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
Človek ima dve kopiji gena za globin alfa in le eno kopijo za globin beta
Geni za alfa globina in beta globin Vsebujejo tri eksone.
Različne oblike hemoglobina pri človeku
Hemoglobin pred in po rojstvu
Zakaj potrebujemo fetalni hemoglobin? Hemoglobin A Hemoglobin F
Motnje pri prenosu kisika s Hb Vezava CO (CO se veže s ~ 200x večjo afiniteteto kot O 2 na hem) Oksidacija Fe 2+ v Fe 3+ (Hb methemoglobin /do 3%/ ne veže O 2 ) - eritrociti vsebujejo reducente (askorbinska kislina, glutation), ki preprečijo oksidacijo - eritrociti vsebujejo encim methemoglobin-reduktazo (redka dedna bolezen: pomanjkanje encima) - dedna bolezen methemoglobinemija: okvara vezavnega žepa za O 2 vzrok: mutacija his tyr - zdravila: antioksidanti (metilensko modro) Fe 3+ Fe 2+ Mutacije v globinskem delu Hb (Fe 2+ ) - anemija srpastih celic vzrok: mutacija 6glu 6val (veriga β) hidrofobne interakcije med Val na površini verige Hb zlepljanje molekul HbS, zmanjšana topnost HbS v deoksigenirani obliki zamašitev kapilar - talasemije: napaka v regulatornem delu globinskega gena talasemija α: napake pri nastajanju α verig talasemija β: napake pri nastajanju β verig
Nenormalna tvorba Hb - bolezni Cca 7% ljudi na svetu je prenašalcev za eno od nepravilnosti hemoglobina Znanih je ~ 1000 nenormalnih Hb Hemoglobinopatije nastanek nenormalnih globinskih verig (primer srpasta anemija - HbS) Talasemije globinske verige so strukturno normalne, nastajajo pa v manjši količini ali določene verige sploh ni - napaka v regulatornem delu globinskega gena (primer talasemija α, talasemija β)
Lastnosti različnih vrst hemoglobinov
Anemija srpastih celic vzrok za nastanek HbS (α 2 β S 2) mutacija v βverigi Hb: Glu Val - Glu (a) normalni eritrocit vsebuje HbA (b) okvarjeni eritrocit vsebuje HbS HbS - nespremenjena hitrost sinteze Hb HbS - nespremenjena afiniteta do O 2 HbS - hidrofobne interakcije med Val na površini verige Hb zlepljanje molekul HbS zmanjšana topnost HbS v deoksigenirani obliki netopni skupki HbS preprečujejo normalen pretok krvi v kapilarah Val
learn.genetics.utah.edu/.../sicklecell
Avtosomno recesivno dedovanje anemije srpastih celic http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/images/sickle_cell_02.gif
Srpasta anemija heterozigoti (70% HbA in 30% HbS) prisotnost HbS se pri normalnih razmerah sploh ne pokaže težave v velikih višinah (znižan P O2 ) in pri intenzivni obremenitvi rezistentni na malarijo parazit malarije (Plasmodium falciparum) ne preživi v srpastih eritrocitih Geografska pojavnost srpaste anemije
Anemija srpastih celic Anemija srpastih celic Malarija
Talasemija
Talasemije so napake v sestavi hemoglobina. talasemija pomanjkanje verige hemoglobina -talasemija - pomanjkanje verige hemoglobina Mutacije so v regulatornih regijah globinskih genov in ne v kodirajočem zaporedju.
Funkcije proteinov (pogojene s strukturo) Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen...) Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb) Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Imunoglobulini) Lipoproteini, potrebni za transport lipidov po telesu Kontraktilni proteini Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze...) Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)
Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) Razvijanje kromatina je prva stopnja uravnavanja izražanja genov
Nukleosom - osnovna enota kromatina evkariontske celice Proteinsko ogrodje nukleosoma Pogled od zgoraj (a) nukleosome povezuje prosta DNA (b) slika nukleosomov z el. mikroskopijo Struktura nukleosoma s 146 bp vezane DNA Pogled s strani
Nukleosom - ponavljajoča se enota kromatina Dimer H3-H4 Dimer H2A-H2B Lewin, GenesVII
Histoni majhni bazični proteini v jedru 5 različnih vrst pri evkariontih - H1, H2, H3, H4, H5 (M r od 11-21 kda) So dobro ohranjeni med različnimi vrstami ~1/4 aminokislin histonov predstavljata Arg in Lys Bazični (pozitivno nabiti) histoni se z elektrostatskimi interakcijami vežejo na negativno nabito ogrodje DNA pozitivni naboji na radikalu lizina in arginina fosfodiestrska vez med 2-deoksi-ribozo in fosfati v DNA negativni naboji na fosfatih
Vrste in lastnosti histonov Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005
Potranslacijske modifikacije histonskih repkov vplivajo na strukturo kromatina -Acetilacija lizina -Metilacija lizina -Fosforilacija serina
Potranslacijske spremembe so eden of procesov, ki vodi do aktivnih proteinov v celici
Aktivator prepisovanja transkripcijski faktor Protein, ki je potreben za pričetek prepisovanja, (vendar ni del RNA polimeraznega kompleksa). Veže prepoznavni DNA element. Preko protein-protein interakcij sodeluje z drugimi transkripcijskimi faktorji, s transkripcijo povezanimi faktorji ali z RNA Polimerazo. Biti mora potreben za pričetek prepisovanje z določenega promotorja ali seta promotorjev. Sestavljen iz večih funkcionalnih domen (modulov).
Transkripcijski faktorji uravnavajo sintezo RNA nahajajo se v vseh kraljestvih živega sveta Kot monomeri, homodimeri ali heterodimeri se vežejo na specifična regulatorna mesta DNA (<10 nukleotidov) in uravnavajo izražanje (ekspresijo) genov na DNA se vežejo s šibkimi interakcijami vsebujejo nekaj značilnih supersekundarnih struktur: Zn-prsti, vijačnica-zavoj-vijačnica, levcinska zadrga, vijačnica-zanka-vijačnica, Prednost kombinatorike: 3 različni vezavni proteini 9 specifičnih vezavnih mest Med približno 30 000 človeškimi geni je ~1000 transkripcijskih faktorjev Različne kombinacije transkripcijskih faktorjev uravnavajo izraženje različnih genov
Transkripcijski faktorji so ključnega pomena za prepoznavanje mesta na DNA Glavne funkcijske domene transkripcijskih faktorjev: -DNA vezavna domena, -transaktivacijska domena, -domena za povezovanje z drugimi trankripcijskimi faktorji, -dimerizacijska domena. Lewin, GenesVII
Domena proteina - aminokislinsko zaporedje z neodvisnim vzorcem zvijanja, ki se pojavi v razičnih proteinih Najpogostejše DNA vezavne domene transkripcijskih faktorjev: -Cinkov prst, -Homeodomena (vijačnica-zavoj-vijačnica (helix-turn-helix). Pogoste transaktivacijske domene (za interakcije z drugimi proteini) - Levcinska zadrga -Bazične vijačnica-zanka-vijačnica (helix-loop-helix) http://p53.bii.a-star.edu.sg/images/common/aboutp53/simpleprot.png
Cys2-His2 Cinkovi (Zn) prsti
Jedrni (steroidni) receptorji vsebujejo Zn prste Cys-X(2)-Cys-(X13)- Cys-(X2)- Cys
Vezava človeškega estrogenskega receptorja na DNA
Homeodomena Homeodomeno sestavlja 60 aminokislin s tremi vijačnicami, v obliki vijačnica-zavojvijačnica. Vijačnica 3 je v stiku z baznimi pari veliek brazde. N-terminalni konec homeodomene je v stiku z malo brazdo.
Levcinska zadrga Originalni koncept Bolj pravilno Ak zaporedje v levcinski zadrgi -Leu-(X)6-Leu-(X)6-Leu(X)6-Leu- (vsaka 7. ak je levcin) Leu povezan z Leu sosednje vijačnice - 2 prilegajoči se α-vijačnici strukturo vzdržujejo hidrofobne interakcije
Vijačnica-zanka-vijačnica http://www.web-books.com/mobio/free/images/ch4f6b.gif
Transkripcijski faktorji omogočijo nastanek kompleksa, ki sproži transkripcijo (prepisovanje) DNA-vezavni proteini (transaktivatorji, transkripcijski faktorji) imajo DNA vezavno in transaktivacijsko domeno.
Funkcije proteinov (pogojene s strukturo) Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen...) Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb) Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Imunoglobulini) Lipoproteini, potrebni za transport lipidov po telesu Kontraktilni proteini Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze...) Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)
Imunski sistem vključuje vrsto specializiranih celic in proteinov Levkociti: makrofagi in limfociti Lahko zapustijo krvni obtok, preidejo v tkiva Limfociti proizvajajo proteine, imunoglobuline (Ig) in receptorje (Rp) na površini - prepoznajo tuje molekule (delce) in jih uničijo Imunski sistem včasih prepozna tudi svoje lastne molekule (avtoimunske bolezni) Človek: 10 8 različnih Ig - velika verjetnost, za prepoznanje vseh tujih molekul antigenov (vsaka molekula, ki vzpodbudi imunski odgovor: virus, bakterijska celična stena, protein... M r > 5000) Ig ali Rp se veže na določen del antigena antigenska determinanta (epitop)
Immunoglobulini - Heteromerni proteini v obliki črke Y -Vsebujejo 2 lahki (Mr = 25 kda) in 2 težki (Mr = 55 kda) verigi - Lahke verige vstopajo v interakcije z N-terminalnim delom težkih verig dobimo dve ročici (arms) Fab del ki vsebuje mesto, za vezavo antigena. -C-terminal težkih verig se poveže v steblo Fc domena ki vstopa v interakcije z receptorji na celicah. -Sesalci imamo 5 vrst imunoglobulinov: IgA, IgD, IgE, IgG and IgM. -Imunoglobulini pri sesalcih imajo enake lahke verige ( ) razlikujejo se po tipu težke verige ( -Težke in lahke verige so vedno v razmerju 1 : 1.
Vrste imunoglobulinov IgD prepoznajo iste antigene kot IgM, manj znana funkcija IgE zaščita proti parazitom, vloga v alergijskih reakcijah IgG nejvečja koncentracija v krvnem serumu IgA v solzah, slini, mleku obramba proti bakterijam in virusom IgM prvi v obrambi (limfociti B)
Vrste imunoglobulinov
Struktura imunoglobulina G (IgG) imunoglobulinski zvitje Imunoglobulinsko domeno sestavljata dva para antiparalelnih beta ploskev, ki so povezane z disulfidnimi mostički in hidrofobnimi interakcijami.
Struktura igg
Protitelesa vežejo specifične molekule (antigene) preko hipervariabilnih zank Inducirano prilagajanje Visoka afiniteta (K d ~10 nm)
Makrofag: fagocitoza virusa, ki se je vezal na protitelo Fc receptor
Diverziteta za prepoznavanje antigenov nastane tudi s prerazporeditvijo genov v somatskih celicah
Analitska tehnika ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) Splošni princip
ELISA kompleti za določanje virusnih in bakterijskih okužb in kateregakoli proteina, ki lahko služi kot diagnostični marker
Avtoimune bolezni Avtoimune bolezni nastanejo kot posledica pretiranega odziva imunskega sistema na celice, lastne organizmu.