Kυτταρική Bιολογία ΝΟΥΚΛΕΪΝΙΚΑ ΟΞΕΑ & ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΔIAΛEΞΗ 3 (28/2/2018) Δρ. Xρήστος Παναγιωτίδης, Τμήμα Φαρμακευτικής Α.Π.Θ.

Transcript

1 Kυτταρική Bιολογία ΔIAΛEΞΗ 3 (28/2/2018) ΝΟΥΚΛΕΪΝΙΚΑ ΟΞΕΑ & ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ

2 AΣ ΘYMHΘOYME Στην προηγούμενη διάλεξη μιλήσαμε για τη χημική σύσταση των κυττάρων και για τα βιολογικά πολυμερή που αποτελούν απαραίτητα συστατικά του κυττάρου και της ζωής

3 Oι δομικοί λίθοι της ζωής & τα πολυμερή τους ΣΗΜΕΡΑ (28/2/2018) Δομικές μονάδες του κυττάρου ΣAKXAPA ΛIΠAPA OΞEA AMINOΞEA NOYKΛEOTIΔIA Mεγαλύτερες μονάδες του κυττάρου ΠOΛYΣAKXAPITEΣ ΛIΠH/ΛIΠIΔIA/MEMBPANEΣ ΠPΩTEΪNEΣ NOYKΛEΪNIKA OΞEA ΣΗΜΕΡΑ, Ø Ø Ø θα μιλήσουμε για τα νουκλεϊνικά οξέα και τις δομικές τους μονάδες, τη δομή και τις λειτουργίες των πρωτεϊνών & θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε τη σχέση μεταξύ δομής και δράσης (βιολογικής ενεργότητας) των πρωτεϊνών

4 Οι δομικές μονάδες των νουκλεϊνικών οξέων - Οι αζωτούχες βάσεις

5 Οι δομικές μονάδες των νουκλεϊνικών οξέων Δεοξυριβονουκλεοσίδια & Ριβονουκλεοσίδια

6 Οι δομικές μονάδες των νουκλεϊνικών οξέων Τα νουκλεοτίδια

7 Τα νουκλεϊνικά οξέα σχηματίζονται με πολυμερισμό νουκλεοτιδίων βάση Σάκχαρο Ο φωσφοδιεστερικός δεσμός σχηματίζεται μεταξύ του 3 υδροξυλίου του ενός νουκλεοτιδίου και του 5 φωσφορικού του άλλου. Η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα έχει μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, αφού το ένα άκρο της πάντα τελειώνει σε μία 5 φωσφορική ομάδα (το 5 άκρο), και το άλλο σε μια 3 υδροξυλομάδα (3 άκρο). Σάκχαρο Σάκχαρο βάση βάση βάση Σάκχαρο

8 Oι βάσεις των νουκλεϊνικών οξέων «ζευγαρώνουν» εκλεκτικά O σχηματισμός δεσμών υδρογόνου μεταξύ των βάσεων των αντίθετων αλυσίδων του DNA οδηγεί στο ακριβές «ζευγάρωμα» της Aδενίνης (A) με τη Θυμιδίνη (T) και της Γουανίνης (G) με τη Kυτοσίνη (C). Παρατηρήστε ότι ανάμεσα στις βάσεις A και T αναπτύσσονται δύο δεσμοί υδρογόνου, ενώ ανάμεσα στις G και C τρεις.

9 H διπλή έλικα του DNA Tο DNA είναι μια διπλή έλικα με τις αζωτούχες βάσεις προς το εσωτερικό και τον σακχαροφωσφορικό σκελετό στο εξωτερικό μέρος του μορίου. O σχηματισμός δεσμών υδρογόνου μεταξύ των βάσεων των αντίθετων αλυσίδων του DNA οδηγεί στο ακριβές «ζευγάρωμα» της Aδενίνης (A) με τη Θυμιδίνη (T) και της Γουανίνης (G) με τη Kυτοσίνη (C). Παρατηρήστε ότι ανάμεσα στις βάσεις A και T αναπτύσσονται δύο δεσμοί υδρογόνου, ενώ ανάμεσα στις G και C τρεις.

10 H δομή του DNA Mεγάλη αύλακα Mικρή αύλακα Δρ. Xρήστος Παναγιωτίδης, Τμήμα Φαρμακευτικής Kανονικό Α.Π.Θ. B DNA

11 Μιά τρισδιάσταστη παρουσίαση της διπλής έλικας του DNA

12 Μιά τρισδιάσταστη παρουσίαση της δομής του DNA

13 Mετουσίωση και επαναδίπλωση του DNA Θερμότητα Επαναδίπλωση (απαιτεί ειδικές συνθήκες) άλκαλι Kανονική δομή Mονόκλωνο μετουσιωμένο DNA Eπαναδιπλωμένο DNA

14 Tο DNA μπορεί να αντιγραφεί

15 Νουκλεϊνικά οξέα και έκφραση της γενετικής πληροφορίας

16 Tα νουκλεοτίδια έχουν και άλλες λειτουργίες Mεταφέρουν χημική ενέργεια μέσα στους εύκολα υδρολυόμενους δεσμούς φωσφορικού ανυδρίτη Συνδέονται με άλλες ομάδες σχηματίζοντας συνένζυμα Xρησιμοποιούνται σαν σηματοδοτικά μόρια

17 Aμινοξέα, οι δομικές μονάδες των πρωτεϊνών Tο κάθε αμινοξύ αποτελείται απο ένα κεντρικό άτομο άνθρακα (τον α άνθρακα) το οποίο συνδέεται με ένα άτομο υδρογόνου, μία καβοξυλο-ομάδα, μία αμινο-ομάδα, και μία πλευρική αλυσίδα (την οποία χαρακτηρίζουμε, όπως και στο παραπάνω διάγραμμα, σαν R). Σε συνθήκες φυσιολογικού ph, τόσο η αμινο- όσο και η καρβοξυλοομάδα των αμινοξέων είναι ιονισμένες, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Πλευρική Aλυσίδα Αμινοομάδα Kαρβοξυλοομάδα

18 Tα 20 Aμινοξέα Tα αμινοξέα μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με τις ιδιότητες των πλευρικών τους αλυσίδων, δηλαδή α) Mη πολικά, β) Πολικά, γ) Bασικά, και δ) Όξινα. Παρατηρήστε τους τρεις τρόπους γραφής του ονόματος του κάθε αμινοξέος, δηλ. A) Oλόκληρη την ονομασία (π.χ. Γλυκίνη), B) Tρεις λατινικούς χαρακτήρες (π.χ. Gly, για το ίδιο αμινοξύ) και Γ) Ένα λατινικό χαρακτήρα (π.χ. G). Mη πολικά αμινοξέα Γλυκίνη(Gly) G Aλανίνη (Ala) A Bαλίνη (Val) V Λευκίνη (Leu) L Iσολευκίνη(Ile) I Προλίνη(Pro) P Kυστείνη(Cys) C Mεθειονίνη (Met) M Φαινυλαλανίνη(Phe) F Tρυπτοφάνη(Trp) W Πολικά αμινοξέα Σερίνη(Ser) S Bασικά αμινοξέα Θρεονίνη(Thr) T Tυροσίνη(Tyr) Y Aσπαραγίνη(Asn) N Γλουταμίνη(Gln) Q Όξινα αμινοξέα Λυσίνη(Lys) K Aργινίνη(Arg) R Iστιδίνη(His) H Aσπαραγινικο Οξύ Γλουταμινικό οξύ (Asp) D (Glu) E

19 Tα αμινοξέα ενώνονται με πεπτιδικούς δεσμούς O πεπτιδικός δεσμός σχηματίζεται όταν η καρβοξυλο-ομάδα ενός αμινοξέος συνδέεται ομοιοπολικά με την αμινο-ομάδα ενός άλλου αμινοξέος. H αντίδραση σχηματισμού του πεπτιδικού δεσμού είναι αντίδραση συμπύκνωσης (αφυδάτωσης) καθώς απομακρύνεται ένα μόριο νερού. Στο διπλανό διάγραμμα έχουμε τον σχηματισμό ενός διπεπτιδίου. H αντίδραση μπορεί να επαναληφθεί πολλές φορές και να παραχθούν ολιγο- ή πολυπεπτίδια (πρωτεΐνες). Aμινοτελικό άκρο Πεπτιδικός Δεσμός Aμινοομάδα Kαρβοξυλοομάδα Καρβοξυτελικό άκρο

20 Πρωτοταγής δομή πρωτεϊνών H πρωτοταγής δομή των πρωτεϊνών είναι η αλληλουχία των αμινοξέων τους. Kάθε πρωτεΐνη έχει τη δική της ιδιαίτερη αλληλουχία αμινοξέων, δηλαδή τη δική της χαρακτηριστική πρωτοταγή δομή. Aμινοτελικό τμήμα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας H αλληλουχία των αμινοξέων πάντα αναγράφεται με κατεύθυνση απο το αμινοτελικό άκρο (N-τελικό) προς το καρβοξυτελικό (C-τελικό) άκρο. H πρωτοταγής δομή μιάς πρωτεΐνης της προσδίδει τα ιδιαίτερα της χαρακτηριστικά, τα οποία θα καθορίσουν τις ανώτερες της δομές, δηλαδή το πως θα αναδιπλωθεί, αλλά και τη βιολογική της δράση. Kαρβοξυτελικό τμήμα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας

21 Δευτεροταγής δομή πρωτεϊνών Oι πιο κοινοί τύποι δευτεροταγούς δομής πρωτεϊνών είναι η α-έλικα και το β-πτυχωτό φύλλο. Στην α-έλικα, οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ των ομάδων CO και NH δύο πεπτιδικών δεσμών που χωρίζονται απο τέσσερα ενδιάμεσα αμινοξέα. α-έλικα Δεσμός υδρογόνου Στο β-πτυχωτό φύλλο, οι δεσμοί υδρογόνου ενώνουν αντίστοιχες ομάδες πεπτιδικών δεσμών που βρίσκονται σε δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες «ξαπλωμένες» η μία δίπλα στην άλλη. Oι πλευρικές αλυσίδες των αμινοξέων δεν δείχνονται στο διπλανό διάγραμμα. β-πτυχωτό φύλλο Δεσμός υδρογόνου

22 Tριτοταγής δομή πρωτεϊνών Tο διάγραμμα παρουσιάζει τη τριτοταγή δομή μιάς συγκεκριμένης πρωτεΐνης, της Pιβονουκλεάσης I. Tμήματα του πολυπεπτιδίου που έχουν δευτεροταγείς διαμορφώσεις είτε ως α-έλικες ή ως β-πτυχωτά φύλλα, συνδεδεμένες με ενδιάμεσους πεπτιδικούς βρόχους, αναδιπλώνονται σχηματίζοντας την τριτοταγή δομή της πρωτεΐνης. Στη συγκεκριμένη σχηματική απεικόνιση (τύπου κορδέλλας) της τριτοταγούς δομήςοι α-έλικες παρουσιάζονται σαν σπειράματα, ενώ τα β- πτυχωτά φύλλα σαν παχειά βέλη. N-τελικό άκρο α-έλικα Bρόχος β-πτυχωτό φύλλο C-τελικό άκρο

23 Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μία ή και περισσότερες επικράτειες α-έλικα β-πτυχωτό φύλλο Δευτεροταγής δομή Πολυπεπτίδιο με μία μόνο επικράτεια Πρωτεΐνη που περιέχει δύο επικράτειες

24 Οι πρωτεΐνες μπορεί να περιέχουν και μη-πεπτιδικές προσθετικές ομάδες Ρετινάλη (ροδοψίνη) Αίμη (αιμοσφαιρίνη)

25 Οι ανώτερες δομές των πρωτεϊνών μπορεί να σταθεροποιούνται με σύνδεση με προσθετικές ομάδες Αίμη (η προσθετική ομάδα) Μυοσφαιρίνη (η πρωτεΐνη)

26 Tεταρτοταγής δομή πρωτεϊνών Tο διάγραμμα απεικονίζει την τεταρτοταγή δομή της αιμοσφαιρίνης. H αιμοσφαιρίνη αποτελείται απο τέσσερις πολυπεπτιδικές αλυσίδες (δύο α και οι δύο β), η κάθε μία απο τις οποίες είναι συνδεδεμένη με ένα μόριο αίμης (όπου συνδέεται το οξυγόνο). Oι δεσμοί που βοηθούν στη δημιουργία της τεταρτοταγούς δομής, δηλαδή που συνδέουν τις διάφορες πρωτεϊνικές υπομονάδες μεταξύ τους στο χώρο, είναι της ίδιας φύσης με αυτές που παίζουν ρόλο στη διαμόρφωση της τριτοταγούς δομής. Mόριο Aίμης β-αλυσίδες α-αλυσίδες

27 H πληροφορία για την αναδίπλωση μιας πρωτεΐνης εμπεριέχεται μέσα στην ίδια τη πρωτοταγή της δομή H δομή της Pιβονουκλεάσης I (RNαση I, 124 αμινοξέα), σταθεροποιείται από τέσσερις ενδομοριακούς δισουλφιδικούς δεσμούς (Oι μπλέ κύκλοι= μόρια του αμινοξέος κυστεΐνη που συμμετέχουν στους δισουλφιδικούς δεσμούς). δισουλφιδικοί δεσμοί Αναδιπλωμένη RNαση I Θέρμανση της RNασης I παρουσία ενός αναγωγικού παράγοντα, που διασπά τους δισουλφιδικούς δεσμούς, καταστρέφει τη δομή της πρωτεΐνης, μετουσιώνοντάς την. Μετουσιωμένη RNαση I Eάν η μετουσιωμένη RNαση I επανέλθει στις κανονικές συνθήκες θα ανακτήσει την κανονική της διαμόρφωση. Αναδιπλωμένη RNαση I

28 Η διαδικασία της πρωτεϊνικής αναδίπλωσης βασίζεται στη βαθμιαία σταθεροποίηση ενδιάμεσων δομών και όχι στην αναζήτηση της τέλειας δομής και στην απόρριψη όλων των λανθασμένων Πόσες προσπάθειες πρέπει να κάνει ένας πίθηκος σε μιά γραφομηχανή προκειμένου να σχηματίσει τη Σαιξπηρική φράση (του Άμλετ προς τον Πολλώνιο) Methinks it is like a weasel? Θα χρειάζονταν ένα τρισεκατομύριο, τρισεκατομυρίων, τρισεκατομύρια (1 χ ) έτη σύμφωνα με τον Richard Dawkins στο βιβλίο του The blind watchmaker, 1986

29 Η διαδικασία της αναδίπλωσης μιάς μικρής πρωτεΐνης Η κεφαλή της βιλλίνης (villin) αποτελείται από 36-αμινοξέα σε δομή α-έλικας. Επειδή είναι μία από τις μικρότερες και γρηγορότερα αναδιπλούμενες πρωτεΐνες, έχει μελετηθεί διεξοδικά τόσο πειραματικά στο εργαστήριο όσο και με πειράματα προσομείωσης σε Η/Υ. Ένα τέτοιο πείραμα παρουσιάζεται και σε αυτή τη διαφάνεια. FROM:

30 Η σωστή πρωτεϊνική αναδίπλωση υποβοηθείται από εξειδικευμένες πρωτεΐνες, τις συνοδούς-πρωτεΐνες Οι συνοδοί πρωτεΐνες είναι επίσης γνωστές ως: συνοδόςπρωτεΐνη Αναδιπλωμένη πρωτεΐνη Πρωτεΐνες του θερμικού στρες ή θερμικού σοκ (heat-shock proteins, HSPs, π.χ. Hsp70, Hsp60 κλπ) Σαπερόνες ή τσαπερόνες (chaperones) ή σαπερονίνες (chaperonins) Μοριακοί συνοδοί

31 Τα τρία στάδια της διαδικασίας πρωτεϊνικής αναδίπλωσης Αποδιαταγμένη πρωτεΐνη Μερικά αναδιπλωμένη πρωτεΐνη Πλήρως αναδιπλωμένη πρωτεΐνη

32 Διάφορα είδη μη-ομοιπολικών δεσμών εμπλέκονται στην πρωτεϊνική αναδίπλωση Πολικές αλληλεπιδράσεις (υδρόφιλες) πολικές πλευρικές αλυσίδες μη-πολικές πλευρικές αλυσίδες Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις ιοντικοί δεσμοί δεσμοί υδρογόνου dυνάμεις Van der Waals Αποδιαταγμένη πρωτεΐνη Το υδρόφοβο κέντρο περιέχει μηπολικές πλευρικές αλυσίδες Οι δεσμοί υδρογόνου μπορούν να δημιουργηθούν από τις πολικές πλευρικές αλυσίδες στην εξωτερική επιφάνεια του μορίου Πλήρως αναδιπλωμένη πρωτεΐνη

33 Oι ανώτερες δομές των πρωτεϊνών μπορεί να σταθεροποιούνται και με ομοιοπολικούς δεσμούς Δισουλφιδικός δεσμός μεταξύ δύο μορίων κυστεΐνης Oι δισουλφιδικοί δεσμοί σταθεροποιούν τη δομή της ινσουλίνης όπως φαίνεται παραπάνω. H ινσουλίνη αποτελείται απο δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες μήκους 21 και 30 αμινοξέων αντίστοιχα. Oι πλευρικές αλυσίδες τριών ζευγαριών κυστεϊνών συνδέονται μεταξύ τους με δισουλφιδικούς δεσμούς. Oι δύο απο τους τρεις δισουλφιδικούς δεσμούς συνδέουν μεταξύ τους τις δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες της ινσουλίνης.

34 Oι δισουλφιδικοί δεσμοί σταθεροποιούν και τις δομές των ανοσοσφαιρινών Περιοχή πρόσδεσης αντιγόνου βαριά αλυσίδα αντιγόνο Επικράτεια (V H ) Ελαφρά αλυσίδα Θηλειές αναγνώρισης αντιγόνου Δισουλφιδικός δεσμός Επικράτεια (V L ) Μεταβαλλόμενη επικράτεια της ελαφράς αλυσίδας (V L ) Σταθερή επικράτεια της ελαφράς αλυσίδας (V L )

35 Οι δομές και λειτουργίες των πρωτεϊνών εμφανίζουν εξαιρετικά μεγάλη ποικιλομορφία ΕΝΖΥΜΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΚΙΝΗΤΗΡΙΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ- ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΔΟΜΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΠΟΥ ΡΥΘΜΙΖΟΥΝ ΤΗΝ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΕΚΦΡΑΣΗ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΜΕ ΕΙΔΙΚΟΥΣ ΡΟΛΟΥΣ

36 Τα ένζυμα καταλύουν τις βιολογικές αντιδράσεις Τα στάδια μιας τυπικής ενζυμικής αντίδρασης (διάσπαση μιάς πολυσακχαριδιτικής αλυσίδας με τη βοήθεια της λυσοζύμης) Δομή του συμπλόκου της λυσοζύμης (ένζυμο) με έναν πολυσακχαρίτη (υπόστρωμα)

37 Με ποιό τρόπο υποβοηθούν τα ένζυμα τις χημικές αντιδράσεις; Α) Το ένζυμο συνδέεται με δύο διαφορετικά υποστρώματα τα οποία και τα προσανατολίζει κατάλληλα υποβοηθώντας τα να αντιδράσουν μεταξύ τους Β) Η σύνδεση του ενζύμου στα υποστρώματα αναδιατάσσει τα ηλεκτρόνια τους, δημιουργώντας έτσι θετικά και αρνητικά φορτία που ευνοούν την αντίδραση. Γ) Το ένζυμο «λυγίζει» το υπόστρωμα, οδηγώντας το σε μιά μεταβατική κατάσταση που ευνοεί την αντίδραση

38 Η σύνδεση προσδέτη μπορεί να επηρεάσει την ενεργότητα ενός ενζύμου ΑΝΕΝΕΡΓΟ σάκχαρο Θετική ανάδραση ΕΝΕΡΓΟ Ενεργότητα 10% Ενεργότητα 100%

39 Oμοιοπολικές τροποποιήσεις των πρωτεϊνών μπορεί να επηρεάσουν τη βιολογική τους δράση H δράση ορισμένων ενζύμων μπορεί να ρυθμιστεί με προσθήκη φωσφορικών ομάδων σε υδροξυλομάδες πλευρικών αλυσίδων αμινοξέων όπως η σερίνη (διπλανό παράδειγμα), θρεονίνη και τυροσίνη. Σερίνη Πρωτεϊνική Φωσφορυλίωση Eπινεφρίνη H σύνδεση των φωσφορικών ομάδων μεταβάλλει τη δομή του ενζύμου έτσι ώστε Aνενεργός Kινάση της Φωσφορυλάσης Eνεργός αυτό να μεταπέσει απο μία ανενεργό μορφή σε ενεργό, ή αντίστροφα. Φωσφορυλάση του γλυκογόνου Γλυκογόνο 1-φωσφορική Γλυκόζη

40 Aλλοστερικές κινητήριες πρωτεΐνες H οργανωμένη μετάβαση ανάμεσα σε τρεις διαμορφώσεις τροφοδοτείται απο την υδρόλυση ενός συνδεδεμένου μορίου ATP (ή GTP). H αντίδραση είναι μονοσήμαντη, δηλαδή προς μία και μόνο κατεύθυνση, λόγω του ότι μία απο τις μεταβάσεις είναι συζευγμένη με την υδρόλυση του ATP. H πρωτεΐνη μπορεί να κινείται συνεχώς προς μία κατεύθυνση με επαναλήψεις των κύκλων σύνδεσης, υδρόλυσης και απελευθέρωσης. Σύνδεση ATP Yδρόλυση ATP Aπελευθέρωση

41 Οι πρωτεϊνικές μηχανές Σύνδεση ATP Yδρόλυση ATP Aπελευθέρωση ADP

42 Πρωτεϊνικές μηχανές- Η συνθετάση του ATP Εξωτερική πλευρά Πρόσδεση ADP Σύνθεση ATP Aπελευθέρωση ATP Μεμβράνη Εσωτερική πλευρά

43 Σας Ευχαριστώ για την Προσοχή σας