Белки – пространственное строение и функции

Белки в организме Белки составляют ~15% массы тела среднего человека. Функции белков: структурные белки, каталитические белки, транспорт и депо, регуляторные и рецепторные белки и белки иммунной системы (защитные), моторная и сократительная функции Большинство тканей тела состоит из белков. Многие болезни имеют причиной модификацию тех или иных белков.

Какой процент человеческого протеома имеет известную структуру ? Крупные фармацевтические компании выявили множество структур, но большинство из них не депонировано в Protein Data Bank. ~40,000 генов в человеческом геноме. ~25,000 записей в Protein Data Bank: –a. ~5,600 точных записей хорошего качества. –b. ~1,100 из них – человеческие белки –c. И эти записи в основном – единичные домены или фрагменты белков. Ответ (эмпирический): ~1% Ответ (моделирование гомологов): ~20% доменов

Разнообразие белков Structures of Life

Уровни структур белков Первичная структура – последовательность аминокислот Вторичная структура – локальная организация полипептидной цепи без учёта возможных конформаций боковых цепей (R групп). Третичная структура – 3D структура всего протеина, включая конформации боковых цепей. Четвертичная структура – 3D структура организации субъединиц белка.

Аминокислоты V L I M Гидрофобные боковые цепи F Y Гидрофильные боковые цепи N Q Aromatic side chains Amide group E D Negatively charged Positively charged R H K GA S T Y P C OH group (H-bonds) -S- (SS-bonds in Cys) W (T w o rings)

Аминокислоты Классы боковых цепей Аминокислоты Алифатические (без аром. связей) глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин. Гидроксил- или серосодержащие серин, треонин, цистеин, метионин Ароматические фенилаланин, тирозин, триптофан Основные гистидин, лизин, аргинин Кислые и амиды аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, аспарагин, глютамин Циклические пролин

Аминокислоты – боковые цепи

Пептидные связи Пептидная связь образуется в результате взаимодействия α – углерода карбоксильной группы одной аминокислоты и α –аминогруппы другой аминокислоты.

Пептидные связи Торзионный угол C,N,Cα,C называется φ. Торзионный угол N,Cα,C,N называется ψ. Торзионный угол Cα,C,N,Cα ) называется ω. HDF5 format

Аминокислоты Боковые цепи χ-угол: торсионный угол, образованный атомами углерода боковой цепи

Аминокислоты Боковые цепи

Основные белковые структуры Первичная структура – последовательность аминокислот Вторичная структура – это локальная организация главной полипептидной цепи без учёта конформаций отдельных боковых групп (R групп).

Вторичная структура. спираль ( helix) H связь: N-H i -> C=O i+4 Linus Pauling, Robert Corey, Max Perutz

Правозакрученная спираль. Каждая аминокислота соответствует повороту на 100° - 3,6 аминокислоты на виток и трансляции на 1,5 Å вдоль оси. Вторичная структура. спираль ( helix) Геометрия 3 10 спираль – H связь: N-H i -> C=O i+3 Концы стандартной спирали π спираль – H связь: N-H i -> C=O i+5

Вторичная структура. спираль ( helix) Геометрия, углы Торсионные углы, типичные для α-спирали (φ, ψ) – -60°, -45°. Иными словами, сумма ψ одной аминокислоты и φ следующей ~ -105°. Cумма углов 3 10 спирали ~ -75°, π-спирали ~ -130°. Угол Ω: 3cosΩ=1-4cos 2 ((φ+ψ)/2)

спираль - представление

Вторичные структуры. структуры лист William Astbury

Вторичные структуры. структуры Геометрия Расстояние С α i – С α i+2 ~ 6Å Расстояние между двумя нитями ~ 5Å Углы: φ ~ -135°, ψ ~ 135° Антипараллельный лист Параллельный лист

структуры - представление

Обратные повороты и петли

Super Secondary элементы: мотивы β изгибы >2 β углы / α изгибы /α-α углы Спираль-поворот-спираль

Ramachandran Plot Sasisekaharn – Ramakrishnan -Ramachandran plot отображает допустимые области для углов φ и ψ. Повторяющиеся величины φ и ψ вдоль пептидной цепи регулярные структуры.

Ramachandran Plot α R - phi ~-57 o и psi ~-47 o. cytochrome C-256 β - phi ~-110->-140 o и psi ~110->135 o plastocyanin

Домены Домен – элемент в протеине, свернутый независимо от белка, часто соединенный с подвижной, гибкой, бесструктурной частью. 1)Домен – функциональный элемент белка. 2)Эволюционно сохранившиеся элементы.

Основные структуры белков Третичная структура – 3D структура всего белка с учётом конформации боковых цепей. Четвертичная структура – 3D организация субъединиц (доменов) и белков в надмолекулярные комплексы

Все в спирали alamethicin Спираль-поворот- спираль RNA-binding protein Rop Связка из 4-х α спиралей Ферритин Все – D структуры

- / 3D белковые структуры Сборка из β-α-β единиц:

Bacterial and mammalian pancreatic ribonucleases. Lysozome. Ubiquitin. Histidine-Carrier protein. Cysteine proteases such as papain and actinidin. Zinc Metallo-proteases. SH2 domains. α+β 3D белковые структуры

Четвертичная структура Wheat germ agglutin (9wga chain A)