οµή και Αναδίπλωση πρωτεϊνών

οµή και Αναδίπλωση πρωτεϊνών Νηφόρου Κατερίνα Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια, Οµάδα Μοριακής Καρκινογένεσης, Εργ/ριο Ιστολογίας-Εµβρυολογίας, Ιατρική Σχολή Αθηνών

Σηµασία των πρωτεϊνών Ενζυµική κατάλυση Μεταφορά και αποθήκευση Συνδυασµένη κίνηση Μηχανική στήριξη Ανοσολογική προφύλαξη ηµιουργία και µεταφορά νευρικών ώσεων Ρύθµιση της ανάπτυξης και διαφοροποίησης

οµικά στοιχεία των πρωτεϊνών Τα αµινοξέα δοµούν τις πρωτεΐνες. Αποτελούνται από: µία αµινο-οµάδα (-ΝΗ 2 ), µία καρβοξυλοοµάδα (-OO), ένα υδρογόνο, µία χαρακτηριστική οµάδα R δεσµευµένη στο κεντρικό άτοµο άνθρακα. χαρακτηριστική οµάδα ή πλευρική αλυσίδα αµινο-οµάδα καρβοξυλο-οµάδα

Τα αµινοξέα είναι διπολικά ιόντα και ο βαθµός ιοντισµού τους εξαρτάται από το p του διαλύµατος στο οποίο βρίσκονται. N 3 N 3 N 2 OO OO - OO - R R R p 1 p 7 p 11

Τα αµινοξέα έχουν οπτική ενεργότητα και τα δύο ισοµερή τους είναι το D και το L. Στις πρωτεΐνες απαντάνται µόνο το L ισοµερές. Τα αµινοξέα που βρίσκονται στις πρωτεΐνες είναι 20, δηλ. 20 διαφορετικές πλευρικές αλυσίδες.

Οι διαφορές τους αφορούν: στο µέγεθος στο σχήµα στο φορτίο στην ικανότητα δέσµευσης υδρογόνου στη χηµική δραστικότητα Ανάλογα µε τις ιδιότητες των παράπλευρων αλυσίδων, τα 20 αµινοξέα χωρίζονται σε 4 διαφορετικές οµάδες. 1. αλειφατικά. 2. αρωµατικά. 3. βασικά ή όξινα. 4. ειδικές περιπτώσεις.

Αλειφατικά αµινοξέα N 3 N 3 N 3 N 3 OO - OO - OO - OO - Η 3 2 γλυκίνη αλανίνη 3 3 βαλίνη 3 3 N 3 λευκίνη OO - 3 Η 2 3 ισολευκίνη

Αρωµατικά αµινοξέα N 3 N 3 N 3 OO - OO - OO - 2 2 2 N θρυπτοφάνη φαινυλαλανίνη OΗ τυροσίνη

Βασικά αµινοξέα N 3 OO - N 3 OO - N 3 OO - 2 2 2 2 2 2 2 2 Ν Η N N N 3 N 2 ιστιδίνη λυσίνη N 2 αργινίνη

Όξινα αµινοξέα N 3 OO - N 3 OO - N 3 OO - N 3 OO - 2 2 2 2 2 O O - O O - ασπαραγινικό γλουταµινικό O ΝΗ 2 ασπαραγίνη 2 O ΝΗ 2 γλουταµίνη

Αµινοξέα µε πλευρική αλυσίδα µε θείο Αµινοξέα µε πλευρική αλειφατική αλυσίδα µε υδροξύλιο N 3 OO - N 3 OO - OO - 2 S κυστεΐνη N 3 σερίνη Ο N 2 2 2 2 2 OO - N 3 OO - προλίνη 2 Ο S 3 µεθειονίνη 3 θρεονίνη

Πεπτιδικός εσµός Τα αµινοξέα ενώνονται µεταξύ τους µε πεπτιδικούς δεσµούς για να δηµιουργήσουν πολυπεπτιδικές αλυσίδες χωρίς διακλαδώσεις. αµινοτελικό άκρο καρβοξυτελικό άκρο N 3 R 1 Ο Ο - N 3 R 2 Ο Ο - N 3 R 1 Ο N R 2 Ο Ο - Η 2 Ο

πεπτιδικός δεσµός πεπτιδικός δεσµός Μερικές πρωτεΐνες περιέχουν δισουλφιδικούς δεσµούς µεταξύ διαφορετικών τµηµάτων της ίδιας αλυσίδας ή µεταξύ διαφορετικών αλυσίδων. N Ο N Ο 2 S S 2 κυστεΐνες 2 κυστίνη 2 S S 2 N N Ο Ο

Η πολυπεπτιδική αλυσίδα έχει αρχή και τέλος. Ξεκινά µε το αµινοτελικό άκρο και τελειώνει στο καρβοξυτελικό άκρο. Η αλληλουχία των αµινοξέων και η θέση των δισουλφιδικών δεσµών αποτελούν την πρωτοταγή δοµή µιας πρωτεΐνης. Είναι η πλήρης περιγραφή των οµοιοπολικών συνδέσεων µιας πρωτεΐνης.

ευτεροταγής δοµή Αποτελεί τη συσχέτιση στο χώρο των αµινοξέων που βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο στην αλληλουχία της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Οι βασικές δευτεροταγείς δοµες είναι οι: α- έλικα, β-πτυχωτή επιφάνεια, η έλικα κολλαγόνου και η β-στροφή.

α-έλικα ή a-helix η κύρια πολυπεπτιδική αλυσίδα σχηµατίζει το εσωτερικό της ράβδου ενώ οι πλευρικές οµάδες εκτείνονται προς τα έξω. στις πρωτεΐνες εµφανίζονται µόνο δεξιόστροφες α-έλικες. η σταθεροποίηση της αλυσίδας γίνεται µε δεσµούς υδρογόνου µεταξύ του O του ενός αµινοξέος και της οµάδας N τεσσάρων µονάδων πιο κάτω στη γραµµική αλληλουχία. κάθε στροφή περιέχει 3.6 αµινοξέα, έχει γωνία 100 ο και µετατόπιση 1.5Å.

β-πτυχωτή επιφάνεια ή b-sheet είναι µια επίπεδη επιφάνεια. είναι σχεδόν τελείως ανοιχτή και όχι σφιχτά περιελιγµένη. η απόσταση µεταξύ γειτονικών αµινοξέων είναι 3.5Å. η σταθεροποίηση της β-πτυχωτής επιφάνειας γίνεται µε δεσµούς υδρογόνου µεταξύ ΝΗ και O διαφορετικών τµηµάτων της ίδιας αλυσίδας ή διαφορετικών πολυπεπτιδικών αλυσίδων. οι διαφορετικές πολυπεπτιδικές αλυσίδες µπορεί να έχουν την ίδια κατεύθυνση ή αντίθετη κατεύθυνση.

Αντιπαράλληλες αλυσίδες Παράλληλες αλυσίδες

έλικα κολλαγόνου αποτελεί µια τρίτη µορφή δευτεροταγούς δοµής. αποτελείται από 3 ελικοειδείς αλυσίδες που τυλίγονται η µια γύρω από την άλλη. διαφέρει από την ελικοειδή µορφή της α- έλικας καθώς δεν περιέχει δεσµούς υδρογόνου. σταθεροποιείται µε στερικές απώσεις των δακτυλίων πυροδιλόνης της προλίνης.

έχει τη µορφή φουρκέτας. β-στροφή ή turn δηµιουργείται όταν η οµάδα O στη θέση n µιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας ενώνεται µε την οµάδα N στη θέση n3. επιτρέπει την αλλαγή στην κατεύθυνση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας και συχνά συνδέουν αντιπαράλληλες β-πτυχωτές επιφάνειες.

Τριτοταγής δοµή Αποτελεί τη στερεοδιάταξη αποµακρυσµένων µεταξύ τους αµινοξέων στην γραµµική αλληλουχία της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Οι δυνάµεις που καθορίζουν την τρισδιάστατη δοµή είναι: ηλεκτροστατικές, δεσµοί υδρογόνου και van der Waals. Οι παραπάνω δυνάµεις σταθεροποιούν τα στοιχεία της δευτεροταγούς δοµής. Το περιβάλλον της πρωτεΐνης καθορίζει και τη τριτοταγή δοµή της. Οι υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες εισέρχονται στο εσωτερικό της δοµής ενώ οι πολικές στην επιφάνεια.

απεικόνιση ράχης Ras-GDP απεικόνιση µε ραβδιά και µπάλες απεικόνιση κορδέλας επιφάνεια επαφής µε υγρό

Η τριτοταγής δοµή δεν είναι σταθεροποιηµένη αλλά υφίσταται συνεχείς διακυµάνσεις. Η σωστή τριτοταγής δοµή είναι απαραίτητη για τη σωστή λειτουργία της πρωτεΐνης. Οι διαφορετικοί τρόποι απεικόνισης της τριτοταγούς δοµής δίνουν και διαφορετικές πληροφορίες για τη πρωτεΐνη. Συχνά ορισµένα µοτίβα δευτεροταγούς δοµής χαρακτηρίζουν την τριτοταγή δοµή καθώς και τη λειτουργία διαφόρων πρωτεϊνών.

έλικα-βρόχος-έλικα helix-loop-helix zinc-finger µοτίβο υπερελικωµένο µοτίβο coiled coil motif

Sp1 καλµοδουλίνη τροποµυοσύνη 3

Τεταρτοταγής δοµή Χαρακτηρίζει πρωτεΐνες µε περισσότερες από µια πολυπεπτιδικές αλυσίδες, τις υποµονάδες. Αναφέρεται στη χωροδιάταξη αυτών των υποµονάδων και στα είδη των επαφών τους. Οι αλυσίδες µπορεί να είναι ίδιες ή διαφορετικές.

Ανοσοσφαιρίνη

Συνοψίζοντας... Πρωτοταγής δοµή ευτεροταγής δοµή Τριτοταγής δοµή Τεταρτοταγής δοµή κατάλοιπα αµινοξέων α-έλικα πολυπεπτιδική αλυσίδα συνδεδεµένες υποµονάδες

Αναδίπλωση των πρωτεϊνών Είναι η διαδικασία κατά την οποία οι πρωτεΐνες αποκτούν την σωστή τρισδιάστατη δοµή τους µετά τη σύνθεσή τους. Η σύνθεση των πρωτεϊνών γίνεται στα ριβοσώµατα που βρίσκονται είτε ελεύθερα στο κυτοσόλιο είτε στο αδρό ενδοπλασµατικό δίκτυο. Η κατεύθυνση της σύνθεσης γίνεται από το αµινο-τελικό προς το καρβοξυ-τελικό άκρο έχοντας σαν οδηγό το mrna.

Μη σωστή αναδίπλωση οδηγεί σε βιολογικά µη ενεργές πρωτεΐνες και µερικές φορές µπορεί να συνδεθεί µε ασθένειες. Η ποιότητα της αναδίπλωση ελέγχεται συνεχώς και οι ατελώς αναδιπλούµενες πρωτεΐνες αποικοδοµούνται. Η αλληλουχία των αµινοξέων περιέχει την πληροφορία για τη σωστή-φυσική αναδίπλωση της πρωτεΐνης, η οποία είναι η πιο σταθερή.

Πρωτεΐνες συνοδοί ή chaperones υπάρχουν σε κάθε κυτταρικό τµήµα, προσδένουν ένα ευρύ φάσµα πρωτεϊνών και η λειτουργία τους αφορά στο µηχανισµό αναδίπλωσης των πρωτεϊνών. οι µοριακές πρωτεΐνες συνοδοί προσδένουν και σταθεροποιούν µη αναδιπλωµένες ή µερικώς αναδιπλωµένες πρωτεΐνες. οι chaperonins απευθείας βοηθούν στην αναδίπλωση των πρωτεϊνών.

οµάδα eat shock protein 70-sp70 είναι οι πιο σηµαντικές πρωτεΐνες συνοδοί σε όλους του οργανισµούς και βρίσκονται στο κυτοσόλιο και τη µιτοχονδριακή µήτρα. λειτουργίες τους είναι η αναδίπλωση νεοσυντιθέµενων πρωτεϊνών, η µεταφορά πρωτεϊνών στα διάφορα οργανίδια, η αποδέσµευση ολιγοµερών πρωτεϊνικών δοµών, η διευκόλυνση της αποικοδόµησης ασταθών πρωτεϊνών, ο έλεγχος της βιολογικής ενεργότητας ήδη αναδιπλωµένων πρωτεϊνών. όλες αυτές οι διαδικασίες εξαρτώνται άµεσα από το ATP.

όταν είναι προσδεδεµένες µε το ATP έχουν ανοιχτή διαµόρφωση µε εκτεθειµένο το υδροφοβικό τµήµα και προσδένονται στα εκτεθειµένα υδρόφοβα τµήµατα της νεοσυντιθέµενης πρωτεΐνης. µε υδρόλυση του ATP σε ADP το µόριο παίρνει κλειστή διαµόρφωση στην οποία η πρωτεΐνη µπορεί να αναδιπλωθεί και απελευθερώνεται. έπειτα η πρωτεΐνη ακολουθεί µια κινητική διαδικασία µεταξύ αναδίπλωσης στη φυσική δοµή, συσσωµάτωση, επαναπρόσδεση στην sp70 και άλλες πρωτεΐνες στα πλαίσια ενός ποικίλου δικτύου αναδίπλωσης. λειτουργούν µε τη βοήθεια των co-chaperones, όπως οι DnaJ πρωτεΐνες που επιταχύνουν τη διαδικασία.

Ριβόσωµα ADP sp70-atp πρωτεΐνη πρωτεΐνη µερικώς αναδιπλούµενη πρωτεΐνη ATP ADP σωστά αναδιπλούµενη πρωτεΐνη σωστά αναδιπλούµενη πρωτεΐνη GroEL «σφιχτή» διαµόρφωση ATP GroEL GroES GroEL «χαλαρή» διαµόρφωση

DnaK DnaK sc70

Η δισουλφιδικών δεσµών στις µεµβρανικές και εκκρινόµενες πρωτεΐνες καθώς χρειάζονται ένα οξειδωτικό µέσο και το ένζυµο πρωτεϊνική δισουλφιδική ισοµεράση, PDI. δηµιουργία δισουλφιδικού δεσµού ανηγµένη πρωτεΐνη αναδιάταξη δισουλφιδικού δεσµού οξειδωµένη πρωτεΐνη πρωτεΐνη µε λάθος δισουλφιδικούς δεσµούς πρωτεΐνη µε λάθος δισουλφιδικούς δεσµούς

Μετα-µεταφραστικές τροποποιήσεις ακετυλίωση ( 3 O) γλυκοζυλίωση. φωσφορυλίωση. υδροξυλίωση, µεθυλίωση και καρβοξυλίωση. προσθήκη λιπιδικής οµάδα σε πρωτεΐνες που οδηγούνται στη µεµβράνη. ενζυµική αποµάκρυνση τµήµατος της πρωτεΐνης µετά τη σύνθεσή της που γίνεται συνήθως για την ενεργοποίηση ενζύµων.

Ευχαριστώ!