προσομοίωση: Η (Βιο)Μοριακή Προσομοίωση επιτρέπει την μελέτη της δομής και της αλληλεπίδρασης πρωτεϊνών-πρωτεϊνών/dna/rna μέσω υπολογιστικών προσεγγίσεων σε υψηλή ανάλυση (λεπτομέρεια σε ατομικό επίπεδο) μέσω της μελέτης της τρισδιάστατης (3D) μοριακής δομής της πρωτεΐνης ή του πρωτεϊνικού συμπλόκου. Τέτοιες προσεγγίσεις είναι η προσομοίωση δομών μέσω υπολογιστικών μεθόδων: - Πρόβλεψη μέσω ομολογίας ή Συγκριτική προσομοίωση - Πρόβλεψη μέσω Threading - ab initio Πρόβλεψη

19 Μοριακή Προσομοίωση Εισαγωγή: Δομές Πρωτεϊνών Δομές Πρωτεϊνών Ιεραρχική προσέγγιση 1ταγής δομή: αλληλουχία αμινοξέων 2ταγής δομή: αναδίπλωση του πρωτεϊνικού σκελετού, α-έλικα (~35% των αμινοξέων σε γνωστές 3D πρωτεϊνικές δομές) β-πτύχωση & β-φύλλο (~25% των αμινοξέων ) β-στροφή, Ω-θηλιά, 3 10 & π-έλικα (5-15% των αμινοξεων) τυχαίο σπείραμα (25-35% των αμινοξέων) 3ταγής δομή: τρισδιάστατη δομή, διευθέτηση στοιχείων 2ταγούς δομής στον χώρο 4ταγής δομή: δύο, τρείς ή περισσότερες υπομονάδες Κατηγορίες Δομών - Ολοκληρωτικά σχεδόν α-δομές (>50% α-έλικα και <10% β-φύλλο ) - Ολοκληρωτικά σχεδόν β-πτυχώσεις και β-φύλλα (>30% β-φύλλο και <5% α-έλικα), και - Συνδυασμός των παραπάνω ή αλλιώς α/β ή α+β δομές α/β δομές είναι οι δομές οι οποίες αποτελούνται από συνδυασμούς μοτίβων β-α-β α+β «««««««από δύο διακριτές περιοχές, μία περιοχή με α δομή και μία με β δομή

20 Μοριακή Προσομοίωση Εισαγωγή: Δεσμός Υδρογόνου Γωνία και Απόσταση ατόμων σε Δεσμούς-Η Οι Baker και Hubbard (1984) όρισαν τον δεσμό-η στον σκελετό των πρωτεϊνικών μορίων σύμφωνα με την γωνία Ν-Η... ΟC = θ και την απόσταση r ΗΟ στον δεσμό-η. Συνεπώς, ένας δεσμός-η αποδίδεται όταν ικανοποιούνται οι προϋποθέσεις: θ > 120 ο και r ΗΟ < 2.5 Å Δεσμός Υδρογόνου κατά Coulomb Ένας τρόπος για να διαπιστωθεί η ύπαρξη ενός δεσμού-η είναι ο υπολογισμός της ενέργειας Coulomb στον δεσμό, σύμφωνα με την ηλεκτροστατική έλξη. ΗενέργειαCoulomb για την έλξη ή άπωση δίνεται από την σχέση: E= fδ + δ - {1/r NO + 1/r HC + 1/r HO 1/r NC } όπου f = 332 μια σταθερά σε Åkcal/e 2 mole, δ + και δ - πολικά φορτία σε ηλεκτρονιακό φορτίο e. ΗενέργειαΕ< -0,5 kcal/mol έχει οριστεί σαν όριο για τον ασθενέστερο δυνατό δεσμό-η, σύμφωνα με τον αλγόριθμο DSSP. Οι τιμές για τα μερικά φορτία δ - = -0.42e είναι για το καρβονυλικό οξυγόνο και το αμιδικό άζωτο και δ + = 0.20e για τον καρβονυλικό άνθρακα και για αμιδικό υδρογόνο.

21 Μοριακή Προσομοίωση Εισαγωγή: Πειραματικός Υπολογισμός Δομών Κρυσταλλογραφία Ακτίνων-Χ: Φασματοσκοπία NMR: Κρυσταλλική δομή (στερεά κατάσταση) Σε διάλυμα με ποικιλία πειραματικών συνθηκών

22 Μοριακή Προσομοίωση Εισαγωγή: Δομική Βάση Βιολογικών Φαινομένων Η αξιοποίηση του πλήθους των δομικών στοιχείων για την εξαγωγή βιολογικά σημαντικών πληροφοριών συντελείται μέσω των παρακάτω διεργασιών Απεικόνιση : Η δημιουργία εικόνων για την αναπαράσταση δομικών μοντέλων συνεισφέρει στην οπτική ανάλυση, στην αναγνώριση των χαρακτηριστικών και στην εξαγωγή των δομικών πληροφοριών τις οποίες περιέχει ένα απλό αρχείο συντεταγμένων για τις θέσεις των ατόμων μιας πρωτεΐνης. Ταξινόμηση: Η ταξινόμηση των πρωτεϊνικών δομών παρέχει πληροφορίες για την εξελικτική διαδικασία και παρέχει με ευκολία δεδομένα για να αξιοποιηθούν, όπως π.χ. στην υπολογιστική προσομοίωση νέων δομών πρωτεϊνών. Δύο από τις πιο γνωστές βάσεις με ταξινομημένες δομές πρωτεϊνών είναι οι SCOP και CATH Πρόβλεψη: Παρά τις τεράστιες προσπάθειες πειραματικής επίλυσης δομών βιομορίων, ο αριθμός των γνωστών 3D δομών παραμένει πολύ μικρότερος από τον αριθμό των γνωστών πρωτεϊνικών ακολουθιών. Ηπρόβλεψητων3D δομών μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω: ομολογίας - Συγκριτική Προσομοίωση Threading, ab initio πρόβλεψης. Προσομοίωση. Οι κρυσταλλογραφικές και NMR μελέτες, υπολογίζουν ένα στατικό μοριακό μοντέλο. Παρ όλα αυτά οι ιδιότητες οι ιδιότητες με την μεγαλύτερη σημασία στα βιολογικά μόρια είναι συνήθως απόλυτα συνδεδεμένες με την δυναμική συμπεριφορά του μορίου, δηλαδή την κινητικότητα, την ευκαμψία και την αλληλεπίδρασήςτου με άλλα μόρια: Πρωτόκολλα: Προσομοιώση Μοριακής Δυναμικής, Προσομοίωση Πρόσδεση (Docking)

23