Forelesninger i BI 212 - Cellebiologi Protein struktur og funksjon - Kap. 3 Tor-Henning Iversen, Plantebiosenteret (PBS),Botanisk institutt,ntnu e-mail : Tor-Henning.Iversen@chembio.ntnu.no Tlf. 73 59 60 87 PBS`s hjemmeside (hvor forelesningene er samlet) ; www.plantebiosenteret.no
Forelesninger i BI 212 - Cellebiologi Proteiner REPETISJON FRA BI 110/BI 101 Proteiner er bygget opp av et antall av maksimalt 20 ulike aminosyrer og foldet i rommet til en tredimensjonal form. De har en rekke oppgaver i cellen ; strukturelementer, katalyse, transport, forsvars-mekanismer og bevegelser. Proteiner med funksjon som enzymer er mest kjent. Enzymer er meget substrat-spesifikke og øker betydelig hastigheten på kjemiske reaksjoner - uten selv å bli omdannet. Enzymenes størrelse varierer dramatisk; f.eks. ribonuklease A (nedbryter RNA) har molekylvekt 5.733 og 51 aminosyrerester mens transportproteinet for kolesterol som kalles apolipoprotein B har molekylvekt 513.000 og 4.636 aminosyrerester. Ulike kjemiske grupper - prostetiske grupper (karbohydrater, lipider, fosfat- og hem-grupper m.fl.) - kan være bundet til proteinet.
Forelesninger i BI 212 - Cellebiologi Aminosyrer Aminosyrene er de grunnleggende byggesteiner i proteinet og hver enkelt består av en aminogruppe, en karboksylgruppe, et hydrogen-atom og en sidekjede (R-gruppe) bundet til et sentralt C-atom. Sidekjeden er proteinets reaktive gruppe og viser mange ulike kjemiske egenskaper ( Table 3.2 = Figure 3-2) - noe som gir proteinet en bestemt funksjon og struktur. Av denne grunn klassifiseres aminosyrene avhengig av om sidekjedene er elektrisk ladet (+ eller -: 5 stk), aminosyrer med polare men uladete sidekjeder (5 stk), og aminosyrer med hydrofobe sidekjeder (7 stk). Tre aminosyrer - cystein, glycin og prolin - representerer spesielle sidekjeder. Cystein bl.a. gjennom bygging av svovelbroer (-S-S-) med andre S-holdige aminosyrer (Fig. 3.3). Gjennom en kondensasjonsreaksjon bindes to aminosyrer sammen ved dannelsen av en peptid-binding (Fig. 3.4 = Figure 3-3). Kjeder av slike sammenkoblete aminosyrer kalles et polypeptid og en eller flere slike er med på å danne et protein. På en ende av polypeptidet er det en fri amino-gruppe ( N- (terminus)enden) ; på den andre enden er en fri karboksylgruppe (C- (terminus)enden) - se Fig. 3.4.
table 03-02a.jpg Table 3.2 Part 1 Table 3.2 Part 1
table 03-02bc.jpg Table 3.2 Part 2 Table 3.2 Part 2
table 03-02d.jpg Table 3.2 Part 3 Table 3.2 Part 3
figure 03-03.jpg 3.3 Figure 3.3
figure 03-04.jpg 3.4 Figure 3.4
Forelesninger i BI 212 - Cellebiologi Strukturer av proteiner Protein-strukturen kan være enkel eller kompleks og inndeles i fire nivåer slik det er vist i hemaglutinin som er et overflateprotein i influensa-virus (Figure 3-4) ; primær, sekundær, tertiær og kvarternær. Primærstrukturen ; rekken av aminosyrer (diktert av et segment av et DNAmolekyl dvs. et gen - se senere) - (Fig. 3-4a). Oppdagelsen av sammenhengen mellom proteinets og DNA`s primærstruktur ga grunnlaget for moderne molekylærbiologi. Med 20 aminosyrer og ulike kombinasjonsmuligheter av disse blir det teoretiske antallet proteiner hvor man antar at proteinet består av 100 aminosyrer enormt; 20 100 proteiner. Sekundærstrukturen ; oppbyggingen av denne krever hydrogen-bindinger mellom N-H i et peptid og C=O i et annet. Et eksempel er en α-helix som er en høyredreiet spiral (Fig. 3-6, Fig.3.5). Bindingene stabiliserer den dreiete formen - forutsatt at peptidene er bygget opp av korte sidekjeder. Mens α- helix ofte finnes i struktur-fiberproteiner (f.eks. keratin i negler og hår), finnes en annen sekundærstruktur [β-pleated sheet; (Fig. 3-8, Fig.3.5)] f.eks. i silke. Begge former finnes i enzymer.
figure 03-05a.jpg
Figure 3.5 Part 2 figure 03-05b.jpg
Forelesninger i BI 212 - Cellebiologi Struktur av proteinet Tertiærstrukturen ; oppstår ved foldinger av polypeptidet (Fig. 3.5d) til en tredimensjonal form - eksempel er enzymet lyzozyme. Både sekundærog tertiær-strukturen er basert på primærstrukturen; ved forsiktig oppvarming av lyzozyme vil tertiær-strukturen forsvinne men ved avkjøling gjenvinnes formen (kalt reversibel denaturering). Ved oppbyggingen av tertiærstrukturen gjennom interaksjoner mellom R- grupper, brukes andre bindingstyper enn H-bindinger ; S-broer, hydrofobe sidekjeder, van der Waals krefter og ionebindinger (saltbroer). Kvarternærstrukturen ; bygges opp ved at protein-underenheter i form av to eller flere polypeptider knyttes sammen for å danne et større molekyl (Fig. 3.5e). Som vist i Fig. 3.7 så er hemoglobin bygget av fire underenheter satt sammen ved ione- og hydrogen-bindinger.
Figure 3.7
Forelesninger i BI 212 - Cellebiologi Folding, modifisering og nedbrytning av proteiner (Del. 3.2) Den native formen er den enkleste og mest stabile formen av proteinet. Foldinger av proteinet er bestemt ut fra aminosyresekvensene. På grunn av de svake bindingskreftene (Fig.3.8) så vil proteinformen påvirkes av miljøet. Endringer i ph, temperatur, og saltkonsentrasjoner bryter opp bindingene og proteinet taper sin tertiærstruktur - denatureres -fulgt av tap av normal biologisk funksjon (Fig. 3.9). Denaturering er oftest irreversibel (koking av egg), men i laboratoriet kan den være reversibel ved bruk av kjemikalier - urea og beta-mercaptoethanol (renaturering - f.eks. under rensing av proteiner) - se Figure 3-13. Ved refoldingen gjennomgår proteinet ulike temporære trinn - inkl. en molten globule - før det er gjenndannet i sin native tertiære form (Figure 3-14).
Fig. 3.8 Viser ulike bindingstyper i proteiner