ТЕРЦИЈАРНА И КВАТЕРНЕРНА СТРУКТУРА НА ПРОТЕИНИТЕ. Предавања по Биохемија I Доц. д-р Наташа Ристовска

Transcript

1 ТЕРЦИЈАРНА И КВАТЕРНЕРНА СТРУКТУРА НА ПРОТЕИНИТЕ Предавања по Биохемија I Доц. д-р Наташа Ристовска

2 Терцијарна и кватернерна структура на протеини Вкупниот тридимензионален распоред на сите атоми во протеинот се означува како терцијарна структура на протеинот 3. Тридимензионалниот распоред на две или повеќе полипептидни низи се нарекува кватернерна структура на протеинот 4 a хеликс b конформација

3 Видови на интеракции од кои зависи терцијарната структура на протеините Основна карактеристика на протеините е да гради клопче или друг тип структура кое има минимум енергија и е многу стабилна. Карактеристичната терцијарна конформација се должи на интеракциите на поголеми растојанија во полипептидната низа. Примарната структура на протеините е определена од ковалентни врски, додека повисоките нивоа на структурна организација на протеините се формирани и стабилизирани со слаби нековалентни интеракции: Водородна врска Електростатско привлекување Ван дер Ваалсови привлечни сили

4 Нековалентни интеракции кај протеините Водородна врска - Се формираат секаде каде што е можно во протеинската структура меѓу протон донори и акцептори. Меѓу структурните атоми од различни пептидни врски Меѓу страничните групи на аминокиселинските остатоци Меѓу хидрофилните аминокиселински остатоци од површината на протеинската молекула и молекулите вода.

5 Нековалентни интеракции кај протеините Електростатски сили Се јавуваат меѓу страничните групи на аминокиселинските остатоци со спротивен полнеж Ван-дер Ваалсови сили Потекнуваат од индуцираните диполи меѓу соседни несврзани атоми без полнеж, како последица на движење на електроните во орбиталите. Привлечни - интеракции меѓу индуцирани диполи со спротивен полнеж, во хидрофобниот регион од протеинот.

6 Хидрофобни интеракции Mолекулите на вода (течност) се подредени во тридимензионална мрежа како резултат на водородните врски меѓу нив. Ако на површината од протеинот се присутни кластери (групи) од неполарни странични групи, доаѓа до раскинување на некои од водородните врски и преуредување на молекулите вода, со што се зголемува енталпијата. Најстабилна енергетска состојба е кога хидрофобните аминокиселински странични групи ќе се најдат во внатрешниот дел на протеинот.

7 Класификација на протеините При изучување на повисоките нивоа на структурна организација на протеините, корисна е следната нивна класификација: Фиброзни (фибриларни) протеини Глобуларни протеини Липопротеини Гликопротеини

8 Фибриларни протеини Полипептидните низи се распоредени во долги влакна или набрани структури. Содржат најмногу еден тип на секундарна структура. Релативно едноставна терцијарна структура. Слаба растворливост во вода Ја одржуваат формата и учествуваат во надворешната заштита на рбетниците. Структура Карактеристики Примери и наоѓање α-хеликс со попречни дисулфидни мостови Цврсти, нерастворливи заштитни структури со различна јачина и флексибилност Кератин на косата, пердувите и ноктите β-конформација Меки, флексибилни филаменти Фиброин од свилата Колагенски троен хеликс Многу растеглива структура, без истегнување Колаген од тетивите, коскената срцевина

9 α-кератин α-кератините се дел од семејството интермедијарни филаментозни протеини (IF протеини). Го сочинуваат речиси целосно сувиот остаток од косата, волната, ноктите, канџите, боцките, роговите, копитата и поголемиот дел од надворешниот слој на кожата. Аминокиселински состав: α-кератините се богати со хидрофобните остатоци Ala, Val, Leu, Ile, Met и Phe.

10 Структура на α-кератин α-кератините имаат деснорак α-хеликс. Две нишки од α-кератинот се паралелно ориентирани, испреплетени една околу друга во суперспирала пример за кватернерна структура на протеини. Хеликсот од суперспиралната структура има леворака форма.

11 Структура на α-кератин Кватернерната структура на α-кератините е стабилизирана со попречни дисулфидни мостови. Голем број суперспирали можат меѓусебно да се сплетат и да образуваат супрамолекуларни комплекси: протофиламенти, протофибрили, фибрили, кои го градат средишниот дел на влакното.

12 Колаген Најчесто се наоѓа во сврзните ткива како што се тетивите, рскавицата, органскиот матрикс на коските, во корнеата на окото. Сочинува половина од масата на сите протеини во организмот, ја обезбедува цврстината на ткивата. Аминокиселински состав: најчесто содржат околу 35% Gly, 11% Ala и 21% Pro и 4-Hyp (4- хидроксипролин). Размисли: Која е причината за ригидноста и зголемената тврдост на сврзното ткиво кај старите луѓе?

13 Структура на колаген Полипептидна α-низа (се разликува од α-спирала) е леворака секундарна структура (ϕ = -51, ψ = +153 ) Три полипептиди се плетат една околу друга во деснорака суперспирала (плетенка - тропоколаген), со три аминокиселински остатоци во еден завој. Молекулите на колагенот се пакуваат во форма на фибрили (влакна). Овие фибрили потоа се вмрежуват преку ковалентни врски.

14 Структура на колаген Необичниот аминокиселински состав на колагенот, кој вклучува Lys, HyLys (5-хидроксилизин) или His не е погоден за градење на низи α - хеликси или β структури. Овој состав е погоден за градење на колагенски тројни спирали. Овие аминокиселини ја стабилизираат колагенската структура, најверојатно преку образување на водородни врски со молекулите од водата. Во структурата се градат истегнати низи слични на α- хеликс со од 2.9 Ǻ Низата има 3,3 остатоци на завој Деформирање на низата кога содржи дел од низа со состав Gly-Pro-Pro/HyP.

15 Еластин Тој е главен составен дел на екстрацелуларниот матрикс. Еластин е протеин кој ја дава еластичноста на ткивата: белите дробови, ѕидовите од главните крвни садови и еластичните лигаменти. Има способност да се истегнува неколку пати повеќе од својата должина. Размисли: Која е причината за стареење на кожата?

16 Структура на еластин Еластинот е составен во полипептидни низи во форма на спирали кои образуваат фибрили, како кај колагенот. Аминокиселински состав: најмногу застапени се глицин, аланин и пролин, кои имаат способност за вмрежување со лизинските остатоци. Врз еластичноста најголемо влијание имаат хидрофобните сегменти. И во овој протеин настанува вмрежување со хемиски трансформации на аминокиселинските остатоци на лизинорелуцин, дезмосин и изодезмосин. Дезмосинот и изодезмосинот се среќаваат само кај еластинот и ја дават жолтата боја на овие ткива. Задача: Кои се структурните формули на овие аминокиселини?

17 Фиброин Фиброинот е протеин на свилата. Го создаваат инсектите и пајаците. Полипептидните низи главно се наоѓаат во β-конформација.

18 Структура на фиброин Кај β-конформациите од една страна на полипептидната низа се наоѓаат остатоците на Gly, а од другата страна се Ala/Ser. Со тоа е овозможено густо пакување на β набраните структури, една врз друга. Структурата е стабилизирана со голем број водородни врски меѓу пептидните групи. Структурата е флексибилна поради поврзувањето на β-конформациите преку слаби нековалентни интеракции.

19 Структура на фиброин За фиброинот е карактеристично повторувањето [Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser- Gly-Ala-Ala-Gly-(Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Gly) 8 ] Регионите со аминокиселинските остатоци на валин и тирозин ја прекинуваат β-конформацијата и со тоа придонесуваат за растегливост.

20 Глобуларни протеини Глобуларните протеини имаат компактен (густо спакувани аминокиселински остатоци) сферен облик. Причина: различни делови од полипептидната низа се свиткуваат една во друга. Нивната функција е поврзана со клеточниот метаболизам: биосинтеза, катаболизам, транспорт, катализатори. Во глобуларни протеини спаѓаат: ензимите, транспортните протеини, протеините-мотори, регулаторните протеини, имуноглобулините и протеините со многу други функции. Модел со калоти на хемоглобин

21 Градба на глобуларни протеини Поларните аминокиселински остатоци се наоѓаат на надворешната страна од големата протеинска молекула. Последица: глобуларните протеини се растворливи во вода. Хидрофобните остатоци се наоѓаат во внатрешноста на молекулата и взаемодејствуваввт меѓусебно. Пакувањето на остатоците е компактно. Односот на ван дер Валсовиот волумен на протеинските низи со волуменот на протеинот е само 0,72 до 077. Тоа значи дека околу 25 % од вкупниот волумен е празен простор. Празниот простор простор во протеините е во форма на мали шуплини.

22 Терцијарна структура на глобуларните протеини Сложена структура од полипептидни низи со α спирална и β набрана конформација, поврзани со кратки сегменти за сврзување завои и испакнувања. Основните секундарни структури (α-хеликс, β структури, како навои и испакнувања) ги нарекуваме градбени елементи на терцијарната структура.

23 Структурен мотив Структурен мотив познат и како суперсекундарна структура или свиток. Структурен мотив е најпрепознатливиот свиток со два или повеќе елементи на секундарната структура, како и делот (деловите) коишто ги поврзуваат елементите. Со него се опишува мал дел на протеинот или целата полипептидна низа. Едноставен (прост) мотив: β α β јамка α α кош

24 Поврзување на алфа спиралите Најпрост начин за пакување на антипаралелните низи со α-спирали е поврзување преку куси завои (свиоци). Во овие протеини се градат сложени структури во форма на врзоп, свиток. снопче, Пример за протеини изградени од антипаралени низи со α структура се глобинските (глобуларни) протеини миоглобин и хемоглобин.

25 Поврзување на β-конформациите

26 Поврзување на β-конформациите Типично антипаралелно сврзување на β - структурите Накрсно сврзување на β структурите (ретко се среќава)

27 Структурен мотив Во β-структурите неполарните остатоци се распоредени од двете страни на слојот од низи Тоа значи дека двете страни од слојот се заштитени од растворувачот На овој начин се гради т.н. структура наречена β - буре

28 Домен Jane Richardson (1981): домен е дел од полипептидната низа, кој е самостојно стабилен или кој би можел да извршува движења како посебен дел на протеинот во однос на целиот протеин. Домен е основна структурна единица на протеинската молекула. Ја задржува својата природна тридимензионална структура, дури и кога е одделен од остатокот од полипептидната низа. Различни домени имаат различни функции. Бројот на домени во протеинската молекула зависи од нејзината големина: малите протеини најчесто имаат само еден домен. Пируват киназа (мономерен протеин); три домени

29 Домен Домените се комбинација од структурни мотиви. Домените се независни мали клопчиња во 3 структура. Домените се стаблизирани со хидрофобни интеракции, при што се формираат мали клопчиња.

30 Структурна класификација на протеините Според највисокото ниво на класификација на SCOP базата, протеинските структури се поделени на 4 класи: α, β, α/β (наизменични α и β сегменти) α+β (сегменти од α и β, кои се одвоени едни од други) Со комбинација на повеќе мотиви (различни начини на свиткување) се добиваат субединици на протеините - субструктура. Две нивоа на структурна организација класа и свиток. Потоа следи класификацијата според еволуциските врски.

31

32

33

34 Протеинско семејство Протеините со слична примарна структура имаат слична терцијарна структура. туна 1 GDVAKGKKTFVQKCAQCHTVENGGKHKVGPNLWGLFGRKTGQAEGYSYTDANKSKGIVWN квасец 1 GSAKKGATLFKTRCLQCHTVEKGGPHKVGPNLHGIFGRHSGQAEGYSYTDANIKKNVWDE ориз 1 GNPKAGEKIFKTKCAQCHTVDKGAGHKQGPNLNGLFGRQSGTTPGYSYSTANKMAVIWEE туна 61 ETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERQDLVAYLKSATS квасец 61 NNMSEYLTNPKKYIPGTKMAFGGLKKEKDRNDLITYLKKACE ориз 61 NTLYDYLLNPKKYIPGTKMVFPGLKKPQERADLISYLKEATS туна ориз квасец бактерија

35 Протеинско семејство Протеините со слична терцијарна структура имаат слични домени. Протеините со значителна сличност во примарната структура и слична терцијарна структура и функција спаѓаат во исто протеинско семејство (фамилија). Две или повеќе фамилии со мала сличност во аминокиселинската секвенца, а слична терцијарна структура (исти главни мотиви и иста функција), припаѓаат на суперсемејство. Лактат дехидрогеназа Малат дехидрогеназа

36 Миоглобин Структура - John Kendrew и соработниците (1950-ти); рендгенска дифракција. α-спиралите во миоглобинот биле првиот директен експериментален доказ за постоење на овој вид секундарна структура. Миоглобинот е еден релативно мал протеин со Мr = 16700, кој во џебот содржи хем (простетична група) Функција: го сврзува кислородот во мускулните клетки и ја олеснува дифузијата на кислородот при брзите контракции на мускулното ткиво.

37 Терцијарна структура на миоглобин Начини на претставување на протеинската структура: Лентест модел истакнати деловите со секундарна структура Модел со калоти со сите аминокиселински странични низи секој атом е претставен со сфера која го опфаќа ван дер Ваалсовиот радиус. Лентест модел Модел со калоти

38 Терцијарна структура на миоглобин Примарна структура: секвенца од 153 аминокиселински остатоци Терцијарна структура: 8 деснораки α- спирали (А, B, C, D, E, F, G, H) поврзани со свиоци (АB, CD, EF, FG..), некои од нив β. Спиралите се разликуваат според должината, најдолгата ја сочинуваат 23 аминокиселини, најкратката 7. Хидрофобните групи се ориентирани во внатрешноста (хидрофобно јадро со само 2 поларни R групи и 4 молекули H 2 O. 3 од 4 остатоци на Pro се во завоите. Во процепот (џеб) на Mb се наоѓа хем.

39 Хем простетична група Хем - непротеински дел на Mb и Hb, во кој Fe 2+ јоните се сврзуваат за протопорфирин IX. Железото во хемот има 6 координативни врски, од кои 4 во рамнина со порфиринот, а 2 нормално на рамнината. Порфирин: органско полициклично соединенение изградено од 4 пиролни прстени поврзани со метeнски групи. Постојат различни типови порфирини кои се разликуваат според видот и бројот на суституенти во пиролните прстени. порфирин хем

40 Функција на миоглобинот Сврзување на кислород (складирање). Оваа функција ја има Fe 2+ јонот, чија реактивност е намалена поради координативните врски во хемот. O 2 се сврзува нековалентно со Fe 2+ од хемот, а се стабилизира преку водородна врска со протонот од His-64, односно His E7). Покрај 4 координативни врски со N-атомите од порфиринскиот систем, Fe 2+ е нековалентно врзан со глобинот преку хистидински остаток (His 93 или His F8). Миоглобинот има едно место за сврзување со О 2.

41 Интеракции протеин - лиганд Функцијата на миоглобинот да сврзува, но и отпушта кислород онаму каде што е потребно. Реверзибилната протеин (Р) лиганд (L) интеракција се опишува со израз за рамнотежа: P + L PL Реакцијата се карактеризира со рамнотежна константа K a, (константа на асоцијација која претставува мерка за афинитетот на лигандот да се сврзе за протеинот) K a = [PL]/[P][L] = k a /k d каде k a и k d се константи на брзина на реакциите асоцијација и дисоцијација. K a [L] = [PL]/[P] Односот меѓу сврзаниот и слободен протеин е пропорционален со концентрацијата на лигандот.

42 Интеракции протеин - лиганд Опишување на рамнотежниот процес, преку воведување на удел θ (тета) број на зафатени места за сврзување во однос на вкупниот број места за сврзување: = број на зафатени места за сврзување/вкупен број на места за сврзување = [PL]/([PL] + [P]) Со внесување на изразот за [PL] = K a [L][P] = K a [L][P]/(K a [L][P] + [P]) = K a [L]/(K a [L] + 1) = [L]/([L] + 1/K a )

43 Интеракции протеин - лиганд Вредноста за K a може да се определи графички преку зависноста на уделот на зафатени места за сврзување од концентрацијата на слободниот лиганд. е хиперболична функција од [L]. При зголемување на концентрацијата на лигандот, уделот на зафатени места за сврзување од лигандот асимптотски се приближува до граничната вредност. = 0.5 е концентрацијата на [L] при која половина од достапните места за сврзување на лигандот се зафатени, а одговара на 1/K a.

44 Интеракции протеин - лиганд Пресметките се поедноставни во однос на константата на дисоцијација на РL комплексот. K d = [P][L]/[PL] = k d /k a После преуредување, се добива изразот: = [L]/([L] + K d ) K d = 1/K a, одоговара на зафатеност на половина од вкупниот број на места за сврзување. Пониска вредност на K d, значи повисок афинитет на лигандот кон протеинот.

45 Сврзување на кислород со миоглобин Кога наместо [L] во изразот се внесе [O 2 ], концентрација на растворениот кислород, се добива: = [O 2 ]/([O 2 ] + K d ) Како и за секој лиганд, K d е еднаква на [O 2 ] при која се зафатени половина од достапните места за сврзување, или [O 2 ] 0.5. = [O 2 ]/([O 2 ] + [O 2 ] 0.5 ) Поедноставно експериментално се следи промената на парцијалниот притисок на кислородот (po 2 ) во гасна фаза над растворот, кој е пропорционален со концентрацијата на гасот во раствор = po 2 /(po 2 + P 50 ) Кислородот се сврзува за Mb кога P 50 изнесува 0,26 kpa.

46 Кватернерна структура Кватернерната структура (4 ) ја опишува организацијата на две или повеќе подединици (субединици) во протеинот. Мономерни протеини: изградени од една полипептидна низа. Олигомерни протеини: изградени од неколку полипептидни низи. Мултимерни протеини: изградени од повеќе полипептидни низи, наречени подединици (мономери). Мултимерите може да бидат: хомомултимери или хетеромултимери.

47 Кватернерна структура Секоја подединица има сопствена терцијарна структура (низите се означуваат со грчки букви α, β). Меѓусебе се сврзани нековалентно. Структурните единици на мултимерот кои се идентични подединици или неидентични подединици со периодични групи и симетричен распоред, се нарекуваат протомери (пр димер αβ-протомер).

48 Кватернерна структура Протомерите најчесто се поврзани со ротациона или спирална симетрија. Постојат повеќе форми на ротациона симетрија: циклична (една оска на ротација), диедарска, икосаедарска и др.

49 Хемоглобин Прв олигомерен протеин со решена 3D структура е хемоглобин Hb. Хемоглобинот е изграден од протеински дел (глобин) и 4 простетични групи хем. Глобинот содржи 4 полипептидни низи: две α- (141 остаток) и две β-низи (146 аминокиселински остатоци). Хемоглобинот е тетрамер. Двете низи имаат слични тридимензионални структури поради сличните аминокиселински секвенци (совпаѓање на 27 позиции). Подединците се распоредени во симетрични парови. Хемоглобинот е димер од αβ-протомери, со циклична С 2 симетрија.

50 Функција на хемоглобин Од матичните клетки хемоцитобласти се формираат еритроцити (биконкавни дискови со дијаметар од 6 до 9 μm. Главна функција е да го пренесуваат хемоглобинот растворен во цитосолот (до 34%) Хемоглобинот има повеќе подединици и места за сврзување на кислородот од миоглобинот. Хемоглобинот има функција да го сврзува и транспортира кислородот. Хемоглобинот ги пренесува двата крајни продукти на клеточна респирација Н + и СО 2.

51 Подединиците на хемоглобин имаат слична структура со миоглобинот Тридимензионалните структури на двете подединици на хемоглобин и полипептидната низа на миоглобин се многу слични: изградени се од 8 алфа спирали и непротеински дел - хем. Сите три полипептиди се членови на глобинското семејство. Покажуваат сличност во 27 позиции.

52

53 Структурни промени на Hb при сврзување на О 2 Хемоглобинот сврзува кислород во двете конформации: R (relaxed) - oпуштена и T (tense) - напрегната состојба.

54 Т конформација на хемоглобин При отсуство на О 2 постабилна е Т конформацијата (деоксихемоглобин), која е стабилизирана со интеракции меѓу јонски парови на α 1 β 2 и α 2 β 1. Т состојбата на деоксихемоглобин е стабилизирана со интеракциите меѓу His HC3 и Asp FG1 од β подединицата, како и Lys C5 од α подединицата и карбоксилната група на His H3 која е С-крај на подединицата β.

55 Структурни промени на хемоглобин При сврзување на О 2 во Т конформацијата на Hb се раскинуваат некои од врските меѓу јонските парови, што предизвикува промена во R конформација (промена на положбата на His HС3, стеснување на џебот меѓу β подединиците). Според Макс Перутц преминот Т R е поттикнат од промената на положбите на аминокиселинските остатоци околу хемот. Во R состојба, хемот завзема попланарна конформација, се менува местоположбата на проксималниот His и сврзаниот F хеликс. Лигандот (О 2 ) има поголем афинитет за сврзување со R конформацијата.

56 Кооперативно сврзување на О 2 Протеинот со висок афинитет за сврзување на О 2 во белите дробови нема да испушти многу од сврзаниот кислород во ткивата. Протеинот со доволно низок афинитет на сврзување на О 2 за да го испушти во ткивата, не сврзува многу кислород во белите дробови. Решение: Хемоглобинот покажува хибридна Ѕ-крива или сигмоидна крива. Се добива како последица на кооперативно сврзување: сврзувањето на О 2 за одделна подединица на Hb го менува афинитетот за сврзување кај соседните подединици.

57 Алостерија Кооперативното сврзување на лигандот O 2 за мултимерниот протеин хемоглобин, претставува форма на алостеричко поврзување. Сврзувањето на еден лиганд (О 2 хомотропен модулатор за активирање) влијае врз афинитетот на останатите слободни места за сврзување.

58 Механизам на кооперативно сврзување Механизмот за кооперативно сврзување на O 2 за хемоглобин со повеќе места на сврзување, се објаснува со помош на два модели: MWC (Monod, Wyman, Changeux) усогласен модел Последователен (секвенцијален) модел. Според усогласениот модел: Подединиците во протеинот се функционално идентични и немаат различни конформации. Сите подединиците истовремено преминуваат од една во друга конформација (рамнотежа). Лигандот се сврзува со различен афинитет за било која конформација, со што се олеснува преминот во конформација со повисок афинитет.

59 Механизам на кооперативно сврзување Последователен (секвенцијален) модел Сврзувањето на лигандот може да предизвика промена на конформацијата на секоја поединечна подединица. Конформационата промена на една подединица предизвикува слична промена на соседната подединица. Постојат повеќе можни преодни состојби отколку кај усогласениот модел. Усогласениот модел е граничен случај на секвенцијалниот модел.

60 Хилова равенка Квантитативен опис на кооперативното сврзување на лигандот во мултимерниот протеин со n места за сврзување: P + nl PLn K a = [PL]/[P][L] n = број на зафатени места за сврзување/вкупен број на места за сврзување = [PL]/([PL] + [P]) Со внесување на изразот за [PL] = K a [P] [L] n = K a [P] [L] n /(K a [P] [L] n + [P]) = K a [L] n /(K a [L] n + 1) = [L] n /([L] n + 1/K a ) или θ = [L] n /([L] n + K d ) Со преуредување: [L] n = θ[l] n + θ K d ; (1- θ) [L] n = θ K d ; θ/ (1- θ) = [L] n / K d Со логаритмирање: log [θ/ (1- θ)] = n log [L] - log K d Хилова равенка

61 Хилов график за сврзување на кислород Графикот на кој е претставена зависноста на log [θ/(1-θ)] во однос на log [L] е наречен Хилов график. Експериментално определениот наклон (nh) е Хилов коефициент, мерка за степенот на кооперативност (не е број на слободни места за сврзување). nh = 1, сврзувањето не е кооперативно. nh > 1, позитивна кооперативност (сврзувањето на една молекула L го олеснува сврзувањето на следните молекули. nh < 1, негативна кооперативност

62 Хемоглобинот пренесува Н + и СО 2 Хемоглобинот од клетките во ткивата до бубрезите и белите дробови пренесува дел од крајните продукти на клеточната респирација Н + (40%) и СО 2 (15-20%). Во еритроцитите под дејство на карбонатна анхидраза СО 2 се хидратира до бикарбонат: СО 2 + Н 2 О Н + + НСО 3 - Н + се сврзува за некој од аминокиселинските остатоци од Hb (HHb + ). СО 2 се сврзува за α-аминогрупата на аминокрајот од секоја глобинска низа како карбамин, образувајќи карбаминохемоглобин:

63 Боров ефект Сврзувањето на Н + и СО 2 за Hb е обратно пропорционално од сврзувањето со О 2. Влијанието на рн и концентрацијата на СО 2 врз сврзувањето и отпуштањето на О 2 од Hb се нарекува Боров ефект. Најголем придонес за Боровиот ефект има стабилизирањето на Т состојбата (поттикнато ослободување на О 2 ), преку: Протонирање на His HC3 (146) од β подединиците и образување на стабилизиран јонски пар со Asp FG1 (94). Сврзаните карбамати градат дополнителни јонски мостови. рн на крвта во белите дробови е 7,6, а во ткивата 7,2.

64 Сврзување на О 2 за Hb. Регулирање со BPG Во еритроцитите со голема концентрација е присутен 2,3-бисфосфоглицерат (ВРG), сврзан за хемоглобинот во шуплина меѓу β-подединиците на Т состојбата. Со стабилизирање на Т состојбата на Hb се намалува афинитетот за сврзување на О 2, односно се зголемува ослободувањето на О 2 во ткивата.

65 Денатурација на протеините и свиткување Протеините се синтетизираат во рибозомите како линеарна аминокиселинска секвенца. За време на синтезата и по неа, полипептидната низа се свиткува (интеракции со околината и во пептидната низа) нативна конформација. Промена на условите во однос на клетката предизвикуваат промени во протеинската структура. Ако со промена на структурата дојде и до промена на функцијата на протеинот, се случила негова денатурација. Манифестирање: нецелосно одвиткување на полипептидната низа и добивање на случајни конформации.

66 Причини за денатурација Зголемена температура - влијание врз водородни врски; екстремни рн вредности - електростатско одбивање и раскинување на некои водородни врски; органски растворувачи (алкохол, ацетон) и денатурирачки раствори (уреа, гванидин хидрохлорид, SDS) раскинување на хидрофобни интеракции.

67 Ренатурација Ренатурација е процес на повторно враќање на денатурираните протеини во нивната нативна структура и биолошка активност, при вратени услови на стабилна нативна конформација. Експеримент: денатурација и ренатурација на рибонуклеаза А (Кристијан Афинсен 1950) Реагенсот за редукција (меркаптоетанол) ги раскинува дисулфидните врски до Cys остатоци. Уреата ги раскинува хидрофобните интеракции. Целиот полипептид преоѓа во одвиткана конформација. При отстранување на реагенсите повторно се свиткува во нативната форма и се враќа каталитичката активност.

68 Свиткување на полипептидите Како полипептидот ја добива својата нативна конформација? E.coli може да синтетизира биолошки активен протеин од 100 аминокиселински остатоци на 37 С, за време од 5 sec. Левинталов парадокс: Ако свиткувањето е случајно и секој од аминокиселинските остатоци може да завземе 10 конформации, тогаш полипептидот од 100 остатоци ќе има конформации за што се потребни години. Заклучок: Свиткувањето не е случаен процес на проба и грешка, мора да постојат пократки патишта.

69 Модел на свиткување според хиерархија Формирање на локални секундарни структури (α-хеликси или β-слоеви); интеракции на поголеми растојанија и образување на суперсекундарни структури; формирање на домен. Пр. Симулација за свиткување на низа од 36 аминокиселински остатоци од протеинот вилин.

70 Модел на стопена глобула Формирање на конформациона состојба со висока содржина на секундарни структури стопена глобула. Термодинамиката на протеинското свиткување е претставена со инка на слободна енергија : На почеток можни се голем број конформации на делумно свитканите полипептиди (голема ентропија). Со напредок на процесот се намалува бројот на делумно свиткани конформации (се намалува ентропијата), а се зголемува количеството протеин во нативна конформација (намалување на слободна енергија).

71 Молекули кои го помагаат свиткувањето Свиткувањето на протеините е помогнато од молекулски хаперони и/или ензими. Ензими кои учествуваат во механизмот на свиткување се: Протеин дисулфид изомераза (PDI) - внатершна размена на дисулфидни врски до формирање на нативна конформација, и Пептид пропил цис-транс изомераза (PPI) цис-транс изомерија на пептидна врска која содржи остатоци на Pro.

72 Хаперони За протеините во клетка кои не се свиткуваат спонтано, потребни се молекуларни хаперони. Хаперони се протеини кои стапуваат во интеракција со делумно свитканите или погрешно свитканите полипептиди, со што обезбедуваат услови и го олеснуваат патот за правилно свиткување. Проучени се две класи на хаперони: Hsp (heat shock proteins) Hsp70, Hsp40. Хаперонини GroEL/GroES

73 Хаперонини GroEL и GroES

74 Зошто е важна тридимензионалната структура на протеините? Последица од грешки при свиткувањето на протеините: Четвртина од сите синтетизирани полипептиди може да бидат уништени, Појава на сериозни заболувања, како што се дијабетес тип 2, Алцхајмерова, Хантингтонова и Паркинсонова болест. Некои дегенеративни заболувања на мозокот кај цицачите завршуваат со смрт. Најпозната од овие болести е говедската спонгиформна енцефалопатија (BSE; од анг. bovine spongiform encephalophaty) - кравјо лудило.

75 Грешки при свиткувањето Доколку еден растворлив протеин се излачи во погрешно свиткана форма, се претвора во нерастворливо екстрацелуларно амилоидно влакно. Влакната се добро средени и не се разгранети, со дијаметар од 7 до 10 nm и голем дел на β набрани структури. β-низите се ориентирани нормално на оската на влакното. Потоа, другите делови од протеинот различно се свиткуваат и остануваат на надворешната страна од јадрото на β-плочата во влакното, кое расте и се зголемува.