Лекция Структура белков Часть Состав белков История открытия белка
 Скачать 3.21 Mb.
|
|
Скоблов Михаил Юрьевич Молекулярная биология Лекция 4. Структура белков Часть 1. Состав белков История открытия белка Мульдер, Геррит Ян • В 1836 году Г.Мульдер высказал предположение о том, что все белки содержат один и тот же радикал, который он назвал протеином (от греческого слова "первенствую", "занимаю первое место"). • Протеин, по Мульдеру, имел состав Pr = C 40 H 62 N 10 O 12 • В 1838 году Г.Мульдер опубликовал формулы белков, построенные на основании теории протеина. • В1902 году Эмиль Фишер предположил, что белки состоят из аминокислот, связанных между собой пептидными связями – пептидная теория строения белка Фишер, Герман Эмиль Структура аминокислоты Аминокислоты В геноме человека кодируется 20 аминокислот Xie and Schultz. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 7, 751 –782 (October 2006) | doi:10.1038/ nrm2005 Over 30 unnatural amino acids have been cotranslationall y incorporated into proteins with high fidelity and efficiency using a unique codon and corresponding transfer-RNA: aminoacyl– tRNA- synthetase pair. «Unnatural» аминокислоты • Один из самых старых способов создания вакцин – это создание ослабленного или дефектного микроба/вируса. • Одной из самых первых попыток в области вакцин было создание вируса с делецией гена nef • В макаках эта вакцина хорошо работала, давая 90-95% защиты, но более подробные испытания выявили проблемы с безопасностью. Вирус вакцины иногда мутировал и приобретал патогенные свойства, вызывая СПИД. • Попытки создать другие дефектные вирусы тоже не сработали - либо вирус выходил из под контроля, либо он был слишком слабый для того, чтобы вызвать эффективный иммунный ответ. Способ создания вакцины Подход к использованию «unnatural» аминокислот На первом этапе была протестирована сам подход на флуоресцентном белке GFP с использованием трёх синтетических «unnatural» аминокислот, имеющих схожий размер с тирозином Construction of a live-attenuated HIV-1 vaccine through genetic code expansion. Wang N1, Li Y, Niu W, Sun M, Cerny R, Li Q, Guo J. Angew Chem Int Ed Engl. 2014 May 5;53(19):4867-71. Construction of a live-attenuated HIV-1 vaccine through genetic code expansion. Wang N1, Li Y, Niu W, Sun M, Cerny R, Li Q, Guo J. Angew Chem Int Ed Engl. 2014 May 5;53(19):4867-71. На втором этапе было продемонстрировано in vivo управление репликацией HIV-1 с помощью этой системы Ослабленная вакцина (аttenuated vaccine) Ослабленная вакцина создана путем уменьшения вирулентности патогена, но все еще оставляет его жизнеспособным. Человеку вводят: • Модифицированный вирус HIV-1 со стоп- котодонами • Дополнительный безвредный вирус кодирующий тРНК и аминоацил-тРНК- синтетазу Механизм действия: • Человек пьёт неприродную аминокислоту, ослабленный вирус HIV-1 реплицируется, вырабатывается иммунный ответ. • Человек прекратил пить неприродную аминокислоту, вирус перестал реплицироваться История открытия аминокислот Аминокислота аббревиату ра Год Источник Кто впервые выделил Цистеин Cys 1899 Вещество рога К. Мёрнер Фенилаланин Phe 1881 Ростки люпина Э. Шульце, Й. Барбьери Триптофан Trp 1902 Казеин Ф. Гопкинс, Д. Кол Треонин Thr 1925 Белки овса С. Шрайвер и др. Тирозин Tyr 1848 Казеин Ф. Бопп Серин Ser 1865 Шёлк Э. Крамер Пролин Pro 1901 Казеин Э. Фишер Метионин Met 1922 Казеин Д. Мёллер Лизин Lys 1889 Казеин Э. Дрексель Лейцин Leu 1820 Мышечные волокна А. Браконно Изолейцин Ile 1904 Фибрин Ф. Эрлих Глутаминовая кислота Glu 1866 Растительные белки Г. Риттхаузен Глицин Gly 1820 Желатин А. Браконно Гистидин His 1896 Стурин, гистоны А. Кессель, С. Гедин Гидроксипролин 1902 Желатин Э. Фишер Гидроксилизин 1925 Белки рыб С. Шрайвер и др. Валин Val 1901 Казеин Э. Фишер Аспарагиновая кислота Asp 1868 Конглутин, легумин Г. Риттхаузен Аргинин Arg 1895 Вещество рога С. Гедин Аланин Ala 1888 Фиброин шелка Т. Вейль Аминокислоты, классификация Аминокислоты Классификация по строению бокового радикала (функциональным группам) Алифатические • Моноаминомонокарбоновые: глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин • Оксимоноаминокарбоновые: серин, треонин • Моноаминодикарбоновые: аспартат, глутамат, за счёт второй карбоксильной группы несут в растворе отрицательный заряд • Амиды моноаминодикарбоновых: аспарагин, глутамин • Диаминомонокарбоновые: лизин, аргинин, несут в растворе положительный заряд • Серосодержащие: цистеин, метионин Ароматические: фенилаланин, тирозин, триптофан, (гистидин) Гетероциклические: триптофан, гистидин, пролин Иминокислоты: пролин Аминокислоты Классификация по полярности бокового радикала Неполярные: глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан Полярные незаряженные (заряды скомпенсированы): серин, треонин, цистеин, аспарагин, глутамин, тирозин Полярные заряженные отрицательно: аспартат, глутамат Полярные заряженные положительно : лизин, аргинин, гистидин Аминокислоты Классификация по кислотно-основным свойствам Нейтральные: большинство Кислые: Аспаргиновая и глутаминовая кислоты Основные: лизин, аргинин, гистидин Аминокислоты, классификация Аминокислоты Незаменимые необходимые аминокислоты, которые не могут быть синтезированы в том или ином организме, в частности, в организме человека. Поэтому их поступление в организм с пищей необходимо. Для большинства животных и человека незаменимыми аминокислотами являются: валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, аргинин, гистидин. Заменимые Для большинства животных и человека заменимыми аминокислотами являются: глицин, аланин, пролин, серин, цистеин, аспартат, аспарагин, глутамат, глутамин, тирозин. Классификация по необходимости для организма Незаменимые аминокислоты Классификация аминокислот Оптические свойства аминокислот Только L форма! Исключение метионин Рацемизация — преобразование оптически активного вещества или смеси, где присутствует только один энантиомер, в смесь, содержащую более одного энантиомера. Химические свойства аминокислот Аминокислоты являются амфотерными соединениями. Могут действовать как основание H2N–CH2–COOH + HCl = Cl- [H3N–CH2–COOH]+ Так и как кислота: H2N–CH2–COOH + NaOH = H2N–CH2–COO- Na+ + H2O Однако находясь в полипептидной цепи, их свойства определяются группами боковых радикалов. 23 Кислотно-основные свойства pH 1 Заряд +1 pH 7 Заряд 0 pH 13 Заряд -1 Цвиттерион (нейтральный) Анионная форма Катионная форма Химические свойства аминокислот Химические свойства аминокислот amino acid Глицин Gly G Glycine Гли Аланин Ala A Alanine Ала Валин Val V Valine Вал Изолейцин Ile I Isoleucine Иле Лейцин Leu L Leucine Лей Пролин Pro P Proline Про Серин Ser S Serine Сер Треонин Thr T Threonine Тре Цистеин Cys C Cysteine Цис Метионин Met M Methionine Мет Аспарагиновая кислота Asp D asparDic acid Асп Аспарагин Asn N asparagiNe Асн Глутаминовая кислота Glu E gluEtamic acid Глу Глутамин Gln Q Q-tamine Глн Лизин Lys K before L Лиз Аргинин Arg R aRginine Арг Гистидин His H Histidine Гис Фенилаланин Phe F Fenylalanine Фен Тирозин Tyr Y tYrosine Тир Триптофан Trp W tWo rings Три Аминокислоты, названия Часть 2. Структура белков Уровни организации структуры белков Уровни организации структуры белков Белки Глобулярной структуры Неглобулярной структуры 60% 40% История установления структуры белка Первичная структура белка - это последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи Фредерик Сенгер В 1958 г. С. была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина» • В 1945г Сенгер разработал гидролиз белка в мягких щелочных условиях с динитрофенолом • Определил, что инсулин содержит две различные N-концевые аминокислоты, следовательно, каждая молекула инсулина состоит их двух видов полипептидных цепей. • В 1949г Сенгер открыл способ разрушения дисульфидных мостиков связывающих две аминоксилотных цепи, тем самым разделил цепи. • Разбивая цепь с помощью ферментного гидролиза на небольшие пептиды, он с помощью хроматографии определил какие аминокислоты входили в состав белка История установления структуры белка Секвенирование белка = установление первичной структуры Секвенирование белка = установление первичной структуры 494 Procise protein/peptide sequencer Секвенирование белка = установление первичной структуры Генетический код Marshall W. Nirenberg and Heinrich J. Matthaei (1962) made their own simple, artificial mRNA and identified the polypeptide product that was encoded by it. Генетический код Генетический код Триплетность – Вырожденность - Универсальность Компьютерное определение структуры Вторичная структура белка Вторичная структура белка этопространственная структура, образующаяся в результате взаимодействия между функциональными группами пептидного остова. Вторичная структура белка • Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая α- спираль (αR). • Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта (т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками) составляет 0,54 нм. • α-Спираль стабилизирована водородными связями между NH- группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. • Неполярные или амфифильные α- спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах α-Спираль Вторичная структура белка • Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей . • Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и 3,3 остатка в каждом витке, более пологая по сравнению с α-спиралью Спираль коллагена • В отличие от α- спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. • Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль Вторичная структура белка Складчатые структуры (β-листы) • Вытянутые конформации пептидной цепи называются "β-складчатым листом", так как плоскости пептидных связей расположены в пространстве подобно равномерным складкам листа бумаги. • B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи. Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (βα), а если цепи ориентированы в одном направлении , структура называется параллельным складчатым листом (βn). • В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз • Энергетически более предпочтительной оказывается βα- складчатая структура с почти линейными H- мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга. Вторичная структура белка • В тех участках, где пептидная цепь изгибается достаточно круто, часто находится β-петля. • Это короткий фрагмент, в котором 4 аминокислотных остатка расположены таким образом, что цепь делает реверсивный поворот (на 180о). • Оба приведенных на схеме варианта петли (типы I и II) встречаются довольно часто. • Обе структуры стабилизированы водородным мостиком между 1 и 4 остатками β-Петля Предсказание вторичной структуры белка Точность современных методов достигает 80% Третичная структура белка Третичная структура белка это пространственное строение всей молекулы белка, состоящей из единственной цепи Джеймс Бетчеллер Самнер американский биохимик • Работы по химии белков и ферментов. • Впервые выделил кристаллический фермент (уреазу), доказав белковую природу ферментов. • В 1946 ему была присуждена Нобелевская премия, которую он разделил с Д.Нортропом и У.Стэнли «за открытие свойства кристаллизации ферментов». Третичная структура белка Третичная структура белка • Первым белком, третичная структура которого была выяснена Дж. Кендрью на основании рентгеноструктурного анализа, был миоглобин кашалота. • Белок с молекулярной массой 16700, содержащий 153 аминокислотных остатка • Основная функция миоглобина – перенос кислорода в мышцах. Третичная структура белка Третичная структура белка образована за счет: • ковалентных связей (пептидные и дисульфидные связи) • водородные связи • электростатические взаимодействия заряженных групп • межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы • взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот (гидрофобные взаимодействия) Третичная структура белка Супервторичная структура белков специфический порядок формирования вторичных структур называют супервторичной структурой белков Третичная структура белка Доменная структура белков Домен белка — элемент третичной структуры белка, представляющий собой достаточно стабильную и независимую подструктуру белка, чей фолдинг проходит независимо от остальных частей. В состав домена обычно входит несколько элементов вторичной структуры. • Размер домена может быть от 25 до 500 аминокислот • На сегодняшний день зарегистрировано 173536 доменов. Постулаты: • Сворачивание белка - процесс укладки полипептидной цепи в компактную пространственную структуру. • Аминокислотная последовательность белка однозначно определяет его пространственную структуру. • Пространственная структура белка определяет его функцию. Предсказание третичной структуры белка Предсказание третичной структуры белка • Ab initio - моделирование укладки “из первых принципов” – без использования дополнительной информации о структурах схожих белков. • Предсказание на основе гомологии (homology modeling) - моделирование на основе известных структур схожих белков. • Тридинг (Threading) - моделирование на основе слабой гомологии. Подходы к предсказанию третичной структуры белка Предсказание третичной структуры белка CASP - конкурс методов предсказания структуры белков Critical Assessment of protein Structure Prediction Четвертичная структура белка Четвертичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Четвертичная структура белка • Классический пример четвертичной структуры у гемоглобина • Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных цепей двух разных типов: из двух α-цепей и двух β-цепей. • Две α-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, а две β-цепи- по 146 остатков. • Полную структуру гемоглобина определили Кендрью и Перуц • Нобелевская премия по химии 1962 «За исследования структуры глобулярных белков» • Макс Перуц придумал вводить в состав белков атомы тяжелых металлов, которые занимали определенные места в кристаллической решетке и давали отчетливые сигналы. • Перутц использовал также недавно появившуюся электронно- вычислительную машину. Четвертичная структура белка • Отдельные полипептидные цепи в таком белке носят название протомеров, или субъединиц. • Белок, содержащий в своём составе несколько протомеров, называют олигомерным. Субъединичная структура глутаминсинтетазы - 12 протомеров. |