Januari 2011/LGM

Visualisering av proteinstrukturer

Detta häfte är utformat för att studera proteinstrukturer. Genom att inhämta relevanta

strukturer från en Protein data Bank och med hjälp av programmet PyMOL ska ni själva

bekanta er med olika proteiner se hur de fungerar, inbindning av läkemedel till proteiner

mm.

Protein data bank

I ett samarbetsprojekt kallat Research Collaboratory for Structural Bioinformatics

deponeras alla koordinater från strukturer lösta med hjälp av NMR eller

röntgenkristallografi. Detta är en stor databas som innehåller 70813 deponerade

proteinstrukturer och DNA strukturer (26 januari 2011).

Figur 1. Startsida från PDB inhämtad från www.rcsb.org

Strukturstudier av karboanhydras

Du vill studera strukturen på humant karboanhydras II och vill därför inhämta

koordinaterna för detta enzym. Nedan följer därför instruktioner för att hämta hem

proteinstrukturer.

1) Gå till internetadressen www.rcsb.org/pdb/ . Från denna hemsida kan du nu söka efter

olika proteinstrukturer och länkar med relevant information om proteinstrukturer.

2) Gå under search för att söka på nyckelord, PDB kod eller författare.

3) Skriv carbonic anhydrase vid rubriken ”search ”. Du har nu fått en lista på ett 377

”structure hits” (26 Mars 2011) dvs 377 olika karboanhydras strukturer (Figur2)

Figur 2. PDB resultat av sökning ”carbonic anhydrase.

4) Antag, att du nu vill veta mer om strukturen humant karboanhydras II dvs PDB kod

2CAB. Detta gör du genom att klicka på proteinstrukturen eller skriva in 2CAB i

”search” fältet.

Från denna sida får du en kort sammanfattning om proteinet med olika kristallografiska

parametrar såsom upplösning, R-värde och rymdgrupp. (Figur 3)

Figur 3. Resultat efter sökning på PDB kod 2CBA

5) För att kunna ladda ned koordinaterna för denna struktur gör ni så här: Klicka på

DOWNLOAD FILES i vänsterspalten och ni får upp nedanstående sida (Figur 4)

Figur 4. Sida för nedladdning av pdb filer (koordinater).

5) Under ”Enter PDB file” skriv in 2CBA i textrutan. Klicka för ”PDB format” under

”download type” och ”uncompressed” under ”compression type” (Figur 4)

Fönstret file.. save as öppnas och du kan nu spara koordinaterna under lämplig katalog.

Du har nu i din dator koordinaterna för proteinet Humant Karboanhydras II och

fortsättningsvis kommer du använda dessa koordinater tillsammans med ett

molekylvridningsprogram för att visualisera strukturen.

Tips: Om du vet PDB koden kan du ladda ned flera proteiner samtidigt genom att

skriva in PDB koderna efter varandra i textrutan.

PyMOL

Det program ni skall använda för att visualisera olika strukturelement är ett freeware

program för användare inom utbildning och akademi som kan laddas ned.på följande

websida, www.pymol.sourceforge.net.

I detta program kan ni bland annat vrida molekyler, färga in olika strukturelement, mäta

avstånd samt mycket mera.

Programmet är uppdelat i två olika fönster ett textfönster och ett grafikfönster. I

textfönstret laddar man ned strukturen, gör olika inställningar, visar aminosyrasekvens

mm, medan i det grafiska fönstret, kan man modifiera strukturen, vilken typ av

visualisering såsom sekundärstrukturmotiv (Cartoon) eller alla sidokedjor mm.

Figur 5. Pymol utseende efter öpppnande av PDB fil (File...Open).

För att lättare se sekundärstruktur (-helixar och -strängar). Klicka på H(ide) everything och sedan

S(how) Cartoon och ni får nedanstående proteinstruktur (Figur 6)

Figur 6. Struktur i PyMol med illustrerad sekundärstruktur (Cartoon).

Övningsexempel

Uppgift 1: Karboanhydras:

För att studera proteinet skall vi nu använda de koordinater som ni nyss hämtat hem från

Protein Data Bank eller fått tilldelade och använda dessa koordinater för att studera

proteinet.

Följande PDB filer behövs för detta moment: 2CBA (Humant karboanhydras II), 1CNW

(Humant karboanhydras me inhibitorn,sulfonamid), 1KOP (karboanhydras från bakterien

Neisseria gonorrhoeae)

Aktiva ytan och metallbindning

1) Öppna programmet: Klicka på PyMOL-ikon på skrivbordet eller klicka på någon av

ikonerna för koordinaterna 2CBA.

2) Öppna filen: Klicka på FILE.Open i textfönstret. Proteinet illustreras komplett med

sidokedjor, vatten och ligander. (Figur 5)

3) För att lättare kunna visualisera strukturmotiv gör ni följande gå till högerspalten i

grafikfönstret, Klicka på H(ide) och klicka på everything.

4) Klicka sedan på S(how) fortfarande i högerspalten och klicka på Cartoon. På

bildskärmen kan du nu se HCA II illustrerad med enbart sekundärstrukturelement. (Figur

6)

5) Bekanta dig med knapparna på musen för att t.ex. kunna rotera, translatera och zooma

molekylen.

6) För att illustrera olika sidokedjor t.ex. karboanhydras metalligander görs på följande

sätt. Gå till DISPLAY i textfönstret, klicka på Sequence.

Aminosyrasekvensen (som enbokstavskod!) visas då i överkanten av grafikfönstret.

Klicka på H94, H96 och H119. Gå till högerkanten av grafikfönstret under (sele) och

klicka på S(how) och klicka sedan på Sticks. Metalliganderna visas då på skärmen.

Bindning av inhibitor (sulfonamid) till karboanhydras

1) Öppna filen 1CNW och kolla hur inhibitorn binder till aktiva ytan.

2) illustrera 1CNW som yta genom att klicka S(how) och ”surface”.

Strukturellt släktskap bakteriellt karboanhydras och humant karboanhydras

1) Öppna filerna 1KOP. I fönstret får ni upp två proteinmolekyler. klicka

Display...”Sequence” . Ni får då aminosyrasekvensen för de två

proteinmolekylerna i grafikfönstret. Ta bort den ena proteinmolekylen genom att

klicka ”sequence mode”.....”Chains”. I grafikfönstret är nu sekvensen illusterad

med A oh B. Klicka på B och gå till menyn till höger och (sele) och A(ction) och

sedan ”remove atoms”

2) Centrera molekylen med A(ction) och ”center”. Illustrera strukturen med

”Cartoon”. Vad finns det för skillnader och likheter mellan denna struktur och den

humana strukturen?

3) Jämför strukturerna genom att öppna PDB kod 2CBA. Illustrera strukturen med

”Cartoon”. Under 2CBA fliken klicka på A(ction)...Align....1KOP. Strukturen

passas nu till varandra och man ser tydligare skillnader i strukturen

4) Klicka på Display......”sequence” (sequence mode residues). Klicka på Cys28 och

Cys181. Illustrera dessa aminosyror som ”sticks” under fliken (sele) och S(how).

Färga sedan in dem genom att klicka på C(olor) och välj valfri färg.

5) Bakteriellt karboanhydras har en disulfidbrygga i denna position och som skiljer

sig från den humana varianten.

Övningsexempel för olika strukturmotiv i proteiner

Motiv i protein Strukturer

Aspartate transcarbamoylase 1ACM

Bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) 1AAL

Human Carbonic anhydrase II 2CBA

Erabutoxin 3EBX

Flavodoxin 0FX2

Plastocyanin 1IUZ

Staphylococcus nuclease 1A2T

Subtilisin 1AK9

Thioredoxin 1SRX

Triose phosphate isomerase 1YPI

Troponin-C 1NCX

1) Identifiera antiparallella och parallella -strängar i humant karboanhydras II, vilka är

vad? Detta är ett exempel på blandade flak

2) Kolla även twisten av strängar (högervriden) i HCA II:s flak

3) Kolla strukturen av Troponin-C, identifiera EF-handen

4) Kolla strukturen av BPTI identifiera ”hairpin-motiv” (fig 2.14)

5) Kolla strukturen av Staphylococcus nuclease, kan du identifiera en ”grekisk nyckel”

från detta motiv?

6) Identifiera en klassisk ”Rossman fold” (motiv) i Triose phosphate isomerase

-domän Strukturer

Cytochrome b562 256B

Myohemerythrin 2MHR

Human Growth hormone 1HGU

Myoglobin 1AZI

ROP protein 1GTO

1) Kolla ”4-helix buntar” i human growth hormone, kolla hydrofil utsida och hydrofob

insida.

2) Kolla ”hopdockningen” human growth hormone

Strukturer

Triose phosphate isomerase 1YPI

Glycolate oxidase 1GYL

tRNAtyr

Synthetase 4TS1

Carboxypeptidase 4CPA

Arabinose binding protein 1BAP

Flavodoxin 1RCF

Ribonuclease inhibitor 2BNH

1) Kolla ”TIM-tunna” av Triose phosphate isomerase (-tunnor)

2) Kolla hur -strängarna bildar tunnan, R-grupperna inuti tunnan bildar en hydrofob

kärna och -helixarna täcker utanför. helixarna hydrofila på utsidan och hydrofoba

på insidan mot -tunnan

3) Lokalisera aktiva ytan i ögletratten vid -strängarnas C-terminaler.

4) Kolla ”hästsko”strukturen på -loop--motivet som repeteras hos ribonuclease

inhibitor.

5) Kolla flavodoxin som exempel på ”open twisted -sheet”. Kolla topologisk

brytpunkt.

6) Identifiera var aktiva ytan sitter på flavodoxin

7) Rita ett topologidiagram över flavodoxin.

Strukturer

Superoxide dismutase 1SXC

Retinol binding protein 1BRP

-lactoglobulin 1BEB

Neuraminidinase 1NNC

-crystallin 4GCR

Hemagglutinin 1HGE

Pyruvate kinase 1PKM

Concanavalin A 1NLS

Pectate Lyase 1IDK

1) Kolla ”up-and-down -sheet” hos superoxide dismutase och retinol binding

protein som bildar en ”tunna”.

2) Kolla ”superbarrel” av neuraminidinase identifiera 4 antiparallella -strängar

som upprepas 6 gånger

3) Identifiera ”grekiska nycklar” hos -crystallin. Gör topologidiagram och

identifiera en grekisk nyckel (varje domän (tunna) består av 2 nycklar)

4) Identifiera ”Jelly-roll” motiv i Concanavalin A

5) Kolla -helix strukturen på Pectate lyase

Folding och flexibilitet

Hen egg white lysozyme 1LPI

Bovine pancreatic trypsin inhibitor 1AAl

Cyclophilin 1A33

CDK2 1AQ1

DsbA 1A2J

GroEl/GroES Komplex 1AON

GroEL 1KID

GroES (NMR struktur ) 1EGS

Ovalbumin 1OVA

Phosphofructokinase 2PFK

1) Kolla strukturen på GroEL och GroES.

2) Kolla strukturen på cyclophilin med dess ovanliga topologi, vad är ovanligt med detta

motiv?

3) Identifiera serpin fold hos ovalbumin.

DNA Strukturer

DNA 127D

Z-DNA 145D

1) Identifiera major- och minor groove i B-DNA strukturerna.

2) Kolla skillnad i uppbyggnad mellan B-DNA och Z-DNA.

DNA igenkänning i prokaryoter med helix-turn-helix motiv

Cro repressor 1ORC

Cro bunden till operator 6CRO

Lambda repressor 1LLI

Lambda repressor med operator 1LMB

Met-repressor 1CMA

CAP-DNA complex 1BER

Trp-repressor 1WRP

434 repressor 2CRO

1) Kolla strukturen av Cro repressorn och kolla hur den binder till DNA

2) Identifiera igenkänningshelixen på Cro repressorn.

3) Kolla hur den binder till major groove i DNA.

4) Kolla hur 434 repressorn binder till DNA försök identifiera de aminosyror

som binder till baserna i major groove.

Strukturmotiv hos eukaryota transkriptionsfaktorer

TATA-box binding protein 1PCZ

-repressor 1LMB

P53 1C26

1) Kolla strukturen på TATA box binding protein och identifiera de olika domänerna,

rita ett topologi diagram

2) Kolla in strukturen av p53 och försök identifiera de olika domänerna, rita ett

topologidagram.

Specifika transkriptionsfaktorer tillhör ett fåtal familjer

Zinc finger DNA complex 1AAY

Leucine zipper GCN4 2ZTA

Glucocorticoid receptor 1LAT

1) Kolla hur ett zink-finger är uppbyggt, hur är Zn koordinerad?

2) Kolla glucocorticoid receptorn, vilken del binder till DNA?

3) Kolla hur en leucine zipper (GCN4) är uppbyggd.

4) Kolla hur -helixarna är ihopdockade och bildar en coiled-coil dimer, vilken

riktning har de?

5) Var i sekvensen dyker detta motiv upp och var hamnar de i rymdstrukturen?

Exempel på enzym katalys: Serin proteaser

Chymotrypsin 1AB9

Elastase 1EZM

Trypsin 1ANE

Subtilisin 1AK9

1) Kolla in kymotrypsin och försök identifiera den katalytiska triaden och se vilka öglor

dessa aminosyror sitter på

2) Försök hitta den bindande fickan och jämför med bindande fickan i trypsin och

elastase

3) Kolla in strukturen på subtilisin, förvissa er om att b- har en ”vänstervriden”

korsförbindelse och att detta undantag är nödvändigt för att den katalytiska triaden

ska bli intakt.

Membranproteiner

Colicin A 1COL

Photosynthetic reaction center 1PRC

Porin (Ompf porin) 1 GFM

1) Kolla strukturen av photosynthetic reaction center och identifiera de olika

subenheterna

2) Kolla strukturen av colicin A, vilka delar av proteinet tror du är inbäddade i

membranet?

Signal transduktion

CH-Ras p21 1AGP

G-protein 1B9Y

Elongation factor Tu 1EFT

Human Growth hormone/receptor 1AXI

Human growth hormone 1HGU

Transducin 1AOR

1. Kolla strukturen av CH-Ras p21, vad för typ av struktur är detta?

2. Identifiera den topologiska brytpunkten, rita topologidiagram

3. Jämför strukturen av H-Ras p21 och elongation factor Tu.

4. Kolla in strukturen av G proteinet kan du identifiera den ”sjubladiga propellern” (

5. Kolla strukturen av human growth hormone med och utan inhibitor, identifiera

bindningssiten. Kan du se några konformationsändringar i de olika strukturerna

Fibrösa proteiner

Collagen 1A3J

Transthyretin 1BM7

Myosin 1B7T

Myosin/Actin komplex(Teoretisk modell) 1ALM

1) Kolla in strukturen av Collagen

2) Kolla in strukturen av transthyretin, identifiera de -strängar som är involverad i

fibrilbildning hos personer som har en punktmutation ValMet

3) Kolla strukturen av Myosin/actin komplexet

Immunsystemets proteiner

Immunoglobulin FAB-fragment 1BAF

HLA-A2 1HLA

T-cell receptor 1AC6

CD4 receptor 1CDH

1) Jämför konstant och variabel domän i immunoglobuliner, identifiera CDR1, CDR2

och

CDR3 i variabla domänen, mellan vilka strängar går de?

2) Kolla om grekisk nyckel kan identifieras i den konstanta domänen och se hur

CDR-regionerna från 2 domäner bildar antigenbindningsställe.

3) Kolla hur konstanta respektive variabla domänen dockar ihop, konstanta delen

ungefär vinkelrätt arrangemang mellan 4-strängsflaken.

4) Kolla hur den variabla domänen med de 6 hypervariabla regionerna kommer nära

varandra

5) Titta på HLA-A2 (MHC), titta på det antigenbindande stället och dess 2 ”w-

domäner”.

6) Kolla strukturen av T-cell receptorn, identifiera antigenbindande sitet.

Virusstrukturer

MS2 protein capsid 1ZDI

Tomato bushy stunt virus 2TBV

Satellite tobacco necrosis virus 2STV

Sindbis capsid protein 1KXB

1) Kolla strukturen av satellite tobacco necrosis virus och identifiera ”jelly-roll” motivet

2) Kolla strukturen av MS2 med ”up-and-down” antiparallella -strängar

3) Kolla strukturen av sindbis viruset coat protein och jämför likheter med kymotrypsin

Strukturer ur: Proteins Structure and function

David Whitford

Kapitel 3

Chymotrypsin 2CGA

Bovine pancreatic trypsin inhibitor 5PTI

λ repressor protein 1LMB

Cytochrome b-562 b562

Human thioredoxin 1ERU

Plastocyanin 1AG6

Human cis-trans proline isomerase 1VBS

Human γ-crystallin: 2GCR

Cytochrome b5 3B5C

Sulfite oxidase 1SOX

Neuraminidase 1F8D

Tailspike protein of bacteriophage P22 1TSP

Lactate dehydrogenase 1LDG

Cro repressor from phage 434 4CRO

Fab region of IgG 7FAB

Monoclonal antibody fragment Fab and lysozyme 1FDL

bacteriocin AS-48 1E68

microcin J25 1HG6

MCoTI-II 1HA9, 1IB9

RTD-1 1HVZ

kalataB1 1KAL

SFTI-1 1SFI, 1JBL

Kapitel 4

Leucine zipper DNA binding protein GCN4 1YSA

c-jun c-fos proto-oncogene dimer plus DNA 1FOS

gp41 core domain of SIV 2SIV

Silk polymers 2SLK

Collagen 1BKV

EGF domains from fibrillin-1 1EMN

Kapitel 5

Bacteriorhodopsin 1C3W

G subunit of transducin 1TND

Reaction centre from Rh.viridis 1PRC

OmpF 2OMF

-hemolysin 7AHL

bovine cytochrome bc1 complex 1BE3

Bovine cytochrome oxidase 1OCC, 2OCC

subunit of ATPase 1BMF

c ring monomer of Fo ATPase 1A91

SR Ca-ATPase 1EUL

Kapitel 6

Tuna cytochrome c 3CYT

Yeast iso-1 cytochrome c 1YCC

P. denitrificans cytochrome c550 155C

R. rubrum cytochrome c2 1C2R

Horse cytochrome c 1CRC

Chymotrypsin 2CGA

Elastase 1QNJ

Trypsin 1TGN

Kapitel 7

RNase A 1FS3

Lysozyme 1HEW

Tyrosyl tRNA synthetase plus tyrosyl adenylate 3TS1

Gln-tRNA synthetase in complex of tRNA and ATP 1GSG

Binary complex formed between trypsin and BPTI 2PTC

Cyclo-oxygenase 1PRH

Phosphofructokinase 1PFK

Aspartate transcarbamoylase 1AT1

Kapitel 8

Cdk2 1HCK

Cdk2 +cyclin binary complex 1FIN

T7 RNA polymerase 1CEZ

Transcription factor Zif268 in complex with DNA 1A1H

GCN4 transcription factor complexed with DNA 1YSA, 2ZTA

Max transcription factor plus DNA 1AN2

Ubx homeobox 1B8I

Phenylalanyl tRNA 6TNA

C terminal domain of E. coli ribosomal subunit L7/L12 1CTF

L30 domain of the large ribosomal subunit of T. thermophilus 1BXY

N-terminal domain of the spliceosome RNA binding protein U1A 1FHT

EF-Tu in a complex with Phe-tRNA 1TTT

EF-G 2EFG

FfH subunit from T. aquaticus 2FFH

Mouse importin- 1EJL

20S proteasome T. acidophilum 1PMA

Kapitel 10

Tendamistat 2AIT, 1HOE

Interleukin-1β 7I1B

Thioredoxin 1TRU

β tubulin dimer 1TUB

Green fluorescent protein 1EMA

Kapitel 11

GroEL monomer 1GRL

GroES 1G31

Thermosome 1RYP

Complex of transthyretin/ retinol binding protein 1RLB

Transthyretin 1BMZ

SH3 domain 1PNJ

Mouse PrPc protein 1AG2

Kapitel 12

gp120 core in a complex antibody and CD4 1G9N

HA1/HA2 ‘monomer’ 2HMG

Neuraminidase 2BAT

Neuraminidase substrate bound to active site 1MWE

β secretase 1M4H

p53-DNA complex 1TUP

α1-antitrypsin 2PSI, 7API

Referenser:

RCSB: hemsidan:

http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do

Hemsida PyMOL:

www.pymol.org

Manual PyMOL:

www.pymolwiki.org

Molecule of the Month, Carbonic anhydrase

http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_mon

th/pdb49_1.html

Proteins Structure and function David Whitford

http://www.wiley.com//legacy/wileychi/whitfordproteins/