Δομικές κατηγορίες πρωτεϊνών

3-1 Κεφάλαι ο Δομικές κατηγορίες πρωτεϊνών 3.1. α-δομές πρωτεϊνών Οι α-έλικες είναι δομικά στοιχεία που μπορούν να σχηματίσουν πολλές κατηγορίες στερεοδομών και με πολλές διαφορετικές λειτουργίες. Εκτός από τις σφαιρικές και κυτοπλασματικές πρωτείνες, στις μεμβρανικές πρωτείνες οι ενδομεμβρανικές περιοχές είναι συνήθως α-έλικες. Επίσης είναι το κύριο στοιχείο σε δομικές ινώδεις πρωτείνες όπως οι κερατίνες το ινιδογόνο και σε μυικές πρωτείνες όπως η μυοσίνη και η δυστροφίνη. Οι μεμβρανικές και οι δομικές πρωτείνες θα συζητηθούν σε ιδιαίτερα κεφάλαια. Οι δύο μεγάλες κατηγορίες πρωτεϊνών που περιέχουν μόνος αέλικες είναι οι δέσμες ελίκων και οι σφαιρίνες. 3.1.1. Οι δέσμες α-ελίκων. Οι α-έλικες σταθεροποιούνται στις πρωτείνες με το να τοποθετούνται σε παράλληλη ή αντιπαράλληλη διάταξη και να αλληλεπιδρούν με υδρόφοβα αμινοξικά κατάλοιπα. Δύο αντιπαράλληλες α-έλικες είναι δυνατόν να αλληλεπιδράσουν και να σχηματίσουν ένα μοτίφ αλλά όχι μία ανεξάρτητη δομική ενότητα. Ο συνδυασμός όμως δύο τέτοιων μοτίφ σχηματίζει μία σταθερή δομική ενότητα την δέσμη τεσσάρων α-έλικων (4-helix bundle)( εικόνα 3.1). Εικόνα 3.1. Αναπαράσταση (α) του μοτίφ των δύο αντιπαράλληλων α-ελίκων και (β) της δέσμης 4-ελίκων.

3-2 Οι πλευρικές αλυσίδες των καταλοίπων κάθε έλικας διατάσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε οι υδρόφοβες να βρίσκονται στο εσωτερικό της δέσμης και οι πολικές και φορτισμένες στην εξωτερική επιφάνεια της δέσμης (εικόνα 3.2). Εικόνα 3.2. Σχηματική αναπαράσταση της δομικής ενότητας της δέσμης α-ελίκων. Με πράσινες σφαίρες αναπαρίστανται οι υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες και με κόκκινες οι πολικές πλευρικές αλυσίδες. 3.1.2 Οι σφαιρίνες Μία από τις βασικότερες δομές με α-έλικες είναι οι σφαιρίνες. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν η μυοσφαιρίνη, η αιμοσφαιρίνη και πολλά σύμπλοκα πρωτεϊνών που δεσμεύουν φως. Ο τρόπος που διατάσσονται οι 8 α-έλικες που αποτελούν την δομή της σφαιρίνης είναι πολύ διαφορετικός από την αντιπαράλληλη οργάνωση των δεσμών. Οι α-έλικες ενώνονται με μικρούς βρόγχους και διατάσσονται έτσι ώστε να σχηματίζουν την κοιλότητα του ενεργού κέντρου που στην μυοσφαιρίνη και αιμοσφαιρίνη δεσμεύεται η ομάδα της αίμης. Οι α-έλικες ποικίλουν ως προς το μήκος τους από 7 έως 28 αμινοξικά κατάλοιπα. Εικόνα 3.3. Σχηματικό διάγραμμα της δομής ων σφαιρινών. Η αίμη (άσπρη) δεσμεύεται στην κοιλότητα που σχηματίζουν οι 8 α-έλικες.

3-3 3.1. β-αντιπαράλληλες δομές πρωτεϊνών Οι δομές με β-αντιπαράλληλες πτυχωτές επιφάνειες είναι η δεύτερη μεγαλύτερη κατηγορία δομικών ενοτήτων πρωτεϊνών με μεγάλη ποικιλομορφία στην λειτουργικότητα τους. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν ένζυμα όπως η δισμουτάση του υπεροξειδίου (SOD), μεταφορικές πρωτείνες όπως οι λιποκαλίνες, αντισώματα, πρωτείνες της κυτταρικής επιφάνειας και πρωτείνες του καψιδίου ιών. Οι δομικές αυτές ενότητες αποτελούνται από τέσσερις έως δέκα β-κλώνους κυρίως σε αντιπαράλληλη διάταξη. Οι βπτυχωτές επιφάνειες είναι κεκλιμένες και όταν δύο τέτοιες επιφάνειες συνδυάζονται, σχηματίζουν μία κυλινδρική δομική ενότητα με μία εσωτερική επιφάνεια υδρόφοβων αμινοξέων από τους β-κλώνους και μία εξωτερική που σχηματίζεται από τις στροφές της πολυπεπτιδικής αλυσίδας και αμινοξέα των β-κλώνων. Διαφορετικά μοτίφ και τοπολογίες χρησιμοποιούνται στην δημιουργία διαφορετικών δομικών ενοτήτων. Τα κυριότερα είναι οι β-κύλινδροι, και τα ελληνικά κλειδιά. Τα ενεργά κέντρα σχηματίζονται είτε στο εσωτερικό των βπτυχωτών επιφανειών είτε από τα τμήματα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας που σχηματίζουν στροφές. Εικόνα 3.4. Η δομή της πρωτεΐνης του ανθρώπινου πλάσματος που δεσμεύει ρετινόλη (λιποκαλίνη).

3-4 Εικόνα 3.5. Η δομική ενότητα της νευραμινιδάσης του ιού της γρίπης αποτελείται από έξη παρόμοια μοτίφ αντιπαράλληλων β-πτυχωτών επιφανειών. Εικόνα 3.6. Η γ-κρυσταλλίνη, πρωτεΐνη που υπάρχει στα κύτταρα που σχηματίζουν τον φακό του ματιού χρησιμοποιεί το μοτίφ ελληνικό κλειδί τέσσερις φορές για την δημιουργία δυο παρόμοιων δομικών ενοτήτων.

3-5 3.3. α/β-δομές πρωτεϊνών Οι περισσότερο συνηθισμένες δομικές ενότητες είναι οι α/β που αποτελούνται από μία κεντρική παράλληλη ή μικτή β-πτυχωτή επιφάνεια που περιβάλλεται από αέλικες. Όλα τα γλυκολυτικά ένζυμα είναι α/β πρωτείνες όπως και πολλά ένζυμα που δεσμεύουν και μεταφέρουν μεταβολίτες. Στις α/β δομές τα κέντρα δέσμευσης του υποστρώματος σχηματίζονται από τα τμήματα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας που σχηματίζουν στροφές. Οι περιοχές αυτές δεν συμμετέχουν στην σταθερότητα της δομής αλλά στον τρόπο πρόσδεσης και λειτουργίας. Υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες α/β πρωτεϊνών. Στην πρώτη οι παράλληλοι βκλώνοι σχηματίζουν ένα κύλινδρο που περιβάλλεται από α-έλικες που συνδέουν τους β-κλώνους. Η δομική ενότητα αυτή καλείται ΤΙΜ κύλινδρος από την δομή της φωσφοτριοζο- ισομεράσης (Triose Phosphate Isomerase) που πρώτα παρατηρήθηκε (εικόνα 3.6α). Εικόνα 3.7. Η ΤΙΜ δομική ενότητα (α) και το δίπλωμα Rossman (b) των α/β δομικών ενοτήτων. Η δεύτερη κατηγορία περιέχει πρωτείνες που έχουν ανοικτές β-πτυχωτές επιφάνειες που περιβάλλονται από α-έλικες και από τις δύο πλευρές (εικόνα 3.6β,3.7,3.8). Η δομή αυτή καλείται και δίπλωμα Rossman και παρατηρείται σε πρωτείνες που δεσμεύουν νουκλεοτίδια (εικόνα 3.7) όπως η γαλακτική αφυδρογονάση.

3-6 Εικόνα 3.8. Διαφορετικές περιπτώσεις ανοικτών α/β δομών : φλαβοδοξίνη (α), κινάση του αδενιλικού (β), εξοκινάση (c) και φωσφογλυκερινική μουτάση (d). Εικόνα 3.9. Η πρωτεΐνη που δεσμεύει αραβινόζη περιλαμβάνει δύο δομικές ενότητες α/β. Οι δύο δομικές ενότητες παίρνουν τέτοια θέση ώστε οι β-πτυχωτές επιφάνειες να κατευθύνουν τα καρβοξυλοτελικά άκρα τους προς την κοιλότητα δέσμευσης.

3-7 Η τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει πρωτείνες που περιέχουν στην αμινοξική τους ακολουθία με επαναλαμβανόμενη μορφή λευκίνες και όπου οι β-κλώνοι σχηματίζουν μία καμπυλωμένη β-πτυχωτή επιφάνεια με ά-έλικες στο εξωτερικό (εικόνα 3.10). Εικόνα 3.10 Σχηματικό διάγραμμα του αναστολέα της ριβονουκλεάσης. Το μόριο περιέχει εσωτερικά 17 β-κλώνους που σχηματίζουν μια β-πτυχωτή επιφάνεια σε διάταξη πετάλου και εξωτερικά 16 α-έλικες.