Hierarkisk proteinstruktur. Hierarkisk proteinstruktur. α-helix Fig 3-4. Primärstruktur Fig 3-3

Transkript

1 Hierarkisk proteinstruktur Hierarkisk proteinstruktur Primärstruktur Fig 3-3 -Bestäms av sekvensen av aminosyror -Hålls samman med peptidbindningen, vilken också ger en rikting -Börjar med aminogrupp & slutar med karboxylgrupp -N-terminal resp. C-terminal Sekundärstruktur -Stabil struktur som utgörs av kortare segment av polypeptidkedjan α-helix Fig 3-4 -Backbone bildar en spiral med alla sidokedjor riktade utåt -Vätebindningarna ger en riktning åt α-helixen -3,6 aminosyror/varv -α-helixen är en tub med egenskaper beroende av sidokedjornas egenskaper -Hos vattenlösliga proteiner är de externa sidokedjorna hydrofila, medan hydrofoba sidokedjor finns begravad innuti proteinet -Transmembranproteiner kan ha båda typerna i olika delar -Hålls samman mha vätebindningar mellan amid och karbonyl-grupperna i backbone -De huvudsakliga sek.strukturerna är: α-helix β-flak β -turn 1 2

2 Hierarkisk proteinstruktur Hierarkisk proteinstruktur β-flak Fig 3-5 -Sammanpackade β-strängar som hålls ihop av vätebindningar -β-flak kan bildas av β-strängar från olika polypeptider eller från samma polypeptider, då med loopar emellan -Sidokedjorna kommer att sticka ut under eller över β-flaket -β-flak kan vara parallella eller anti-parallella Tertiärstruktur -Tertiärstrukturen är det 3-dimensionella arrangemanget av polypeptidens aminosyror -Stabiliseras av vätebindningar, hydrofoba & vdw-interaktioner -Tert.strukturen är relativt flexibel & kan påverkas pga. att de sammanhållande krafterna är relativt svaga -Sidokedjorna spelar en stor roll för tert.strukturen β-turn Fig 3-6 -Skarpa böjar av polypeptidkedjan, ex. mellan β-strängar för att bilda β-flak -Stabiliseras ofta genom vätebindningar -Glycin och Prolin är särskilt vanliga i β-turns Hydrofoba kedjor inåt Hydrofila kedjor utåt -Detta ger en hydrofob kärna & en hydrofil yta, Fig 3-7 & Disulfidbryggor mellan Cysteiner stabiliserar tert.strukturen kovalent 3 4

3 3 huvudgrupper av proteiner Motif Fig 3-9 Fibrösa -Stora, långa och stela -Ofta inblandade i cellers struktur & rörligehet, ex. cilia Globulära -Ofta vattenlösliga och sfäriska med en mix av sek.strukturer Integrala membranproteiner -Måste ha både hydrofob och hydrofil yta -Kan bestå av flera delar, både fibrösa och globulära -Har vanligen en viss uppgift i proteinet -Utgörs av specifika kombinationer av sek. & tert.strukturer -Ofta är primärstrukturen för motifet välkonserverad Coiled-coil -Bildas av flera α-helixar, 3,5 aminosyror/varv -Helixarna hålls samman mha heptad repeat -Hydrofob söm, hydrofil utsida -Kallas ofta Leucine zipper EF-hand -Ca 2+ -bindande motif -2 korta helixar förbundna med en loop -Inbindning av Ca 2+ till motifet leder ofta till konformationsförändringar av andra delar av proteinet 5 6

4 Motif Fig 3-9 Domäner Zinc-finger -1 α-helix och 2 β-strängar som ofta förekommer i RNA & DNA bindande proteiner -Distinkta regioner av tert.struktur som kan tas loss från proteinet och ha kvar sin struktur och funktion -3 grupper: funktionella, strukturella & topologiska Funktionella -Motifen har konserverats under evolutionen, ex. behöver inte ett Ca 2+ -bindande protein uppfinnas om och om igen, EF-hand motifet används i stället i flera olika proteiner -Region av ett protein med, för proteinet, specifik aktivitet -Aktiviteten bibehålls även om domänen klipps bort från proteinet Strukturella -En stabil del av proteinet som kan foldas till sin rätta struktur utan att resten proteinet uttrycks -Olika strukturella domäner kan länkas samman mha spacers/linkers, ex EGF-domänen Fig Ofta är strukturella och funktionella domäner väldigt lika Struktur Funktion Topologiska 7 -Regioner hos proteiner med att visst rumsligt förhållande till resten av proteinet 8

5 Hierarkisk proteinstruktur Evolution Homologi Fig 3-13 Kvertenärstruktur Multimera strukturer -Multimera proteiner består av 2 eller flera polypeptidkedjor -4e nivån i den hierarkiska proteinstrukturen -Homodimer båda subenheterna är likadana -Heterodimer subenheterna är olika -Ofta fungerar inte subenheterna normalt som monomerer -Proteiner med gemensamt ursprung kallas homologer/homologa -Proteiner med >50% sekvensidentitet (SID) ingår i samma evolutionära familj -En superfamilj består av flera familjer där SID mellan familjerna är 30-40% -I en familj har proteinerna liknande struktur & funktion -I en superfamilj har proteinerna troligen liknande struktur -Makromolekylära strukturer bildas av många (10->100) proteiner ex. cytoskelettet Fig 17-1, transkriptions initieringskomplex Fig

6 Protein folding Chaperoner -Form följer funktion -Information om hur proteinet ska foldas finns i sekvensen -Peptidbindningen begränsar antalet möjliga strukturer genom sin stelhet Fig Endast Φ (Phi) och Ψ (Psi) vinklarna kan förändras. -Rörligheten kan begränsas ytterligare av sidokedjorna -Vanligen bildas den mest stabila strukturen (av alla de som är möjliga), denna kallas native state -Den hypotetiska ordningen för foldingen, Fig 3-15; Prim.struktur Sek.struktur Motif Domäner Tert.struktur Kvart.struktur -Chaperoner ger en bra foldingmiljö för proteiner och kan bidra med energi till foldingen -Chaperoner är välkonserverade proteiner som finns hos alla organismer -2 typer: Molekylära chaperoner & Chaperoniner Molekylära chaperoner Fig Binder & stabiliserar ofoldade/delvis foldade proteiner och hindrar dessa från att aggregera -ATP krävs för aktivitet Chaperoniner Fig Bildar en kammare som innehåller rätt miljö för folding - Tunnor som finns i en avslappnad och en tight konformation -ATP krävs för aktivitet 11 12

7 Protein funktion Protein funktion -Ofta baserad på proteiners förmåga att binda specifikt till andra proteiner, DNA/RNA eller små molekyler och joner -Molekylen som binder till proteinet kallas ligand -Specificitet: proteinets förmåga att binda en viss specifik ligand -Affinitet: Styrkan på bindningen mellan proteinet och liganden, uttrycks med dissociationskonstanten K D -Aviditet: funktionell affinitet -Hög affinitet kräver en hög molekylär komplementaritet Enzym -Fungerar som katalysatorer i organismer Fig Enzymernas ligander kallas substrat -Sänker en reaktions aktiveringsenergi så att den är anpassad för en fysiologisk miljö (ph 6,5-7,5; 37 C; 1 atm tryck) -Enzymet har substratspecificitet -Har en bindningsficka som innehåller active site där den katalytiska aktiviteten finns Fig Enzymernas aktivitet är ph-beroende Fig Kräver ofta cofaktorer/prostetisk grupp -Ofta sitter enzymer som ingår i samma reaktionsväg fysiskt nära varandra Fig

8 Proteinnedbrytning Proteinmodifieringar -Proteiner regleras genom koncentrationen av proteinerna syntes/nedbrytnings hastigheten -Intrinsic activity reglering av aktiv/inaktiv konformation -Proteasomen är en tunnformad makromolekyl (~50 subenheter) där ingången är reglerad Fig Endast proteiner märkta med proteinet Ubiquitin släpps in i proteasomen -Ubiquitineringen regleras genom reglering av Ubiquitin-ligaser -Proteiner kan modifieras både kovalent och icke-kovalent -Många modifieringar är reversibla proteinerna kan aktiveras/deaktiveras flera gånger -Ett mycket vanligt sätt att reglera proteinfunktion är genom allostera interaktioner -En alloster effekt ger förändring i tertiär- och/eller kvartenär-struktur -Cooperativitet: bindningen av en ligand till en viss site ökar affiniteten till samma typ av ligand vid en annan site i samma protein (en typ av alloster effekt) Fig 3-13, Negativ cooperativitet finns ofta i slutet av en reaktionsväg, feedback inhibering -Ca 2+ och GTP är vanliga allostera switchar som kan reglerar proteinaktiviteten Fig 3-31,

9 Proteinmodifieringar DNA-replikation Fosforylering/defosforylering -Forsforylering är en av de allra vanligaste proteinmodifieringarna för reglering av proteinaktivitet -Fosforyleringen ändrar proteinets laddning och vanligen också dess konformation -Proteinkinaser katalyserar fosforyleringen, fosfataser katalyserar defosforyleringen Fig 3-33 Proteolytisk klyvning -Proteiner kan delvis klyvas för aktivering, irreversibel process -DNA-replikation krävs då cellen står inför delning -Moder DNA-helixen delas och är mall för 2 dotter DNA-strängar Fig Enzymet DNA-polymeras infogar komplementära nukleotider till enkelsträngat DNA -Helicaser lindar upp DNA-helixen för replikationen -DNA-polymeraset kräver dubbelsträng för att kunna starta replikationen -Enzymet Primase bygger upp en kort komplementär RNA-sträng vid vilken DNA-polymeraset startar replikationen -DNA-polymeraset arbetar 5 3 -Leading strand polymeriseras i ett enda svep -Lagging strand byggs upp av Okazaki-fragment vilka ligeras mha enzymet DNA-ligas -Ofta sker en bidirektionell DNA-replikation Fig

10 Proteomics -Proteomics: samtliga proteiner/stor delmängd av proteiner hos en cell/vävnad/organism analyseras -I traditionella proteinstudier analyseras proteinerna ett i taget -Vilka proteiner & i vilka mängder uttrycks de i en viss vävnad? -Är en förändring av proteinutrycket förknippat med sjukdom? -Vilka proteinmodifieringar görs och vad har de för effekt? -Tekniken som används är fr.a. LC-MS/MS -Human Protein Atlas har som mål att kartlägga alla humana proteiner, vart de finns och i vilka mängder i både frisk och sjuk vävnad 19