Κεφάλαιο 1. Οι δομικοί λίθοι

Transcript

1 Κεφάλαιο 1 Οι δομικοί λίθοι

2 Κεφάλαιο 1 Οι Δομικοί Λίθοι των Πρωτεϊνών Εικόνα 1.1 Η αμινοξική αλληλουχία μιας πρωτεϊνικής πολυπεπτιδικής αλυσίδας ονομάζεται πρωτοταγής δομή. Διαφορετικές περιοχές της αλληλουχίας ς δημιουργούν τοπικές κανονικές δευτεροταγείς δομές, όπως α-έλικες α ή β-κλώνους. β Η τριτοταγής δομή δημιουργείται με το πακετάρισμα τέτοιων δομικών στοιχείων σε μία ή περισσότερες συμπαγείς σφαιρικές μονάδες που ονομάζονται επικράτειες (domains). Η τελική πρωτεΐνη μπορεί να περιλαμβάνει διάφορες πολυπεπτιδικές αλυσίδες διευθετημένες σε μια τεταρτοταγή δομή. Κατά τη δημιουργία μιας τέτοιας τριτοταγούς ς και τεταρτοταγούς δομής, αμινοξέα απομακρυσμένα στην ακολουθία πλησιάζουν στις τρεις διαστάσεις, για να φτιάξουν μια λειτουργική περιοχή, ένα ενεργό κέντρο.

3 Κεφάλαιο 1 Οι Δομικοί Λίθοι των Πρωτεϊνών Εικόνα 1.2 Οι πρωτεΐνες χτίζονται σταδιακά από αμινοξέα που συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς για να φτιάξουν μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. (a) Σχηματικό διάγραμμα ενός αμινοξέος, όπου απεικονίζεται η ονοματολογία που χρησιμοποιείται σ αυτό το βιβλίο. Ένα κεντρικό άτομο άνθρακα (Cα) είναι συνδεδεμένο σε μία αμινομάδα (ΝΗ2), μία καρβοξυλομάδα (COOH), ένα άτομο υδρογόνου (H) και μία πλευρική ομάδα (R). (b) Σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα, η καρβοξυλομάδα του αμινοξέος n έχει δημιουργήσει πεπτιδικό δεσμό, C-N, με την αμινομάδα του αμινοξέος n+1. Ένα μόριο νερού αποβάλλεται κατ αυτή τη διαδικασία. Οι επαναλαμβανόμενες μονάδες, που ονομάζονται κατάλοιπα, χωρίζονται στα άτομα της κύριας αλυσίδας και στις πλευρικές ομάδες. Το τμήμα της κύριας αλυσίδας, που είναι πανομοιότυπο σε όλα τα κατάλοιπα, περιλαμβάνει ένα κεντρικό άτομο άνθρακα συνδεδεμένο σε μία ιμινομάδα (NH), μία καρβονυλομάδα (C =O) και ένα άτομο Η. H πλευρική ομάδα R, που είναι διαφορετική σε διαφορετικά κατάλοιπα, είναι συνδεδεμένη στο άτομο Cα.

4 Κεφάλαιο 1 Οι Δομικοί Λίθοι των Πρωτεϊνών Εικόνα 1.3 Οι L- και D-μορφές των αμινοξέων. Κοιτώντας κατά μήκος του δεσμού Η-Cα από το άτομο υδρογόνου, η L-ισομορφή έχει υποκαταστάτες CO, R και N προχωρώντας με φορά σύμφωνη με αυτή των δεικτών του ρολογιού. Υπάρχει ένας μνημονικός κανόνας για να το θυμάστε αυτό: για την L-ισομορφή οι ομάδες διαβάζονται CORN, κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού.

5 Κεφάλαιο 1 Οι Δομικοί Λίθοι των Πρωτεϊνών Εικόνα 1.4 Το δισουλφίδιο είναι συχνά το τελικό προϊόν της αερόβιας οξείδωσης, σύμφωνα με την παρακάτω σχηματική αντίδραση: Δισουλφιδικοί δεσμοί σχηματίζονται μεταξύ των πλευρικών αλυσίδων των δύο καταλοίπων κυστεΐνης. Δύο ομάδες SH των καταλοίπων της κυστεΐνης (οι οποίες μπορεί να είναι σε διαφορετικά τμήματα της αμινοξικής αλληλουχίας αλλά γειτονικά στην τρισδιάστατη δομή) οξειδώνονται για να σχηματίσουν μια (S-S) δισουλφιδική γέφυρα.

6 Κεφάλαιο 1 Οι Δομικοί Λίθοι των Πρωτεϊνών Εικόνα 1.5 Τμήμα μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας που χωρίζεται σε πεπτιδικές ομάδες, οι οποίες απεικονίζονται ως γκρι επίπεδα στο διάγραμμα. Κάθε πεπτιδική ομάδα περιλαμβάνει το Cα άτομο άνθρακα και την καρβονυλομάδα C =O του καταλοίπου n, καθώς και την αμινομάδα NH και το Cα άτομο άνθρακα του καταλοίπου n+1. Κάθε τέτοια ομάδα είναι μια επίπεδη, άκαμπτη ομάδα με γνωστές αποστάσεις δεσμών και γωνιών. Οι R1, R2 και R3 είναι οι πλευρικές ομάδες οι οποίες συνδέονται στα Cα άτομα που ενώνουν τις πεπτιδικές ομάδες στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Η πεπτιδική ομάδα είναι επίπεδη, επειδή τα επιπρόσθετα ζεύγη ηλεκτρονίων του δεσμού C=O είναι απεντοπισμένα στην πεπτιδική ομάδα, ώστε η περιστροφή γύρω από το δεσμό C-N να παρεμποδίζεται λόγω της ύπαρξης ενός ενεργειακού φράγματος.

7 Γενικά χαρακτηριστικά των 20 αμινοξέων - Επτά από τα 20 αμινοξέα (Ασπαραγινικό, Γλουταμινικό, Ιστιδίνη, Κυστεΐνη, Τυροσίνη, Λυσίνη & Αργινίνη) διαθέτουν πλευρικές ομάδες με ομάδες οι οποίες μπορούν να ιονιστούν. Οι ομάδες αυτές δέχονται και δίνουν πρωτόνια (Η+) και η διαδικασία αυτή εξαρτάται ισχυρά από το ph. - Επτά από τα 20 αμινοξέα (Γλυκίνη, Αλανίνη, Βαλίνη, Λευκίνη, Ισολευκίνη, Μεθειονίνη & Προλίνη) διαθέτουν αλειφατικές ομάδες. Ένα από τα 7 αλειφατικά αμινοξέα είναι κυκλικό (Προλίνη). - Τέσσερα από τα 20 αμινοξέα (Φαινυλαλανίνη, Τυροσίνη, Θρυπτοφάνη & Ιστιδίνη) διαθέτουν αρωματικό δακτύλιο. - Τέσσερα από τα 20 αμινοξέα είναι φορτισμένα σε ουδέτερο ph. Τα δύο (Ασπαραγινικό & Γλουταμινικό) είναι αρνητικά φορτισμένα και άλλα δύο (Αργινίνη & Λυσίνη) είναι θετικά φορτισμένα. - Τρία από τα 20 αμινοξέα διαθέτουν ΟΗ (Σερίνη & Θρεονίνη) ή SH (Κυστεΐνη) ομάδες

8 Υδρόφοβα Αμινοξέα Πλαίσιο 1.1 Τα 20 διαφορετικά αμινοξέα που υπάρχουν στις πρωτεΐνες. Παρουσιάζονται μόνο οι πλευρικές ομάδες, εκτός από το πρώτο αμινοξύ, την αλανίνη, στην οποία φαίνονται όλα τα άτομα. Ο δεσμός από την πλευρική αλυσίδα προς το Cα είναι κόκκινος. Για κάθε αμινοξύ δίνονται: μία σχηματική τρισδιάστατη αναπαράσταση της δομής της πλευρικής ομάδας, ο χημικός τύπος, το πλήρες όνομα, καθώς και οι κώδικες τόσο των τριών όσο και του ενός γράμματος.

9 Φορτισμένα Αμινοξέα Υπάρχουν μερικοί εύκολοι τρόποι για να θυμάται κανείς τον κώδικα του ενός γράμματος των αμινοξέων. Εάν μόνο ένα αμινοξύ αρχίζει με ένα συγκεκριμένο γράμμα, τότε αυτό το γράμμα χρησιμοποιείται: C = Cys = Cysteine = Κυστεΐνη H = His = Histidine = Ιστιδίνη I = Ile = Isoleucine = Ισολευκίνη M = Met = Methionine = Μεθειονίνη S = Ser = Serine = Σερίνη V = Val = Valine = Βαλίνη

10 Πολικά Αμινοξέα Εάν περισσότερα από ένα αμινοξέα αρχίζουν με ένα συγκεκριμένο γράμμα, αυτό το γράμμα θα εκχωρηθεί στο πιο συχνά εμφανιζόμενο αμινοξύ: A = Ala = Alanine = Αλανίνη G = Gly = Glycine = Γλυκίνη L = Leu = Leucine = Λευκίνη P = Pro = Proline = Προλίνη Τ = Thr = Threonine = Θρεονίνη

11 Γλυκίνη, το μόνο αμινοξύ χωρίς πλευρική ομάδα Σε άλλες περιπτώσεις χρησιμοποιείται ένα γράμμα κοντά στο αρχικό. Τα αμίδια έχουν γράμματα από τη μέση της αλφάβητου. Τα μικρότερα μόρια (D, N, B) βρίσκονται πριν από τα μεγαλύτερα (E, Q, Z) στην αλφάβητο. D = Asp = Aspartic acid (κοντά στο Α) = Ασπαρτικό οξύ N= Asn= Αsparagine (περιέχει Ν) = Ασπαραγίνη B= Asx= Είτε D είτε Ν E = Glu = Glutamic acid (κοντά στο G) = Γλουταμικό οξύ Q = Gln = Glutamine ( Q-tamine ) = Γλουταμίνη Z= Glx= Είτε E είτε Q K = Lys = Lysine (κοντά στο L) = Λυσίνη X= X= Απροσδιόριστο αμινοξύ Κάποια άλλα μπορούν να συναχθούν φωνητικά: F = Phe = Phenylalanine ( Fenylalanine ) = Φαινυλαλανίνη R = Arg = Arginine ( arginine ) = Αργινίνη Y = Tyr = Tyrosine ( tyrosine ) = Τυροσίνη W = Trp = Tryptophan (διπλός δεσμός στο μόριο) = Τρυπτοφάνη

12 Οι φ & ψ Δίεδρες γωνίες του πεπτιδικού σκελετού 1ο Επίπεδο: C -1 N 1 Cα 1 2ο Επίπεδο: N 1 Cα 1 C 1 φ 1ο Επίπεδο: N 1 Cα 1 C 1 2ο Επίπεδο: Cα 1 C 1 N 2 ψ Cα2 N2 C 1 Cα1 N1 C -1 Εικόνα 1.6 Διάγραμμα που δείχνει μια πολυπεπτιδική αλυσίδα στην οποία τα άτομα της κύριας αλυσίδας απεικονίζονται ως άκαμπτες πεπτιδικές ομάδες συνδεδεμένες μέσω των Cα ατόμων. Κάθε ομάδα έχει δύο βαθμούς ελευθερίας: μπορεί να περιστρέφεται γύρω από δύο δεσμούς, το δεσμό Cα-C και το δεσμό Ν-Cα. Η γωνία περιστροφής γύρω από το δεσμό Ν-Cα ονομάζεται φ και η γωνία γύρω από το δεσμό Cα-C ονομάζεται ψ. Συνεπώς, η στερεοδιάταξη των ατόμων της κύριας αλυσίδας καθορίζεται από τις τιμές αυτών των δύο γωνιών για κάθε αμινοξύ.

13 Το πενταπεπτίδιο της Λευκινο-Εγκεφαλίνης με αλληλουχία YGGFL 1ο Επίπεδο: C -1 N 1 Cα 1 2ο Επίπεδο: N 1 Cα 1 C 1 φ 1ο Επίπεδο: N 1 Cα 1 C 1 2ο Επίπεδο: Cα 1 C 1 N 2 ψ φ??? ψ???

14 Οι φ & ψ Δίεδρες γωνίες του πεπτιδικού σκελετού Ramachandran Διάγραμμα Εικόνα 1.7 Στο διάγραμμα Ramachandran παρουσιάζονται οι επιτρεπτοί συνδυασμοί των γωνιών φ και ψ όπως ορίζονται στην Εικόνα 1.6. Αφού η φ και η ψ αναφέρονται σε περιστροφές δύο άκαμπτων πεπτιδικών ομάδων γύρω από το ίδιο άτομο Cα, οι περισσότεροι συνδυασμοί παράγουν στερεοχημικές παρεμποδίσεις είτε μεταξύ ατόμων σε διαφορετικές πεπτιδικές ομάδες είτε μεταξύ μιας πεπτιδικής ομάδας και της πλευρικής αλυσίδας που συνδέεται με το Cα. Συνεπώς, αυτοί οι συνδυασμοί δεν επιτρέπονται. (a) Οι έγχρωμες περιοχές δείχνουν στερεοχημικά επιτρεπτές περιοχές. Οι περιοχές με τα σύμβολα α, β και L αντιστοιχούν σε γωνίες που συναντώνται σε δεξιόστροφες α-έλικες, β-κλώνους και αριστερόστροφες έλικες αντίστοιχα. (b) Παρατηρούμενες τιμές για όλους τους τύπους καταλοίπων εκτός της γλυκίνης. Κάθε σημείο τους διαγράμματος αντιστοιχεί σε τιμές φ και ψ ενός αμινοξικού καταλοίπου από κάποια καλά καθορισμένη δομή. (c) Παρατηρούμενες τιμές για τη γλυκίνη. Σημειώστε ότι οι τιμές περιλαμβάνουν συνδυασμούς των φ και ψ που δεν είναι επιτρεπτοί για άλλα αμινοξέα. (Από τον J. Richardson, Adv. Prot. Chem., 34: , 1981.)

15 Δευτεροταγής Δομή Πρωτεϊνών α-έλικα Διάγραμμα Ramachandran: Επιτρεπτές στερεοδιατάξεις/διαμορφώσεις συνδυασμού φ & ψ δίεδρων γωνιών σε πεπτιδική ακολουθία

16 Στροφομερή (Eclipsed & Staggered) Εικόνα 1.8 Οι εναλλασσόμενες διαμορφώσεις είναι οι προτιμότερες ενεργειακά στερεοδιατάξεις δύο τετραεδρικά συντεταγμένων ατόμων άνθρακα. (a) Μία όψη κατά μήκος του δεσμού C-C στο αιθάνιο (CH3-CH3) που δείχνει πώς τα δύο άτομα άνθρακα μπορούν να περιστρέφονται, έτσι ώστε τα άτομα υδρογόνου τους να είναι είτε μη εναλλασσόμενα (ευθυγραμμισμένα) είτε εναλλασσόμενα. Τρεις πανομοιότυπες εναλλασσόμενες στερεοδιατάξεις δημιουργούνται με περιστροφή 120 γύρω από το δεσμό C-C. (b-d) Παρόμοιες όψεις, όπως στην (a), της βαλίνης. Οι τρεις εναλλασσόμενες στερεοδιατάξεις είναι διαφορετικές στη βαλίνη, επειδή οι τρεις ομάδες που συνδέονται στο Cβ είναι διαφορετικές. Η πρώτη εναλλασσόμενη στερεοδιάταξη (b) εμφανίζει λιγότερο συνωστισμό και είναι ενεργειακά προτιμότερη, επειδή και οι δύο μεθυλομάδες που συνδέονται στο Cβ είναι κοντά στο μικρό άτομο του υδρογόνου που συνδέεται στο Cα. eclipsed staggered

17 Δομή Πρωτεϊνών Γεωμετρία, cis-trans, του Πεπτιδικού Δεσμού Cis: Trans: τα 2 άτομα Cα βρίσκονται στην ίδια πλευρά του πεπτιδικού δεσμού τα 2 άτομα Cα βρίσκονται απομακρυσμένα, εκατέρωθεν του πεπτιδικού δεσμού Cα Cα Cα Cα Διαθέτουν όλοι οι πεπτιδικοί δεσμοί την ίδια γεωμετρία??? Οι περισσότεροι διαθέτουν trans γεωμετρία...όχι όμως όλοι!!!! Cis & Trans X-Pro διαμόρφωση. Η cis X-Pro διαμόρφωση είναι η πιο κοινή cis διαμόρφωση.

18 Δομικός & Λειτουργικός Πόλος Ιόντων Μετάλλου & Προσθετικών Ομάδων Εικόνα 1.9 Παραδείγματα λειτουργικά σημαντικών εσωτερικών ατόμων μετάλλων στις πρωτεΐνες. (a) Το κέντρο δι-σιδήρου του ενζύμου νουκλεοτιδική αναγωγάση. Δύο άτομα σιδήρου φτιάχνουν ένα οξειδοαναγωγικό κέντρο που παράγει μια ελεύθερη ρίζα σε μια κοντινή πλευρική ομάδα της τυροσίνης. Τα άτομα σιδήρου γεφυρώνονται με ένα κατάλοιπο γλουταμικού οξέος και ένα αρνητικά φορτισμένο άτομο οξυγόνου που ονομάζεται «μ-όξο γέφυρα». Η σύνταξη (coordination) των ατόμων σιδήρου συμπληρώνεται με τις πλευρικές αλυσίδες της ιστιδίνης, του ασπαρτικού και του γλουταμικού οξέος, όπως και μορίων νερού. (b) Το καταλυτικά ενεργό άτομο ψευδαργύρου στο ένζυμο αλκοολική αφυδρογονάση. Το άτομο ψευδαργύρου συντάσσεται στην πρωτεΐνη με μια πλευρική αλυσίδα ιστιδίνης και δύο κυστεϊνών. Κατά τη διάρκεια της κατάλυσης, ο ψευδάργυρος συνδέει ένα μόριο αλκοόλης σε θέση κατάλληλη για την μεταφορά υδριδίων στο συνένζυμο (ένα νικοτιναμίδιο).[(a) Προσαρμοσμένο από τους Nordlund, P et al., Nature 345: , 1990.]