Medisin stadium 1A Geir Slupphaug, IKM Proteiner og proteinstrukturer Alle proteiner er bygd opp av aminosyrer. Dette er en gruppe organiske molekyler som inneholder både en karboksylsyregruppe (-) og en aminogruppe (N 2 ) bundet til ett og samme karbonatom (α-karbon). Til dette karbonatomet er også bundet et hydrogenatom, og en sidekjede av variabel lengde. Det er denne sidekjeden som gir aminosyrene individuelle egenskaper. De fleste aminosyrer i naturen opptrer i L-konfigurasjon. ptiske isomere former av alanin Kroppen kan selv produsere flere aminosyrer Av de 20 (egentlig 21) ulike aminosyrene som normalt inngår i proteinene i kroppen, kan halvparten dannes fra andre organiske molekyler i cellene. Disse kalles ikke-essensielle. De øvrige (essensielle) må tilføres gjennom kosten. Leucin Isoleucin Lysin Metionin Essensielle Fenylalanin Treonin Tryptofan Valin a Mangelfullt utviket syntese hos barn. b Dannes fra metionin, som er essensiell c Dannes fra fenylalanin, som er essensiell d Den 21. aminosyren. Dannes på tna fra Serin Ikke-essensielle Alanin Glutamin Arginin a Glysin Aspargin istidin a Asparginsyre Prolin ystein b Serin Glutaminsyre Tyrosin c Selenocystein d Ionisering av aminosyrer og peptider α-aminogruppen og α-karboksylgruppen i aminosyrer har pk a -verdier på henholdsvis ca 9.5 og ca 2.2 (varierer litt mellom aminosyrene). Dette betyr at begge gruppene er ioniserte i pområdet 4-8, og bærer motsatt ladning. Slike ioner kalles zwitterioner. Når aminosyrer polymeriserer til polypeptider, faller disse ladningene bort unntatt ved endene (Nterminalen og -terminalen). Mange aminosyrer har i tillegg ioniserbare sidekjeder, og det er disse som er hovedansvalig for ioniseringen i proteiner. Et overskudd av de negativt ladde aminosyrene glutaminsyre og asparginsyre, gir sure proteiner, mens et overskudd av de positivt ladde arginin, lysin (og histidin), gir basiske proteiner. α - N 3 + Aminosyrene kan deles inn i ulike klasser etter sidekjedenes biokjemiske egenskaper P M 1
Aminosyrer kan polymerisere til peptider - - α N + N + 3 - α 3 α N N + 3 2 α Peptidbinding Dette er en enzymkatalysert reaksjon, som skjer på ribosomene Peptidbindingen er planar, men molekylet kan rotere omkring de to hosliggende bindingene innen visse grenser. Denne rotasjonen gjør at en polypeptidkjede kan anta et utall ulike teoretiske konformasjoner. Kjemiske og steriske interaksjoner mellom de ulike sidekjedene vil imidlertid energimessig favorisere bestemte konformasjoner, noe som gir opphav til proteinenes bestemte tredimensjonale struktur. Torsjonsvinkler i peptider Proteinstruktur Den første tredimensjonale strukturen for et globulært protein ble rapportert i 1958, for myoglobin. Mange hadde forventet at proteinene skulle ha en like symmetrisk og forutsigbar struktur som den som ble rapportert for DNA 5 år tidligere, og fikk nærmest sjokk av kompleksiteten og den åpenbare mangelen på symmetri i molekylet. I dag er det lett å se at denne kompleksiteten er helt nødvendig for at proteinene skal kunne utføre alle de ulike oppgavene de er satt til i levende organismer. Den første strukturmodelle n av myoglobin Kjemiske bindinger i proteiner ydrogenbindinger ppstår mellom elektronegative atom (N eller ) og et hydrogenatom. Viktige mellom ulike deler av hovedkjeden (α-helikser, β-sheets), mellom ulike sidekjer og mellom hovedkjede/sidekjeder Elektrostatiske interaksjoner Interaksjoner mellom ladde grupper (mellom positive Lys, Arg og is, og negative Asp og Glu). epulsive interaksjoner mellom like ladninger forekommer også Van der Waals bindinger Et energiminimum oppstår når to atomer har en viss (liten) avstand til hverandre (tilsvarer summen av Van der Waals-radiene). Dette gir opphav til svake (men tallrike) tiltrekningskrefter som fyller igjen hull i proteinets indre ydrofobe interaksjoner Disse er meget viktige for proteiners struktur, og oppstår mellom ulike hydrofobe sidekjeder. Disse har en tendens til å pakkes mot hverandre, for å unngå kontaktmed vann 2
Proteiners struktur kan beskrives påp ulike nivå Primærstruktur Beskriver alle kovalente bindinger i en polypeptidkjede. Angir aminosyrerekkefølgen i proteinet, regnet fra N-terminal ende. De fleste proteiner består av mellom 100 og 300 aminosyrer, mens enkelte, f eks. myosin i muskelceller kan bestå av 1800 eller flere aminosyrer. Siden hvert av trinnene kan ha 20 variasjonsmuligheter, gir dette opphav til et utall mulige kombinasjoner av primærstrukturer Antall i kjeden: Mulige kombinasjoner: 2 400 4 160 000 6 64 000 000 8 25 600 000 000 124 096 000 000 000 000 Primærstrukturen omfatter også eventuelle disulfidbroer og andre aminosyreendringer i proteinet. Dette er kovalente bindinger mellom ulike cysteinsidekjeder i molekylet, og er med på å stabilisere proteinets konformasjon. Slike bindinger finner en ofte hos proteiner som eksporteres ut av cellene, og som blir utsatt for det tøffe miljøet på utsiden, samt hos f. eks. fiberproteiner, som keratin i hår og hud S S ks. ed. S S Lysozym inneholder 4 disulfidbroer Post-translasjonelle translasjonelle modifikasjoner Mange proteiner kan binde til seg nye kjemiske grupper. Dette vil endre proteinenes funksjon, og er ofte avgjørende for aktivering/deaktivering av enzymer. De vanligste av disse gruppene er Fosfat: binder til -gruppen i serin, tyrosin eller treonin. Selve bindingen skjer ved hjelp av spesifikke fosforylaser. Eks: Glykogen fosforylase i skjelettmuskulatur aktiveres ved fosforylering Karbohydrat (glykoprotein): ligosakkarider oftest bundet til aminogruppen i aspargin. Viktig for intracellulær sortering av proteiner og for eksport av proteiner til celleoverflaten, hvor oligosakkaridene peker ut fra cellemembranen og gir ulike celler bestemt overflateidentitet. Sekundærstruktur En av de viktigste oppdagelsene ved myoglobinstrukturen var at hele proteinets kjerne nesten utelukkende besto av hydrofobe sidekjeder. Dette har vist seg å være den viktigste drivkraften i vannløslige proteiners folding, nemlig å pakke inn en hydrofob kjerne og danne en hydrofil overflate. vordan kan så dette gjøres når en vet at selve hovedkjeden i proteinet er svært polar (en hydrogenbinding-donor, N, og en hydrogenbindingakseptor, =, for hver peptidenhet)? Dette løses på en elegant måte ved dannelsen av regulære sekundærstrukturer i proteinets indre. Disse er vanligvis enten α-helikser eller β- sheets. 3
α-helikser α-helikser er et av de viktigste strukturelementene i proteiner, og består av mellom 4 og 40 aminosyrer. eliksen inneholder 3.6 aminosyrer pr runde (5.4 Å), og N og -atomer i hovedkjeden vil være hydrogenbundet til hverandre på en regulær måte slik at sidekjedene peker ut av heliksen. Den regulære ladnings-orienteringen i hovedkjeden fører til at heliksen danner et dipolmoment, og N-terminalen er ofte et vanlig bindingssted for negative ligander som f. eks. fosfat. Enkelte aminosyrer opptrer oftere enn andre i α-helikser. Dette har blitt brukt til å forutsi tilstedeværelsen av helikser når en ikke kjenner strukturen. I proteinstrukturer illustreres ofte α- helikser som sylindre eller spiralbånd Den vanligste plasseringen for α- helikser er på proteinets overflate. I slike tilfeller finner en oftest at den siden som ligger inn mot proteinet er hydrofob, mens den siden som ligger ut den omkringliggende væsken er hydrofil ydrofob ydrof il β-sheets I motsetning til α-helikser, består β-sheets av flere ulike sekvensregioner (β-sheets) i polypeptidkjeden. Disse regionene er oftest 5-10 aminosyrer lange, og ligger inntil hverandre slik at det dannes hydrogenbindinger mellom N og =-gruppene i hovedtrådene I proteinstrukturer illustreres ofte hver av β- trådene som flate piler som angir retningen fra N-til - terminal. Som regel vil trådene være litt vridd i forhold til hverandre, noe som kalles twisted β-sheet. β-sheets finner en oftest inne i proteinenes indre, og de tjener ofte som en strukturelt rigid plattform for resten av proteinet Antiparallelle twisted β- sheets 4
loop eller turn -regionerregioner For at ulike deler av polypeptidkjeden skal kunne folde seg sammen til en kompakt struktur, finner en ofte knekker eller loops (turns) i kjeden. Disse ligger som oftest på proteinets overflate, og utgjør de minst konserverte delene av proteiner når en sammenligner samme type proteiner gjennom evolusjonen. De best karakteriserte av disse regionene kalles hairpin -loops eller β-turns, og forbinder to β- tråder. Tertiærstruktur rstruktur Den måten de ulike sekundærstrukturelementene folder seg sammen på avgjør proteinets endelige tredimensjonale struktur, eller tertiærstruktur. Det er denne strukturen som er avgjørende for proteinets biologiske funksjon. I strukturbeskrivelser kan dette illustreres på forskjellige måter. De vanligste er ball- and stick - modell, ribbon diagram og space-filling modell, eller kombinasjoner av disse. Ball and stick Space-filling ibbon Kvartenærstruktur rstruktur Motiv og domener Mange proteiner består av flere like eller ulike polypeptidkjeder, og kalles da dimere-, trimere osv. De ulike subenhetene kan være bundet sammen med disulfidbindinger. Enkelte enzymkompleks kan bestå av en rekke ulike underenheter - hver med ulik biologisk funksjon. Dette gjør at påfølgende enzymatiske trinn i en fler-trinns prosess kan foregå raskt og presist (eks: pyruvat dehydrogenase-komplekset): Subenheter i pyruvat dehydrogenase (E. coli): Enzym MW Pyruvat dehydrogenase 96 000 Dihydrolipoyl transacetylase 70 000 Dihydrolipoyl 56 000 dehydrogenase Antall av hver 24 24 12 Bestemte kombinasjoner av noen få sekundærstrukturer har blitt funnet i svært mange proteiner. Disse har ofte spesifikke funksjoner (f. eks. i ligand-binding), og kalles supersekundærstrukturer, eller motiv. vis en større enhet av en polypeptidkjede kan foldes til en stabil tertiærstruktur, kalles dette et domene. fte kan ulike domener i et protein ha helt ulike funksjoner. m ulike funksjoner ivaretas av ulike domener eller ulike subenheter, varierer mellom ulike organismer (eks. fettsyresyntese i planter foretas av 7 ulike subenheter og hos mennesker av 7 ulike domener) Transmembrandomene Glycinbinding sdomen e uman Gly3-monomer (synaptisk ligand-gated ionekanal) 5
Noen ulike typer proteiner Kan vi forutsi proteiners struktur ut fra aminosyresekvensen? Selv om aminosyresekvensen avgjør den endelige tredimensjonale strukturen proteiner kan anta, har det vist seg ekstremt vanskelig å predikere struktur ut fra primærsekvensen. En rekke computerprogram har blitt utarbeidet, som forsøker å minimere den fri energien i gitte aminosyresekvenser, for å simulere foldingsprosessen. Mest vellykket har slike prediksjoner vært når en samtidig benytter kunnskap fra eksisterende strukturdatabaser. Strukturprediksjon er et svært aktivt forskningsfelt, og hver sommer arrangeres olympisk mesterskap innen feltet 6