Funkcije proteinov, pogojene s strukturo

• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb)

• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)

• Oporna funkcija (strukturni proteini: keratini, kolagen)

• Kontraktilni proteini

• Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane

• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze ...)

• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig)

• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

KRATKA PONOVITEV

Transport/skladiščenje določenih molekul - proteini, ki vežejo kisik

Mioglobin (Mb)

• 1 polipeptidna veriga• Vsebuje 1 prostetično skupino hem• Hem – mesto vezave kisika (O2)• Funkcija: skladiščenje kisika v mišicah

Hemoglobin (Hb)

• 4 podenote 2 α in 2 β (αβ)2

• Vsebuje 4 prostetične skupine hem• Hem – mesto vezave kisika (O2)• Funkcija: prenos kisika po krvi od pljuč do tkiv

Globinsko zvitje

Mb β Hb

Hemoglobin je alosterični protein

• Vezava liganda (modulatorja) na eno vezavno mesto spremeni vezavne lastnosti drugih vezavnih mest

• Konformacijska sprememba, povzročena z vezavo modulatorja: manj aktiven protein v bolj aktiven protein (ali obratno)

• Modulatorji: inhibitorji ali aktivatorji

• Hb: modulator – aktivator O2 - pozitivni homotropični modulator vezave O2 na Hb (kooperativna vezava, značilna sigmoidna krivulja)

• Hb: modulatorji – inhibitorji: CO2, H+, BPG negativni heterotropični modulatorji vezave O2 na Hb –vsi se vežejo na Hb z obratno afiniteto kot O2

Konformacijska sprememba v Hb v bližini hema po vezavi O2

Konformacija T (neaktivna)

Konformacija R (aktivna)Negativna alosterična

modulacija s H+

Najpomembnejši človeški Hb

Vrsta Struktura podenot Razširjenost HbA (odrasli) α2β2 97% Hb odraslih

HbA2 (odrasli) α2δ2 2-3% Hb odraslih

HbF (fetalni) *α2γ2 Najpomembnejši Hb v 3. trimestru nosečnosti

*α2γ2 veže z manjšo afiniteto BPG → večja afiniteta Hb do O2

DNA-vezavni proteini omogočijo nastanek kompleksa, ki sproži prepisovanje - transkripcijo

DNA-vezavni proteini (transaktivatorji, transkripcijski faktorji) imajo DNA vezavnoin transaktivacijsko domeno.

Domena proteina - aminokislinsko zaporedje z neodvisnim vzorcem zvijanja, ki se pojavi v razičnih proteinih

Modularna struktura TF. S kombinacijami (npr. homodimeri in heterodimeri) je omogočenih večještevilo regulatornih vlog.

Najpogostejše DNA vezavne domene:-cinkov prst (steroidni jedrni receptorji)

-Homeodomena (vijačnica-zavoj-vijačnica (helix-turn-helix) (TF zgodnjega

embrionalnega razvoja)

Pogoste transaktivacijske domene (za interakcije z drugimi proteini)

- levcinska zadrga (od cAMP odvisni TF, npr. CREB. CREM, ATF-1)

-Bazične vijačnica-zanka-vijačnica (helix-loop-helix) (mišični TF Max)

http://p53.bii.a-star.edu.sg/images/common/aboutp53/simpleProt.png

- Vsebujejo 2 lahki (Mr = 25 kDa) in 2 težki (Mr = 55 kDa) verigi

-Sesalci imamo 5 vrst imunoglobulinov: IgA, IgD, IgE, IgG and IgM.

-Imunoglobulini pri sesalcih imajo enake lahke verige (λ, κ), razlikujejo se po tipu težke verige(γ, α, μ, δ, ε)

-Imunoglobulinsko domeno sestavljata dva para antiparalelnih beta ploskev, ki so povezane z disulfidnimi mostički in hidrofobnimi interakcijami.

Immunoglobulini

Sestava lipoproteinov

TAG Fosfolipidi Holesterol in estri

Proteini

Hilomikroni +++ - - - VLDL ++ + + - LDL - + ++ + HDL - + + ++

- manj kot 10% + 20-40% ++ 40 – 80% +++ več kot 80%

Gostota: proteini > fosfolipidi > holesterol in estri > TAG

Lipoproteini so nadmolekulski kompleksi lipidov in proteinov

Funkcije proteinov, pogojene s strukturo

• Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb)

• Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini)

• Oporna funkcija (strukturni proteini: keratini, kolagen)

• Kontraktilni proteini

• Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane

• Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze ...)

• Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig)

• Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

Globularni proteini

• Terciarna struktura - več vrst sekundarne strukture

• Hidrofobni ak ostanki v notranjosti, hidrofilni na zunanjosti

• Povezovanje v kvartarno strukturo in supramolekulske komplekse (vodikove vezi, ionske interakcije, -S-S- vezi)

• Kvartarna strutura je dinamična strukura, topna v vodi

Fibrilarni proteini

• Terciarna struktura iz ene vrste sekundarne strukture

• Hidrofobni ak ostanki v notranjosti in na zunanjosti

• Povezovanje v kvartarno strukturo in supramolekulske komplekse (hidrofobne interakcije, vodikove vezi, kovalentne vezi)

• Kvartarna strutura je trdna strukura, netopna v vodi

Strukturne značilnosti proteinov

Globularni proteini

• prenašalna - transportni proteini (Mb, Hb)

• regulatorna (DNA vezavni proteini) • signalna – hormoni• katalitska – encimi• obrambna – protitelesa• skladiščna – proteini v mleku

(kazein), proteini jajčnega beljaka (ovalbumin)

Fibrilarni proteini

• oporna - strukturni proteini (lasje, koža, vezivno tkivo, znotrajcelični filamenti, zunajcelični matriks)

Struktura proteinov pogojuje njihovo funkcijo

Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov

sekundarna struktura značilnosti primerα-vijačnicapeptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički

čvrsta netopna struktura

•keratini•Intermediarni filamenticitoskeleta•lasje, nohti, •povrhnjica kože •spektrin v eritrocitih •distrofin v mišicah

β-konformacijapeptidne verige povezane s H-vezmi

mehka, upogljiva vlakna

fibroin svila

kolagenska vijačnica peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi, hidrofobnimi in H-vezmi

čvrsta netopna struktura,visoka natezna moč, ni raztegljiv

kolagenkite, hrustanec, organski matriks kosti, koža, roženica

povrhnjica koželasjedlaka nohti

krempljiperje

•sestavljeni predvsem iz desnosučne α-vijačnice s hidrofobnimi AK

•α-vijačnice so med seboj povezane s hidrofobnimi interakcijami in disulfidnimi mostički v ovito vijačnico (colied coil)

•najtrši α-keratin (nosorogov rog) vsebuje 18% cys

•Podobno strukturo kot keratini imata tudi spektrin in distrofin

Keratini - družina živalskih proteinov

cistein

Coiled‐coil(obvita vijačnica)

• Keratinski dimer (monomerni podenotista postavljeni paralelno)

Desnosučna alfa vijačnica v keratinu

a

eb

f

cg

d

d

g

a

c

f

be

Heptadna ponovitev aminokislin v keratinu

• Zaporedje 7 kislin, vsaka prva (a) in četrta (d) sta hidrofobni(npr. Ala, Val, Ile, Phe, Trp), medtem ko so na pozicijah (e) in (g) pogosto negativno in pozitivno nabite aminokisline (Lys, Arg, Asp, Glu). To omogoča nastanek desnosučne α‐vijačnice.

• S puščicami so označene morebitne ionske interakcije (vezi) znotraj posamezne vijačnice ali pa med dvema vijačnicama v dimeru.

• S prekinjeno linijo so označene hidrofobne vezi med vijačnicamaM. Liović

Keratini v epitelijskih celicah kože

•Keratini tvorijo roževinasto plast kožne povrhnjice •Znanih vsaj 15 različnih molekul keratina v koži•Heterodimeri (Tip I + Tip II)•α-keratin v laseh in nohtih – privesek/podaljšek keratinov v kožni povrhnjici

Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Domene α-keratina

Paralelni heterodimer iz Tipa I in Tipa II keratinskih polipeptidov

Tip I - kisliTip II - bazični

• oko

• mukoza ust

• v koži in pri zaraščanju ran

• epidermis, višji sloji

• “enostaven” epitelij(črevesje, ledvica, jetra, trebušna

slinavka)

• bazalne celice epidermisa

stra

tifi

ed, b

arri

ers i

mpl

e

K2e

K9K2pK10K1

K12K3

K18K8

K13K4

K7 K20

K16K6aK17K6b

K19K14K5 K15

Keratini kožnega epitelija

Tip II (bazični) Tip I (kisli)

M. Liović

Plasti človeške kože

Celice povrhnjice (epidermisa) povezujejo desmosomi,nanje so pripeti znotrajcelični keratinski filamenti

Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Epidermolysis bulosa vzrok: točkovna mutacija

v genu za K5 ali K14posledica: strižne napetosti

ob mehanskem pritisku → celice niso čvrste → mehurji na koži

Epidermolitična hiperkeratozavzrok: točkovna mutacija

v genu za K1 in K10posledica: mehurjenje kože,

razpoke v koži

Genske bolezni

• Mutacije v teh strukturnih proteinih preprečijo nastajanje funkcionalne mrežeintermediarnih filamentov citoskeleta = krhkost/povečana občutljivost celic na fizične in kemijske dejavnike

Normalna

Mutanta

daymix.com/Keratin/

Keratini v intermediarnih vlaknih

www.nature.com/.../n2/fig_tab/5600160f1.html

Vloga intermediarnih filamentov

•osnovna polipeptidna veriga: desnosučna α-vijačnica, veliko hidrofobnih ak (Ala, Val, Ile, Met, Phe)

• kvartarna struktura: levosučna spirala iz 2 desnosučnih α-vijačnic (protofilament)• protofibrila – vlakence (supermolekulski kompleks)

Struktura lasu: α-keratin

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

sekundarna/terciarna Struktura(desnosučne vijačnice)

kvartarna struktura

supramolekuski kompleks

kvartarna struktura

(levosučna spirala)

Prečni prerez lasu

α-keratin

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Da las zraste cca 15 cm v enem letu, se mora tvoriti 9.5 zavojev vijačnice na sekundo….. ☺

Keratini v laseh imajo razteznost – kodranje las

-Alfa vijačnice keratina se ob segrevanju lahko raztegnejo, dokler ne dosežejo polnoraztegnjene beta strukture. Ob ohlajanju se spet spontano zviejjo v vijačnico.

-Raztezanje tudi v vlažnem - mokri lasje so bolj ravni.

-Trajna – z reducentom razbijemo disulfidne mostičke med keratinskimi vijačnicami. Ko se vzpostavljajo novi disulfidni mostički, se lahko povežejo S atomi, ki niso najbližje skupaj – lasse skodra.

L. Norlén, A. Al-Amoudi, J. Invest. Dermatol., 2010

Pakiranje keratina v roženici v supramolekularne strukture

Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov

sekundarna struktura značilnosti primerα-vijačnica peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički

čvrsta netopna struktura keratini

•Intermediarni filamenticitoskeleta•lasje, nohti, •povrhnjica kože •spektrin v eritrocitih •distrofin v mišicah

β-konformacijapeptidne verige povezane s H-vezmi

mehka, upogljiva vlakna fibroin svila

kolagenska vijačnica peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi, hidrofobnimi in H-vezmi

čvrsta netopna struktura,visoka natezna moč, ni raztegljiv

kolagenkite, hrustanec, organski matriks kosti, koža, roženica

organ/tkivo delež kolagena (%)jetra 4

pljuča 10aorta 12-24

hrustanec, kite 50 – 90roženica 64

demineralizirane kosti 90koža 50-70

•kolagen se nahaja v vseh tkivih/organih, celicam daje oporo/trdnost

•25% proteinov odraslega človeka, 14-20% otroka

•dolga življenjska doba: nekaj tednov (žile, brazgotine) do nekaj let (kosti)

•denaturirani kolagen – želatina, nima hranljive vrednosti

Kolagen – protein ekstracelularnega matriksa (EM)

Kolagen

• sekundarna struktura: levosučna kolagenska vijačnica, α-veriga, 3 ak/zavoj

• ak sestava: 35% Gly, 11% Ala, 21% Pro in 4-Hyp

• ak zaporedje (nekaj 100 ponovitev) ponavljajoči se triplet Gly-Pro-X in Gly-X-Hyp (hidrofobne interakcije

• kvartarna struktura: desnosučna trojna vijačnica iz α-verig(tropokolagen), povezava med polipeptidnimi verigami preko OH-Pro, OH-Lys in H-vezi

• Hidroksilacija ak – posttranslacijsko, potreben vitamin C

• supermolekulski kompleks – kolagenska fibrila - 100 do 1000 molekul tropokolagena, debelina od 10 do 300 nm- paralelno organizirane fibrile (kite) prereza 1mm nosijo težo 10 kg

• 20 različnih molekul kolagena (I – XX); I, II, III, IV, VI, XI – fibrilarni)

balancenoosa.wordpress.com/

Aminokisline kolagena

Struktura kolagenskih vlakenc (fibril)

(a) α veriga kolagena – ponavljajoči se triplet Gly-X-Pro ali Gly-X-Hyp; levosučna vijačnica

(b) Prostorsko zapolnjen model iste α verige(c) Tri polipeptidne verige zvite v desnosučno

vijačnico – superheliks (tropokolagen)(d) Prečni prerez superheliksa pod (c): v

nitranjosti ostanki Gly (rdeče kroglice)

KolagenStruktura in medsebojna povezava polipeptidnih verig (α verig)

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Kolagen vsebuje trojno alfa vijačnico

T. Andrew Taton Nature 412, 491-492(2 August 2001)

Organizacija kolagenskega vlakna

Tropokolagen (300 x 1,5 nm), sestavljen iz 3 α-verig (2 α1, 1 α2)

Organizacija tropokolagena v kolagenske fibrile –strukturo stabilizirajo kovalentne vezi preko hidroksiliranih ak

Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Kolagen kot sestavina ekstracelularnega matriksa

Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Posttranslacijsko zorenje molekul kolagena

preprokolagen s propeptidi

hidroksilacija,glikozilacija ak

prokolagen

tropokolagen →fibrile v EM

Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Kolagen in bolezni

-Do sedaj je poznanih 29 tipov kolagenovv telesu

-Več kot 90% predstavljajo kolageni tipov I, II, III, in IV.

-Bolezni, povezane z nepravilnostmi kolagena so dedne, lahko pa nastanejo tudi zaradineustrezne prehrane, ki vpliva na po-translacijske spremembe ali druge procese, pomembne v izgradnji kolagena.

-Skorbut – pomanjkanje vitamina C (askorbinske kisline) prepreči hidroksilacijo prolina. To poruši strukturo kolagena.

Presnova kolagena se spreminja s staranjem in boleznimi

• staranje: zmanjšanje količina kolagena, nastane več prečnih povezav med molekulami tropokolagena – krhkost vezivnega tkiva

• sinteza kolagena poraste po poškodbi – brazgotine vsebujejo veliko kolagena

• v jetrih se ob boleznih parenhimske celice nadomestijo s fibroznim vezivnim tkivom (ciroza jeter)

• nekatere patogene anaerobne bakterije (Clostridium histolyticum) vsebujejo kolagenaze → gas gangrena (plinska gangrena) → nekroza tkiva

bolezen vzrok simptomi

skorbut pomanjkanje vitamina C krvavenje dlesni, izpadanje zob, degeneracija kosti slabo celjenje ran

osteogenesis imperfecta nenormalni gen za kolagenmutacija Gly → Ser ali Cys

nenormalen nastanek kosti pri dojenčkih, krhke kosti, deformacija skeleta/smrt

Ehlers-Danlos-ov sindrom nenormalni gen za kolagenmutacija Gly → Ser ali Cys

preobčutljiva lomljiva koža, hipermobilni sklepi, slabo celjenje ran

Primeri bolezni, ki izvirajo iz nenormalne sinteze kolagena

Vitamin C je antioksidant

keratin kolagen

desnosučna α-vijačnica levosučna prolinska vijačnica

kvartarna struktura - levosučni dvojni heliks stabilizirajo hidrofobne in -S-S- interakcije

kvartarna struktura -desnosučni trojni heliks stabilizirano Pro/Pro in OH-Pro povezave

Supramolekulske kompleksestabilizirajo hidrofobne interakcije

Supramolekulske komplekse stabilizirajo povezeve preko OH-ak

Strukturna funkcija: citoskelet (intermediarni filamenti), lasje, nohti, keratini v koži

Strukturna funkcija ekstracelularnega matriksa

Primerjava fibrilarnih proteinov keratina in kolagena