Молекулярная биология Лекция 4 Структура белков Скоблов Михаил

Молекулярная биология Лекция 4. Структура белков Скоблов Михаил Юрьевич

Часть 1. Состав белков

История открытия белка • 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"). Мульдер, Геррит Ян • 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. Фишер, Герман Эмиль • В 1902 году Эмиль Фишер предположил, что белки состоят из аминокислот, связанных между собой пептидными связями – пептидная теория строения белка

Структура аминокислоты

Аминокислоты В геноме человека кодируется 20 аминокислот

«Unnatural» аминокислоты 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– t. RNAsynthetase pair. Xie and Schultz. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 7, 751– 782 (October 2006) | doi: 10. 1038/ nrm 2005

Способ создания вакцины • 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.

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 N 1, 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 репликацией HIV-1 с помощью этой системы управление Construction of a live-attenuated HIV-1 vaccine through genetic code expansion. Wang N 1, Li Y, Niu W, Sun M, Cerny R, Li Q, Guo J. Angew Chem Int Ed Engl. 2014 May 5; 53(19): 4867 -71.

Ослабленная вакцина (аttenuated vaccine) Ослабленная вакцина создана путем уменьшения вирулентности патогена, но все еще оставляет его жизнеспособным. Человеку вводят: • Модифицированный вирус HIV-1 со стопкотодонами • Дополнительный безвредный вирус кодирующий т. РНК и аминоацил-т. РНКсинтетазу 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 Cys Phe Trp Thr Tyr Ser Pro Met Lys Leu Ile Год Источник Кто впервые выделил 1899 1881 1902 1925 1848 1865 1901 1922 1889 1820 1904 Вещество рога Ростки люпина Казеин Белки овса Казеин Шёлк Казеин Мышечные волокна Фибрин К. Мёрнер Э. Шульце, Й. Барбьери Ф. Гопкинс, Д. Кол С. Шрайвер и др. Ф. Бопп Э. Крамер Э. Фишер Д. Мёллер Э. Дрексель А. Браконно Ф. Эрлих Глутаминовая кислота Glu 1866 Растительные белки Г. Риттхаузен Глицин Гистидин Гидроксипролин Гидроксилизин Валин Аспарагиновая кислота Аргинин Аланин Val 1820 1896 1902 1925 1901 Желатин Стурин, гистоны Желатин Белки рыб Казеин А. Браконно А. Кессель, С. Гедин Э. Фишер С. Шрайвер и др. Э. Фишер Asp 1868 Конглутин, легумин Г. Риттхаузен Arg Ala 1895 1888 Вещество рога Фиброин шелка С. Гедин Т. Вейль Цистеин Фенилаланин Триптофан Треонин Тирозин Серин Пролин Метионин Лизин Лейцин Изолейцин Gly His

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, 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 Классификация по необходимости для организма 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, 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.

Незаменимые аминокислоты

Классификация аминокислот

Оптические свойства аминокислот Только L форма! Рацемизация — преобразование оптически активного вещества или смеси, где присутствует только один энантиомер, в смесь, содержащую более одного энантиомера. Исключение метионин

Химические свойства аминокислот Аминокислоты являются амфотерными соединениями. Могут действовать как основание H 2 N–CH 2–COOH + HCl = Cl- [H 3 N–CH 2–COOH]+ Так и как кислота: H 2 N–CH 2–COOH + Na. OH = H 2 N–CH 2–COO- Na+ + H 2 O Однако находясь в полипептидной цепи, их свойства определяются группами боковых радикалов.

Химические свойства аминокислот Кислотно-основные свойства p. H 1 Заряд +1 Катионная форма p. H 7 Заряд 0 Цвиттерион (нейтральный) p. H 13 Заряд -1 Анионная форма 23

Химические свойства аминокислот amino acid

Аминокислоты, названия Глицин Аланин Валин Изолейцин Лейцин Пролин Серин Треонин Цистеин Метионин Аспарагиновая кислота Аспарагин Глутаминовая кислота Глутамин Лизин Аргинин Гистидин Фенилаланин Тирозин Триптофан Gly Ala Val Ile Leu Pro Ser Thr Cys Met Asp Asn Glu Gln Lys Arg His Phe Tyr Trp G A V I L P S T C M D N E Q K R H F Y W Glycine Alanine Valine Isoleucine Leucine Proline Serine Threonine Cysteine Methionine aspar. Dic acid asparagi. Ne glu. Etamic acid Q-tamine before L a. Rginine Histidine Fenylalanine t. Yrosine t. Wo rings Гли Ала Вал Иле Лей Про Сер Тре Цис Мет Асп Асн Глу Глн Лиз Арг Гис Фен Тир Три

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 В 1958 г. С. была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина» Фредерик Сенгер

История установления структуры белка • В 1945 г 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 1949 г 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

Секвенирование белка = установление первичной структуры

Секвенирование белка = установление первичной структуры 494 Procise protein/peptide sequencer

Секвенирование белка = установление первичной структуры

Генетический код

Генетический код Marshall W. Nirenberg and Heinrich J. Matthaei (1962) made their own simple, artificial m. RNA and identified the polypeptide product that was encoded by it.

Генетический код Триплетность – Вырожденность - Универсальность

Компьютерное определение структуры

Вторичная структура белка это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействия между функциональными группами пептидного остова.

Вторичная структура белка α-Спираль • Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая αспираль (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 NHгруппой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. • Неполярные или амфифильные αспирали с 5 -6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах

Вторичная структура белка Спираль коллагена • 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 • В отличие от αспирали образование водородных мостиков здесь невозможно. • Структура стабилизирована а з 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 βαскладчатая структура с почти линейными Hмостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друга.

Вторичная структура белка β-Петля • 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 180 о). • Оба приведенных на схеме варианта петли (типы I и II) встречаются довольно часто. • Обе структуры стабилизированы водородным мостиком между 1 и 4 остатками

Предсказание вторичной структуры белка Точность современных методов достигает 80%

Третичная структура белка это пространственное строение всей молекулы белка, состоящей из единственной цепи

Третичная структура белка • 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 Джеймс Бетчеллер Самнер ферментов» . американский биохимик

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 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.

Предсказание третичной структуры белка 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 Подходы к предсказанию 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.

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-цепипо 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 электронновычислительную 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.