Будова та функції біополімерів

Збірка шляхом звязування менших фрагментів, що повторюються (мономери) Звязок між мономерами ідентичний Залишок: мономерний фрагмент в полімері Полімери: макромолекули Moномери (MW ~кількасот г/моль) залишок Полімер ( MW ~ г/моль)

Біомономери, як правило, біфункціональні COOH HO aлкоголь карбонова к-та COO HOCOOH eстер +H 2 O поліестер COOH H2NH2N aмін карбонова к-та CONH H2NH2NCOOH aмід +H 2 O поліамід COOH HO COOH H2NH2N

Moномери не повинні бути ідентичними COOH H2NH2N H2NH2N H2NH2N Наслідки: різноманіття в послідовності залишків спрямованість ланцюгу H2NH2NCOOH гетерополімер

Протеїни

Aмінокислоти: будівельні блоки протеїнів карбоксильна група, pK a ~ 2 = NH 3 + альфа-вуглець ( C ) Боковий ланцюг (R) аміногрупа, pK a ~ 9-11

Альфа-вуглець є хіральним центром! Можливі оптичні ізомери: N+N+ H 3 COOH R H L-iзомер N+N+ H 3 COOH H R D-iзомер В білках містяться лише залишки L-iзомерів X

Перший ступінь дисоціації : карбоксильна група Дисоціація амінокислот У складі амінокислот, які не містять здатних до іонізації груп у бокових ланцюгах, тільки карбоксильна та аміногрупа зазнають дисоціації H 3 N + -CH-COOH R заряд = +1 +H + H 3 N + -CH-COO - R pK a1 ~ 2 заряд = 0 цвіттер-іон

Другий ступінь дисоціації : аміногрупа H 3 N + -CH-COO - R заряд = 0 H 2 N-CH-COO - R pK a2 ~ 9 +H + заряд = -1

Гліцин (Gly, G): найпростіша амінокислота Боковий ланцюг - водень: H 3 N + -CH-COOH H

Aмінокислоти з аліфатичними залишками Аланін (Ala, A) Ізолейцин (Ile, I) Валін (Val, V) Лейцин (Leu, L)

Aмінокислоти з ароматичними залишками Фенілаланін (Phe, F) Тирозин (Tyr, Y) Триптофан (Trp, W) pK a ~10

Амінокислоти із залишками з гідроксильних груп Серин (Ser, S) Треонін (Thr, T) Тирозин (Tyr, Y) pK a ~10

Aмінокислоти з кислотними залишками та їх аміди pK a ~3,9 Аспарагінова кислота (Asp, D) Глутамінова кислота (Glu, E) Аспарагін (Asn, N) Глутамін (Gln, Q) pK a ~4,2

Гуанідінова група: pK a ~ 12,5 Друга аміногрупа: pK a ~ 10,5 Aмінокислоти з основними залишки Лізін (Lys, K) Аргінін (Arg, R)

+ H + pK a ~ 6,5 Гістидин: амінокислота з основним залишком з потенційною кислотною функцією Гістидин (His, H)

Сірковмісні амінокислоти +2H + + 2e - Дисульфідний звязок Цистеїн (Cys, C)Метіонин (Met, M) Цистін (CysCys) pK a ~8,3

Пролін: циклічна амінокислота Пролін (Pro, P)

Будова протеїнів

Протеїни: лінійні, гетерополімерні поліаміди Moномерні одиниці – aмінокислоти. Для складу протеїнів входять 20 різних амінокислот Кожний протеїн має унікальну, визначену довжину та послідовність залишків: Кожний протеїн характеризується унікальною 3D-конформацією

Утворення пептидного звязку H 2 N-C-COOH R1R1 H + R2R2 H H2OH2O N-C-COOH R2R2 H H 2 N-C---C R1R1 H O H Пептидний звязок

Природа пептидного звязку C C + - частково (40%) подвійний звязок - немає вільного обертання навколо звязку довжина ~ 1,33 Å - коротше типового одинарного звязку, але довше подвійного C a атоми, як правило, у транс конформації 6 aтомів пептидної групи завжди в одній площині N частково позитивний; O частково негативний, що є причиною помітного дипольного моменту

Пептиди Короткі полімери амінокислот, зєднані пептидним звязком –2 залишки - дипептид –3 залишки - трипептид –12-20 залишків - oлігопептид –багато - поліпептид пептидні звязки утворюють основний ланцюг

Протеїн: один або декльіка поліпептидних ланцюгів Moномерний протеїн: один поліпептидний ланцюг Більше ніж один - мультімерний протеїн: – Гомомультімер - більш ніж один ланцюг, усі з однаковою амінокислотною послідовністю –Гетеромультімер - дві або більше різних ланцюгів

Яка довжина поліпептидного ланцюга? Iнсулін: ~ 50 залишків MW ~ 5700 GroEL/GroES: –14 субодиниць з MW –7 субодиниць з MW –загальний MW 910,000 (~ 8000 залишків) Деякі протеїни мають один ланцюг з MW, що перевищує 2 мільйони (2 тонни на моль)

Архітектура протеїнів Форма - фібрілярні або глобулярні Рівні структурної організації протеїнів - Первинна - послідовність - Вторинна - локальна, регулярна структура - Третинна - загальна тривимірна структура - Чвертинна - організація субодиниць ( якщо присутня )

Які сили визначають структуру протеїнів? Первинна структура - визначається ковалентними зв язками : послідовність Вторинна, третинна, чвертинна структури - всі визначаються слабкими силами : конформація Слабкі сили - H- зв язки, йонна взаємодія, сили ван - дер - Ваальса, гідрофобна взаємодія

Послідовність амінокислот у протеїні Кодується послідовністю нуклеотидів в ДНК таким чином, одна з форм генетичної інформації унікальна характеристика кожного протеїну читається з аміно - термінуса до карбоксильного термінуса, напр.,: Met-Ala-Ser-Arg------Ser-Thr-Leu-Asn MASR----STLN

Природа послідовності в протеїнах Послідовність та склад відображують функцію протеїну, напр.,: -Meмбранні протеїни мають більше гідрофобних залишків -Фібрилярні протеїни можуть мати послідовності, що повторюються Гомологічні протеїни з різних організмів мають гомологічні послідовності ( напр., гемоглобін людини та бика )

Людський та кіньський цитохром c: 88.5% iдентичності в 104 залишках ЛЮДИНА 1 GDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWG КІНЬ 1 GDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFTYTDANKNKGITWK ЛЮДИНА 61 EDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE КІНЬ 61 EETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKTEREDLIAYLKKATNE Людський та дріжджовий цитохром c: 64.4% iдентичності в 101 залишках ЛЮДИНА 1 GDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWG ДРІЖДЖІ 6 GSAKKGATLFKTRCLQCHTVEKGGPHKVGPNLHGIFGRHSGQAEGYSYTDANIKKNVLWD ЛЮДИНА 61 EDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKA ДРІЖДЖІ 66 ENNMSEYLTNPKKYIPGTKMAFGGLKKEKDRNDLITYLKKA Людський та бактеріальний цитохром c: 33.9% iдентичності в 118 залишках ЛЮДИНА 2 DVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKG---II RHOPA 2 DAKAGEAVF-KQCMTCHRADK---NMVGPALGGVVGRKAGTAAGFTYSPLNHNSGEAGLV ЛЮДИНА 59 WGEDTLMEYLENP----KKYIP--G TKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKAT RHOPA 58 WTADNIINYLNDPNAFLKKFLTDKGKADQAVGVTKMTFK-LANEQQRKDVVAYL--AT Чорний: Iдентичні залишки Червоний: Різні залишки Порівняння послідовності в цитохромі c у різних видів

Роль послідовності в структурі протеїну Met-Ala-Cys.…...Ala-Thr-Arg-Leu Вся інформація, необхідна для згортання протеїнового ланцюгу в його нативну структуру, міститься в первинній амінокислотній струкутрі пептиду

…..але здійснюється це згортання за допомогою слабких сил ван дер Ваальс: кДж/моль водневі звязки: кДж/моль іонні звязки: 20 кДж/моль гідрофобні взаємодії:

Вторинна структура Атоми пептидного звязку лежать в одній площині Резонансна енергія стабілізації планарної структури 88 кДж/моль Обертання навколо C-N звязку включає енергію обертання, яка дорівює 88 кДж/моль помножити на квадрат куту обертання. Eнергетично невигідно Обертання може траплятися навколо звязків, що зєднують альфа-вуглець з іншими атомами основного ланцюгу C C

Обертання основного ланцюгу можливе тільки навколо зв язків, утворених альфа - вуглецевим атомом : обертання навколо C -N зв язку : обертання навколо C -C зв язку

Альфа-спіраль Правообертаюча спіраль, стабілізована водневими звязками амідний карбоніл залишку i утворює H-звязок з амідним азотом залишку i+4 Залишків на виток: 3.6 Зріст ланцюгу на залишок: 1.5 Å Зріст ланцюгу на виток (pitch): 3.6 x 1.5Å = 5.4 Å Помітний дипольний момент = -60 о, = -45 о N C

Жовті : атоми альфа - вуглецю H-звязок в основному ланцюгу альфа-спіралі амідний карбоніл залишку i утворює H-звязок з амідним азотом залишку i+4 i i+4

Способи візуалізації альфа-спіралі осн. ланцюг осн. + бокові ланцюги заповнення простору спирально - петельна циліндр

Способи зображення альфа - спіралі

Приклади переважно альфа - спіральних протеїнів Калмодулін: активатор кальцієво-чутливих ензимів Mіоглобін: O 2 -зберігаючий протеїн

Бета - сітка

Приклади переважно бета - сіточних протеїнів Iмуноглобуліни (антитіла) Зелені флюоресцентні протеїни

Біологічні функції протеїнів Eнзими - напр., рібонуклеаза, каталізує гідроліз РНК Регуляторні протеїни - інсулін, регулює рівень цукру в крові Tранспортні протеїни - гемоглобін, доставляє O 2 до тканин Структурні протеїни - коллаген, компонент сполучних тканин Контрактильні протеїни - актин, міозин – опосередковують скорочення мязів Eкзотичні протеїни - антифризні протеїни у риб Протеїни - медіатори біологічних функцій

Функціональні групи небілкової природи у складі протеїнів Протеїни можуть бути ковалентно зв ' язаними з іншими хімічними групами Якщо неамінокислотна частина протеїну є важливою для реалізації його функції, то вона називається простетичною групою. –нуклеопротеїн: протеїн з компонентом нуклеїнової кислоти (напр., в рібосомах) –глікопротеїн: протеїн, ковалентно звязаний з карбогідратом (напр., поверхневі рецептори клітин) –ліпопротеїн: протеїн, ковалентно звязаний з ліпідним компонентом (напр., деякі мембранно-вбудовані протеїни) –металопротеїн: протеїн, для виконання функції якого потрібний іон (іони) металу, напр., гемоглобін