VI-1. Proteiner VI. PROTEINER. Källor: - L. Stryer, Biochemistry, 3 rd Ed., Freeman, New York, 1988.

Transkript

1 Proteiner VI. PTEINE VI-1 Källor: - L. Stryer, Biochemistry, 3 rd Ed., Freeman, New York, 1988.

2 VI-2 Molekylmodellering VI.1. Aminosyra En aminosyra (rättare: α-aminosyra) har strukturen som visas i figur VI.1. Sidokedjan skiljer aminosyrorna från varandra. N 2 Fig. VI.1. Aminosyra. Kolatomen i mitten är i de flesta aminosyrorna ett chiralt centrum. Då har aminosyrorna två optiska isomerer, en L-isomer och en D-isomer. Den absoluta strukturen av dessa isomerer visas i figur VI.2. Sidokedjan kan innehålla chirala atomer så att en aminosyra kan ha flera chirala centra. + N N 2 - a Fig. VI.2. (a) L-isomer; (b) D-isomer. b En aminosyra förekommer i olika joniseringstillstånd vid olika p. Detta illustreras i figur VI.3. Kolatomerna i aminosyrorna numreras med grekiska bokstäver från aminogruppen. Kolatomen som är bunden till kväveatomen är α. Sidokedjan är m.a.o. bunden till α- kolatomen. Den första kolatomen i sidokedjan är β, följande γ osv. Detta illustreras för aminosyran arginin i figur VI.4.

3 Proteiner VI-3 N 3 + N 3 + N p 1 p 7 Fig. VI.3. Joniseringstillstånd vid olika p värden. p 11 N 2 α β γ δ N N 2 N Fig. VI.4. Arginin.

4 VI-4 Molekylmodellering VI.2. De tjugo aminosyrorna Naturen använder sig av tjugo olika aminosyror. De visas i tabellen nedan. I den biokemiska litteraturen används förkortningar som består av tre eller en bokstav. För många av aminosyrorna är endast en viss optisk isomer biologiskt intressant. Namn Förkortning En bokstavs kod Typ Alanin 3 Ala A 1 Arginin N (= N 2 + )N 2 Arg 5 Asparagin 2 () N 2 Asn N 6 Aspartansyra 2 Asp D 6 ystein 2 S ys 3 Fenylalanin Phe F 2 Glutamin 2 2 ()N 2 Gln Q 6 Glutaminsyra 2 2 Glu E 6 Glycin Gly G 1 istidin 2 Imidazol is 5 Isoleucin ( 3 ) 2 3 Ile I 1 Leucin 2 ( 3 ) 2 Leu L 1 Lysin N 3 + Lys K 5 Methionin 2 2 S 3 Met M 3 Prolin Pro P Serin 2 Ser S 4 Threonin () 3 Thr T 4 Tryptofan 2 Benzopyrrole Trp W 2 Tyrosin Tyr Y 2 Valin ( 3 ) 2 Val V 1 (Notationen för aminosyrornas kemiska karaktär följer inte någon standard: 1 = hydrofob; 2 = aromatisk; 3= svavelhaltig; 4 = alifatisk, innehåller en -grupp; 5 = basisk; 6 = sur.) Dessa aminosyror kan klassificeras på olika sätt. Vissa av dem är baser ( t. ex. Lys) och vissa är syror (t. ex. Asp) medan de flesta är neutrala. Vissa av aminosyrorna är hydrofoba (t. ex. Gly) och vissa är hydrofila (t. ex. ys). Dessa egenskaper påverkar kraftigt aminosyrornas och därmed proteinernas biokemiska egenskaper.

5 Proteiner VI-5 VI.3. Peptidbinding Två aminosyramolekyler reagerar med varandra och bildar en peptidbindning enligt schemat i figur VI N N = + 3 N N Fig. VI.5. Peptidbindning I peptidkedjan finns alltid en N 3 + grupp i den ena endan (N-terminus) och en grupp i den andra endan (-terminus). Peptidgruppen består av () N skelettet. Kol-kväve bindningen har partiell dubbelbindningskaraktär eftersom gruppen kan beskrivas med hjälp av två resonansstrukturer såsom visas i figur VI.6. - N N + Fig. VI.6. Peptidgruppens resonansstrukturer. Detta innebär att peptidgruppen är plan. Detta illustreras i figur VI.7. Bindningsavstånden är = = 124 pm, α = 151 pm, N = 132 pm och N α = 145 pm. α α N Fig. VI.7. Peptidbindningens geometri.

6 VI-6 Molekylmodellering Peptidenheterna innehåller två enkla kemiska bindningar som kan roteras fritt. De går från α-kolatomen till kväveatomen och till karboxylgruppens kolatom. Torsionsvinklarna genom dessa bindningar kallas ψ och φ. De definieras i figur VI.8. φ α ψ N α N Fig. VI.8. Torsionsvinklarna ψ och φ. Torsionsvinklarna ψ och φ har mycket karakteristiska värden i α-helix och de övriga sekundära strukturelementen.

7 Proteiner VI-7 VI.4. Peptid, protein En peptid är en kedja aminosyror som är bundna till varandra med peptidbindningar. Beroende på antalet aminosyraenheter pratar man om dipeptider, tripeptider osv. och polypeptider. Peptidskeletettet utgörs av α, och N atomerna i varje aminosyra. Enheten för de relativa atommassorna kallas dalton. Därav följer enheten kilodalton (kd). Protein är en polypeptid vars molekylmassa är över 10 kd. Polypeptidens struktur kan definieras i flera nivåer. Den primära strukturen är sekvensen av aminosyror i kedjan samt lägen av de eventuella svavel-svavelbindningarna. Den primära strukturen bestäms av de kovalenta bindningarna i molekylen. Polypeptidens aminosyrasekvens kan lätt analyseras med moderna experimentella metoder. Den sekundära strukturen beskriver strukturen av peptidskelettet i större drag för några aminosyror. Den bestäms av de svaga växelverkningarna. Typiska sekundära strukturelement är α-helix, β-plan och β-sväng. Den sekundära strukturen bestäms i hög grad av den primära strukturen. m aminosyrasekvensen i två proteiner är likadan kan man vänta sig att även de viktigaste sekundära strukturelementen är samma. En α-helix är en spiralformad del i en polypeptidkedja. Spiralens diameter är typiskt 500 pm och en aminosyra motsvarar ca. 100, dvs. aningen mindre än en tredjedel av ett varv. Ett varv för spiralen ca 500 pm framåt. Strukturelementet illustreras i figur VI.9. α α α α α α α α 150 pm, spiralvinkel 100 o α 500 pm Fig. VI.9. α-elix. Vätebindningarna stabiliserar de sekundära strukturerna. I helixstrukturen förekommer tre eller fyra vätebindningar per varv. De motsvarar en stabiliseringsenergi på 50 kj/mol per varv. Vätebindningsnätverket i α-helix visas i figur VI.10.

8 VI-8 Molekylmodellering Fig. VI.10. Vätebindnignarna i α-helix. Den tertiära strukturen anger förhållandet mellan de sekundära strukturelementen. I figur VI.11. visas två α-helix som befinner sig i en antiparallel arrangemang med en β-sväng som kopplar dem ihop. Gränsdragningen mellan sekundära och tertiära strukturer är vag. Ett protein består av en eller flera polypeptidkedjor som kopplas ihop av de svaga växelverkningarna. Varje sådan polypeptidkedja är en subenhet (subunit). Den kvaternära strukturen av ett protein beskriver hur subenheterna förhåller sig till varandra. De svaga växelverkningarna och speciellt vätebindningarna spelar en mycket viktig roll i polypeptidernas strukturer. De bestämmer de sekundära strukturerna och likaså polypeptidens växelverkan med omgivningen. Det är energetiskt lätt att bilda en vätebindning; energiinnehållet i en vätebinding är bara ca. 5 kj/mol. Därför är det också lätt för proteiner (t. ex. entsymer) att ändra struktur även drastiskt då en signalmolekyl fastnar vid ett aktivt centrum i proteinet. Vätebindningarna med t. ex. omgivningen utgör också en ypperlig energireservoire för ett biosystem. Varje ny vätebindning tar upp en mycket liten energi så att energibalansen kan justeras noggrannt. Å andra sidan kan antalet vätebindningar vara stort och därför kan stora energimängder lagras i vätebindningarna.

9 Proteiner VI-9 Fig. VI.11. Tertiär struktur.

10 VI-10 Molekylmodellering