1. Struktura proteinu

Struktura a funkce biomakromolekul
KBC/BPOL
1. Typy proteinových struktur
Ivo Frébort
Architektura proteinů

Tvar - globulání nebo fibrilární

Úrovně proteinové struktury
Primární
Sekundární
Terciární
Kvarterní
- sekvence
- lokální struktury - H-vazby
- celková 3-D struktura
– podjednotky
Interakce vytvářející jednotlivé úrovně struktur

Primární struktura – kovalentní vazby

Sekundární, terciární a kvarterní struktury
vytvořené slabými interakcemi:
H-vazby, iontové interakce, van der Waalsovy
síly, hydrofobní interakce
Interakce vytvářející jednotlivé úrovně struktur
Interakce postranních řetězců aminokyselin
Další chemické skupiny v proteinech

Pokud existuje skupina jiná než aminokyselina
důležitá pro funkci proteinu, nazývá se
prosthetická skupina

Glykoproteiny, lipoproteiny, nukleoproteiny,
fosfoproteiny, metaloproteiny, hemoproteiny,
flavoproteiny.
Geometrie peptidové vazby
Roviny peptidové vazby
Stérická omezení pro úhly phi a psi
Překryv orbitalů neumožňuje některé kombinace úhlů
 phi = 180, psi = 0
 phi = 0, psi = 0
 phi = 0, psi = 180


G. N. Ramachandran demonstroval význam
grafického znázornění těchto úhlů pro známé
prosteinové struktury
Stéricky výhodné kombinace jsou základem
preferovaných sekundárních struktur
Úhly phi a psi
Ramachandranův diagram
Třídy sekundárních struktur
 a-helix
 Další helixy
 b-skládaný list
 b-otočka (b-ohyb, těsná otočka)
 b-výduť
Všechny tyto struktury jsou stabilizovány
vodíkovými vazbami
a-Helix









Strukturu předpověděli Linus Pauling a Robert
Corey in 1951
Identifikována v keratinu (Max Perutz)
Všudypřítomná složka proteinů
Stabilizována H-vazbami
Residuí na otočku: 3.6
Stoupání na jedno residuum: 1.5 Å
Stoupání na otočku: 3.6 x 1.5 Å = 5.4 Å
Smyčka kostry, která je uzavřena vodíkovou
vazbou v alfa helix obsahuje 13 atomů
phi = -60 stupňů, psi = -45 stupňů
a-Helix
b-skládaný list
Složený z b-vláken
Také navrhli Pauling a Corey, 1951
 Vlákna mohou být paralelní nebo
antiparalelní
 Stoupání (délka) na residuum:


 3.47 Å pro antiparalelní řetězec
 3.25 Å pro paralelní řetězec
b-skládaný list
Antiparalelní a paralelní b-skládaný list
b-otočka



Umožňuje otočení směru peptidového řetězce
Kyslík karbonylové skupiny jednoho residua je
vázán H-vazbou na amidový proton o 3 residua
dále
V těchto strukturách převažují prolin a glycin
b-výduť (bulge)
Způsoby zobrazení proteinových struktur
Fibrilární proteiny




Většina polypetidového řetězce je organizována paralelně
k jediné ose
Fibrilární proteiny jsou často mechanicky pevné
Fibrilární proteiny jsou často nerozpustné
V přírodě zastávají strukturní funkce
 a- keratin - součást vlasů, nehtů, drápů, rohů a zobáku
 Kolagen - klouby, kosti, zuby
 b- keratin – hedvábí
a- keratin
Sekvence 311-314 amk a-helix segmentů
 Motiv 7 opakujících se residuí (a-b-c-d-e-fg)n, kde residua a a d jsou hydrofobní
 Umožňuje to spojení řetězců.

Kolagen – trojitý helix





Strukturní jednotka je tropokolagen:
 Tři polypeptidové řetězce (každý 1000 residuí)
 MW = 285.000, délka 300 nm, průměr 1.4 nm
Každá třetí aminokyselina je Gly, vysoký obsah Pro
Obsahuje neobvyklé aminokyseliny: 3 a 4-hydroxyprolin, 5-hydroxylysin
 Prolin a jeho hydroxyderiváty tvoří 30% aminokyselin
Neobvyklé složení aminokyselin je nevhodné pro tvorbu alfa helixů a
beta skládaných listů, je však ideální pro trojšroubovici kolagenu:
Tři svinutá helikální vlákna, širší než a- helix
 stoupání 2.9 Å na residuu
 3.3 residuí na otočku
 dlouhé úseky Gly-Pro-Pro/HyP
Struktura kolagenu
Strukturní základy trojšroubovice kolagenu
Každé třetí residuum je směrováno do středu trojšroubovice –
pouze Gly se tam vejde
 Meziřetězcové H-vazby hydroxyprolinů stabilizují helix
 Vlákna jsou dále zpevněna interakcemi v rámci řetězce mezi
lysiny a hydroxy-pyridiniovými vazbami mezi řetězci

Kolagenová vlákna
Opakující se strukturní motiv 68 nm dlouhý
 Tropokolagenové jednotky jsou 300 nm dlouhé, existuje 40 nm
mezera mezi sousedícími tropokolageny
 Tyto mezery obsahují sacharidy a jsou považována za
zárodečná místa pro tvorbu kostí

b-keratin
Střídající se sekvence: Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser....
 Residua b-skládaného listu jsou střídavě umístěna nad
a pod rovinou, dochází k umístění všech Gly na jednu
a Ala a Ser na druhou stranu!
 To umožnuje Gly na jedné straně spojení s Gly na
straně druhé (stejné platí pro Ala/Ser)

b-keratin
Globulární proteiny



Většina polárních residuí směřuje vně proteinu a je v
kontaktu s rozpouštědlem
Většina hydrofobních residuí se nachází uvnitř proteinu,
kde dochází k jejím vzájemným interakcím
Poměr součtu objemů všech residuí k celkovému objemu je
0.72 až 0.77-- existují prázdné prostory - dutiny
Polarita a-helixu
Obojetná helix ve
flavodoxinu
Nepolární helix v
citrátsynthase
Polární helix v
calmodulinu
Globulární proteiny- strukturní principy





Složení proteinu není náhodné
Strukturní elementy a domény se mohou do určité
míry pohybovat
Některé segmenty jsou velmi flexibilní a
neuspořádané
Pro pochopení funkce proteinu je důležité znát
způsoby a rychlosti změn
Typy globulárních proteinů
 Antiparalelní alfa helixy
 Paralelní a smíšené beta skládané listy
 Antiparalelní beta skládané listy
 Metaloproteiny a proteiny obsahující disulfidové
vazby
Antiparalelní a-helixy



Nejjednodušší způsob skládání helixů – krátké spojovací
smyčky a antiparalelní struktury
Svazek helixů se často stáčí mírně doleva (15 stupňů)
Příklady - myoglobin a hemoglobin
Antiparalelní a-helixy
Paralelní a smíšené b-skládané listy




Paralelní b-skládané listy obsahují nepolární
residua na obou stranách listu
Obě strany listu musí být chráněny před kontaktem
s rozpouštědlem - jedná se o vnitřní struktury
Paralelní b-barely
Dvojitě vinuté paralelní b-skládané listy
ParalelníParalelní
b-barelbeta barel
Dvojitě vinuté paralelní b-skládané listy
Antiparalelní b-skládané listy




Antiparalelní b-skládané listy obsahují
nepolární residua pouze na jedné straně listu
Pouze jedna strana musí být chráněna před
kontaktem s rozpouštědlem
Antiparalelní b-skládané listy můžou tedy
obsahovat pouze dvě vrstvy
Struktury: barel, beta sandwich a listy pokryté
helixy na jedné straně
Antiparalelní b-skládané listy: barel
Antiparalelní b-skládané listy: sandwich
Antiparalelní b-skládané listy: list pokrytý helixy
Metaloproteiny a proteiny obsahující
disulfidové vazby
Většinou méně než 100 residuí
 Struktura značně ovlivněna koordinační vazbou
na kov a/nebo disulfidovými můstky
 Nestabilní když je kov odstraněn nebo disulfid
chemicky redukován

Proteinové moduly




Řada proteinů je tvořena jako skládačka dvou či více
modulů (domén)
Každý takovýto modul je typickou strukturní jednotkou,
která může být nalezena i v jiných proteinech
Někdy jsou moduly použity opakovaně v rámci jednoho
proteinu
Použití modulů v přírodě má genetický základ
Proteinové moduly
Proteinové domény v různých organismech
Funkční a evoluční význam domén
fibronectin
DNA-binding proteins
Kvarterní struktury



Stabilita: redukce poměru povrch k objemu
Efektivita uložení genetické informace
Sdružování katalytických míst - kooperativita
Kvarterní struktury: oligomery
Kvarterní struktury: asociace
Kvarterní struktury: imunoglobuliny
Literatura


Garett, R. and Grisham, C.: Biochemistry 2nd ed.,
Harcourt Brace & Company, Orlando, FL, USA 1999
Alberts, B.: Molecular Biology of the Cell, 5th ed.,
Garland Science, New York, NY, USA 2008