Felveckning och denaturering av proteiner Niklas Dahrén
Felveckning av proteiner
Strukturen är helt avgörande för proteinets funktion ü E# protein är helt beroende av sin struktur för a& kunna fullgöra sina uppgi/er. T.ex. behöver enzymer ha en viss form för a& kunna binda olika ämnen. ü Exempel: Enzymet galaktosidas behöver nedanstående 3- dimensionella struktur för a& kunna binda si& substrat maltos och spjälka det Ell 2 glukosmolekyler. Bildkälla: "Galactosidase enzyme" by Thomas Shafee - Own work. Licensed under CC BY- SA 4.0 via Commons - h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/file:galactosidase_enzyme.png#/ media/file:galactosidase_enzyme.png
Efter translationen får proteinet sin 3-dimensionella struktur genom veckning ü De flesta proteiner veckas spontant ;ll sin tredimensionella struktur: Aminosyror med hydrofoba sidokedjor kommer vända dessa inåt (bort från det omgivande va&net) medan aminosyror med hydrofila sidokedjor kommer vända dessa utåt (mot va&net). SamEdigt kommer vätebindningar och andra typer av bindningar (disulfidbryggor etc.) skapas mellan olika aminosyror vilket också bidrar Ell den spontana veckningen. ü Chaperoner hjälper vissa proteiner med veckningen: Det finns en typ av proteiner i cellen som heter chaperoner och som hjälper vissa proteiner med veckningen. En del chaperoner fungerar som värmeshockproteiner och bildas i stora mängder när cellen utsä&s för hög temperatur. Värmeshockproteinerna ser då Ell a& stabilisera proteinets struktur så a& det inte denatureras. Veckning Bildkälla: "Process of DenaturaEon" by Scurran15 - Own work. Licensed under CC BY- SA 4.0 via Commons - h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/file:process_of_denaturaeon.svg#/ media/file:process_of_denaturaeon.svg
Proteinernas veckning och struktur skapas och stabiliseras av olika typer av bindningar Vätebindning Jonbindning CH 2 - NH 3 + - O- C- CH 2 O II Disulfidbrygga CH 2 - S S- CH 2 Hydrofob interak;on CH 3 - - - CH 3 CH 3 -
Proteinernas veckning och struktur skapas och stabiliseras av olika typer av bindningar ü Vätebindningar: Vätebindningar uppstår mellan olika delar i polypepedkedjans ryggrad (mellan syre- och väteatomer). Vätebindningar uppstår även mellan olika aminosyrors polära sidokedjor (även här väte- och syreatomer alt. väte- och kväveatomer). Vätebindningar uppstår även mellan olika aminosyrors polära sidokedjor och de omgivande va&enmolekylerna vilket också är vikegt för a& stabilisera den tredimensionella strukturen hos proteinet. ü Hydrofoba interak;oner: Spontant kommer hydrofoba sidokedjor vända sig inåt mot centrum av proteinet (bort från det omgivande va&net) och där binda Ell andra hydrofoba sidokedjor. De&a sker delvis p.g.a. a& va&enmolekylerna inte vill samverka med och binda Ell hydrofoba ämnen utan hellre binder Ell andra va&enmolekyler eller andra polära ämnen e/ersom det genererar starkare och stabilare bindningar (vätebindningar). De hydrofoba sidokedjorna binder då istället Ell varandra. ü Jonbindningar (saltbryggor): Uppstår mellan posievt och negaevt laddade sidokedjor (R- grupper), precis som 2 joner i e& salt. ü Disulfidbryggor: En disulfidbrygga utgörs av 2 svavelatomer, från 2 olika sidokedjor, som binder Ell varandra med en polär kovalent bindning. Obs. enbart aminosyran cystein har svavel i sin sidokedja så det är alltså 2 olika cysteinmolekyler som binder Ell varandra med en disulfidbrygga.
Över 30 sjukdomar är orsakade av felveckade proteiner ü En felveckning av proteiner i cellerna leder Ell a& de inte får sin korrekta 3- dimensionella struktur och förlorar därmed sin normala funkeon. ü Felveckade proteiner kan klumpa ihop sig med varandra och bildar då stora proteinaggregat som kallas för amyloider. Dessa stör de normala funkeonerna i cellen. ü Amyloiderna leder ;ll flera svåra sjukdomar, t.ex. Alzheimer, Parkinson, Skelle/eåsjukan och Galna kosjukan och Creutzfeldt- Jakobs sjukdom. Totalt orsaker felveckade proteiner över 30 olika sjukdomar. ü En anledning ;ll a# proteiner veckas felak;gt kan vara a& genen för proteinet har få& en mutaeon vilket leder Ell a& en eller flera aminosyror blir ersa&a av andra aminosyror som omöjliggör en korrekt veckning.
Prioner ger upphov till galna kosjukan ü I nervcellerna förekommer det s.k. prionproteinet (PrPC). Prionprotein kan dock bli felveckat och bli en dödlig prion (PrPSc). Det är alltså samma protein men i en ny form och med helt nya egenskaper - tyvärr dödliga. Orsaken Ell denna felveckning kan vara en mutaeon i prionproteingenen. ü Prioner kan smi#a andra friska prionproteiner i cellen. De kan påtvinga sin egen 3D- struktur p å "oskyldiga" normala prionproteiner med en slags självgenererande effekt: 1 PrPC+1 PrPSc=2 PrPSc. Exakt hur det felveckade proteinet får andra, normalt är veckade prioner, a& anta den abnorma formen, forlarande inte känt. och ü Prioner kan också smi#a mellan olika människor mellan djur och människor. ü Felveckade prioner förstör hjärncellerna och ger upphov Ell Galna kosjukan hos djur och Creutzfeldt- Jakobs sjukdom hos människor. Kor som inte klarar av a# resa sig upp kan ha drabbats av felveckade prioner som förstör deras hjärnceller.
Diabetes typ 2 verkar ha ett samband med felveckning av IAPP ü Amylin, eller Islet Amyloid Polypep;de (IAPP), är e& pepedhormon som består av 37 aminosyror. Det utsöndras från betacellerna precis som insulin och bidrar Ell ökad blodsockerkontroll genom a& sänka magsäckens tömningshaseghet och öka mä&nadskänslan etc. ü En felveckning av IAPP leder Ell a& pepeden får fel struktur och därför börjar flera IAPP klumpa ihop sig med varandra. Amyloider (proteinaggregat) bildas då först i betacellerna och sedan även utanför cellerna. Teorin är a& dessa är gi/iga för cellen och a& det så småningom leder Ell a& betacellerna genomgår apoptosis (programmerad celldöd). Bukspo&körtelns förmåga a& producera insulin blir i de&a fall nedsa& vilket ger upphov Ell diabetes (i första hand typ 2, men en del forskare menar a& det även kan finnas en koppling Ell diabetes typ 1). ü En anledning ;ll a# felveckningen uppstår är a& en mutaeon i IAPP- genen resulterar i a& aminosyran serin ersä&s med glycin vilket gör a& veckningen av hela proteinet blir felakegt. Mer läsning om de#a: h&p://physrev.physiology.org/content/91/3/795 h&p://www.sciencedirect.com/science/arecle/pii/s0925443901000783 h&p://www.scq.ubc.ca/islet- amyloid- a- culprit- in- type- 2- diabetes/
Denaturering av proteiner
Denaturering av proteiner innebär att de förlorar sin 3-dimensionella struktur ü Proteiner kan denatureras vilket innebär a& de veckas ut och förlorar sin 3- dimensionella struktur (även DNA, RNA och andra molekyler kan denatureras). Om proteinet förlorar sin 3- dimensionella struktur innebär det även a& proteinet förlorar sin funkeon. Proteinet fungerar som det ska Proteinet fungerar ej ph, värme, salt, alkoholer etc. Denaturering Bildkälla: "Process of DenaturaEon" by Scurran15 - Own work. Licensed under CC BY- SA 4.0 via Commons - h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/file:process_of_denaturaeon.svg#/ media/file:process_of_denaturaeon.svg
Olika faktorer som orsakar denaturering av proteiner Faktorer: Värme Syror och baser (förändring i ph) Bindningar som bryts: Vätebindningar, hydrofoba interakeoner Jonbindningar (saltbryggor), vätebindningar Mekanism: Bindningarna i proteinet (vätebindningar och hydrofoba interakeoner) börjar vibrera så kra/igt a& de Ellslut brister. Sidokedjornas laddningar förändras etc. vilket gör a& jonbindningar och vätebindningar upplöses. Alkoholer Vätebindningar Alkoholmolekylerna binder Ell polära sidokedjor i proteinet med vätebindningar vilket bryter existerande vätebindningar mellan olika sidokedjor. Salter Vätebindningar med omgivande va&enmolekyler De va&enmolekyler som omgärdar proteinet bidrar Ell proteinets struktur. Va&enmolekylerna binder med vätebindningar Ell de polära sidokedjorna vilket stabiliserar proteinets struktur, samedigt så ser va&net Ell a& de hydrofoba sidokedjorna är vända inåt mot proteinets centrum. Vid hög saltkoncentraeon kommer jonerna i saltet a&rahera de va&enmolekyler som omgärdar proteinet. När va&enmolekylerna lämnar proteinet kommer strukturen inte kunna bibehållas och proteinet denatureras.
För lågt eller för högt ph-värde upplöser jonbindningar (saltbryggor) i proteinet Lågt ph- värde (t.ex. ;llsa#s av HCl): Medelhögt ph- värde (t.ex. fysiologiskt ph- värde på 7,4): Högt ph- värde (t.ex. ;llsa#s av NaOH): Cl - Ingen jonbindning mellan sidokedjor H + Jonbindning mellan sidokedjor Ingen jonbindning mellan sidokedjor H + + OH - H 2 O Na +
För lågt eller för högt ph-värde upplöser vätebindningar i proteinet Lågt ph- värde (t.ex. ;llsa#s av HCl): Medelhögt ph- värde (t.ex. fysiologiskt ph- värde på 7,4): Högt ph- värde (t.ex. ;llsa#s av NaOH): Cl - Ingen vätebindning mellan sidokedjor H + Vätebindning mellan sidokedjor - - z Ingen vätebindning mellan sidokedjor H + + OH - H 2 O Na +
Sammanfattning över hur ph-värdet påverkar proteinerna Lågt ph- värde: Medelhögt ph- värde: Högt ph- värde: Många väte- och jonbindningar Proteinet denaturerar och förlorar sin funkeon Proteinet bibehåller sin struktur och därmed även sina funkeoner Proteinet denaturerar och förlorar sin funkeon
Mer om denaturering av proteiner ü Primärstrukturen förstörs aldrig även om proteinet denatureras. Det är bara själva veckningen av proteinet som förstörs. ü Proteiner med disulfidbryggor är mer resistenta mot denaturering e/ersom disulfidbryggor utgöras av starka kovalenta bindningar. ü Saltsyra denaturerar proteiner i magsäcken: De proteiner vi får i oss via födan spjälkas Ell fria aminosyror med hjälp av enzymer i mag- /tarmkanalen (t.ex. pepsin). Spjälkningen av dessa proteiner underlä&as om proteinerna först denatureras. I magsäcken sker denatureringen med hjälp av saltsyra (som sänker ph- värdet). Saltsyra Bildkälla: "Process of DenaturaEon" by Scurran15 - Own work. Licensed under CC BY- SA 4.0 via Commons - h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/file:process_of_denaturaeon.svg#/ media/file:process_of_denaturaeon.svg
Denaturering av proteinerna i ägg ü Proteinerna i äggvitan genomgår denaturering när ägget kokas. Värmen bryter de bindningar som håller ihop den 3- dimensionella strukturen. ü När bindningarna bryts kommer proteinerna veckas ut och då kommer även lösligheten påverkas negaevt. Proteinerna kommer nu klumpa ihop sig med varandra istället för a& binda Ell va&enmolekylerna. Man säger a& proteinet fälls ut e/ersom vi kan se proteinerna när det är många proteiner som si&er ihop med varandra. Bildkälla: "Protein DenaturaEon" by RMADLA - Own work. Licensed under CC BY- SA 3.0 via Commons - h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Protein_DenaturaEon.png#/media/File:Protein_DenaturaEon.png
Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: h#p://www.youtube.com/kemilek;oner h#p://www.youtube.com/medicinlek;oner