Proteiners tredimensionale struktur Strukturnivåer

Proteinstruktur beskrives på fire nivåer 1 2 3 4

Primærstruktur Primærstruktur: aminosyresekvensen, disulfidbroer, prostetiske grupper Alt som er kovalent bundet Aminosyresekvensen fra N-terminal til C-terminal Disulfidbroer Prostetiske grupper Gly-Ala-Val-Phe-Tyr-Leu-Ser-His-Glu-Thr-Cys-Lys-Thr-Ala S Tyr-Leu-Ser-His- Gly-Ala-Val-Phe-Thr-Gly-Cys- Arg-Asp

Sekundær struktur Sekundær struktur: hyppig forekommende romlig orientering av sammenhengende aminosyrer. Engasjerer peptidbindingenes dipoler i hydrogenbindinger

Noen proteiner har bare a-heliksstruktur

Noen proteiner har bare b-struktur

Noen proteiner har både a-heliks- og b-struktur

Tertiær struktur Tertiær struktur: polypeptidkjedens tredimensionale struktur, relasjoner mellom aminosyrer over stor avstand. Engasjerer sidekjedene i ikke-kovalente bindinger Hydrofobe aminosyrer i proteinets indre Hydrofile aminosyrer på proteinets overflate

Sekundær og tertiær struktur - et eksempel

Kvarternær struktur Kvarternær struktur: bare proteiner som består av flere poly-peptidkjeder, angir romlig orientering av subenhetene

Hemoglobin

Peptidbindingen Tillater ikke fri rotasjon Karbonyloksygenet har partiell negativ ladning Amid nitrogenet har partiell positiv ladning Partiell dobbelt binding mellom karbonyl C-atomet og amid N-atomet Peptidbindingen er stiv og plan Alle atomer ligger i samme plan dipol

Peptidbindingen Fri rotasjon i bindingene til alle alfa C-atomer Dreining av N-Ca bindingen merkes med f (phi) Dreining av Ca-C bindingen merkes med y (psi)

Peptidbindingen Sterisk hindring reduserer konformasjonsfriheten

Sekundær struktur Interaksjon mellom polypeptidkjedens aminosyrer fører til folding i noen karakteristiske strukturer Danner hyppigt forekommende foldingsmønstre som dekker deler av et protein. Hver aminosyre har en fastlagt posisjon i forhold til sine naboer. Disse er svært stabile og forekommer ofte Alfa-heliks (hyppigst forekommende) Beta-sheet Beta bøy

Alfa-heliksen Den enkleste konformasjon som en polypeptidkjede med stive peptidbindinger kan innta og samtidig oppnå maksimal dannelse av hydrogenbindinger Heliksen stabiliseres av hydrogenbindinger Peptidbindingene og Ca-atomene danner ryggraden i heliksen Aminosyrenes sidekjeder stikker ut til sidene Heliksen er oftest høyredreid 3,6 aminosyrer pr omdreining 0,54 nm pr omdreining 5,4 Å = 0,54 nm, 1 Å = 0,1 nm

Alfa-heliksen Peptidbindingene og Ca-atomene danner ryggraden i heliksen Aminosyrenes sidekjeder stikker ut til sidene Hydrogenbindinger mellom aminosyrer, en omdreining fra hverandre (3-4 aminosyrer) I N- til C-terminal retning sitter hydrogenbindingen mellom amid N-atomet og karbonyl O-atomet Alle peptidbindingens N og O deltar

Naturlige proteiners a-helikser er høyredreid Hvordan avgjøre heliksens dreining: Heliksen orientert med N-term. nederst og C-term. øverst Knytt hånden, stikk tommelen opp La fingrene peke samme vei som spiralen Passer til høyre hånd

Alfa-heliksen er isomerspesifikk Alfa-helikser kan dannes av både D- og L-aminosyrer, men aldri i blanding

Aminosyrer påvirker a-heliksens stabilitet Aminosyrenes sidekjeder interagerer med hverandre Viktigste interaksjon skjer mellom aminosyrer 3-4 plasser lengre frem i primær sekvensen Disse sitter over hverandre i heliksen Interaksjonen kan stabilisere eller destabilisere heliksen Krav til hvilke aminosyrer som kan inngå

Destabiliserende aminosyrer Nabostilte aminosyrer som har: Store sidekjeder fører til sterisk hindring: Asn, Ser, Thr, Leu Sidekjeder med positiv nettoladning: Lys, Arg Sidekjeder med negativ nettoladning: Asp, Glu Fiksert sidekjede: Pro Svært liten sidekjede: Gly

Stabiliserende aminosyrer Nabostilte aminosyrer som har: Sidekjeder med motsatt nettoladning: eks: Asp + Lys Hydrofobe sidekjeder: Phe, Tyr, Trp Modifikasjon av sidekjedene kan påvirke a-heliksen F.eks. fosforylering av Tyr

Endestilte aminosyrer Alle a-heliksens hydrogen-bindinger peker samme vei: + - -N-H…..O=C- Heliksens N-terminal får d+ ladning Heliksens C-terminal får d- ladning Aminosyrer med negativt ladede sidekjeder er bra i N-terminalen Aminosyrer med positivt ladede sidekjeder er bra i C-terminalen

Viktige forhold for a-heliksens stabilitet Aminosyresidekjeder i nabostilling i primærstrukturen eller i heliksen 1) Elektrostatisk frastøting eller tiltrekning mellom ladede sidekjeder 2) Sidekjedenes størrelse 3) Forekomst av prolin eller glycin 4) Nettoladningen på endestilte aminosyrers sidekjeder

Beta-strukturen

Beta-strukturen Nest hyppigst forekommende proteinstruktur Polypeptidkjeden er strukket ut til en zig-zag struktur Peptidbindingenes stive plan sitter med en vinkel på 109,5o mellom seg og sidekjedene stikker opp eller ned fra zig-zag planet Hydrogenbindinger holder trådene sammen, danner store flak som kalles ”beta sheet” Segmentene i et beta sheet kan være nær eller langt fra hverandre i primærstrukturen Beta-trådene kan ligge samme retning, parallelle, eller motsatt retning, antiparallelle

Beta sheet

Beta strukturens stabilitet Aminosyrer med store sidekjeder fører til sterisk hindring Aminosyrer med små sidekjeder er gunstig Nabostilte sidekjeder med samme nettoladning destabiliserer Nabostilte sidekjeder med motsatt nettoladning stabiliserer Hydrofobe sidekjeder danner hydrofobiske interaksjoner => stabilisering Prolin destabiliserer

Eksempel på beta-struktur Silkeproteinet fibroin har antiparallell beta-struktur bestående av vekselvis glycin og alanin. Svært sterk struktur Proteiner kan bestå av flere lag med beta-strukturer oppå hverandre Disse beta-strukturers sidekjeder danner hydrogenbindinger mellom lagene

Beta bøy (Beta turn) består av 4 aminosyrer Hyppigt forekommende struktur Ofte på overflaten av proteinet Forbinder a-helikser eller beta-strukturer (antiparallelle) Danner en 180o sving 1. Aminosyres karbonyl oksygen danner hydrogenbinding med 4. aminosyres aminogruppe 2. og 3. aminosyres peptidgruppe danner hydrogenbindinger med H2O Glycin, serin og threonin inngår Prolin inngår (cis isomeren)

Prolin er gunstig i beta bøyen Hyppigt forekommende aminosyrer: Glycin, serin og threonin Prolin inngår (cis isomeren)

Aminosyrers hyppighet i sekundærstrukturer

Tertiærstruktur Beskriver: Den romlige orientering av aminosyrene i et protein Interaksjon mellom aminosyrer som sitter langt fra hverandre i primærsekvensen Tertiærstrukturen Bestemmes av aminosyresekvensen Er dynamisk/bevegelig. Viktig for funksjon Opprettholdes av kovalente (disulfidbroer) og ikke-kovalente bindinger Ikke-kovalente bindinger er viktigst i store proteiner Disulfidbroer finnes oftest i små proteiner, spesielt ekstracellulære

Kvarternær struktur Beskriver: Den romlige orientering av subenhetene i et protein Identiske eller forskjellige subenheter Interaksjon mellom aminosyrer som sitter i forskjellige subenheter Stabiliseres av: Opprettholdes av ikke-kovalente bindinger, ofte hydrofob interaksjon

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger Liten forskjell i Gibbs fri energi mellom nativ og denaturert konformasjon

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger Liten forskjell i Gibbs fri energi mellom nativ og denaturert konformasjon Maksimalt antall ikke-kovalente bindinger internt i proteinet, med H2O molekyler i omgivelsene og mellom H2O molekylene i det omkringliggende miljø sikrer nativ konformasjon

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger Liten forskjell i Gibbs fri energi mellom nativ og denaturert konformasjon Maksimalt antall ikke-kovalente bindinger internt i proteinet, med H2O molekyler i omgivelsene og mellom H2O molekylene i det omkringliggende miljø sikrer nativ konformasjon Ikke-kovalente bindinger er kvantitativt viktigere enn -S-S-broer

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger Liten forskjell i Gibbs fri energi mellom nativ og denaturert konformasjon Maksimalt antall ikke-kovalente bindinger internt i proteinet, med H2O molekyler i omgivelsene og mellom H2O molekylene i det omkringliggende miljø sikrer nativ konformasjon Ikke-kovalente bindinger er kvantitativt viktigere enn -S-S-broer Hver aminosyresidekjedes kjemiske egneskaper bidrar til nativ konformasjon

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger Liten forskjell i Gibbs fri energi mellom nativ og denaturert konformasjon Maksimalt antall ikke-kovalente bindinger internt i proteinet, med H2O molekyler i omgivelsene og mellom H2O molekylene i det omkringliggende miljø sikrer nativ konformasjon Ikke-kovalente bindinger er kvantitativt viktigere enn -S-S-broer Hver aminosyresidekjedes kjemiske egneskaper bidrar til nativ konformasjon Hydrofobe sidekjeder danner proteinets indre, mens hydrofile sidekjeder sitter på overflaten og danner hydrogenbindinger til H2O

Nativ konformasjon Den konformasjon hvor proteiner er biologisk aktive Her har proteiner korrekt foldete sekundær- og tertiærstrukturer Med nativ konformasjon har proteinet det laveste nivå av Gibbs fri energi og er dermed mest stabilt ut fra termodynamiske betraktninger Liten forskjell i Gibbs fri energi mellom nativ og denaturert konformasjon Maksimalt antall ikke-kovalente bindinger internt i proteinet, med H2O molekyler i omgivelsene og mellom H2O molekylene i det omkringliggende miljø sikrer nativ konformasjon Ikke-kovalente bindinger er kvantitativt viktigere enn -S-S-broer Hver aminosyresidekjedes kjemiske egneskaper bidrar til nativ konformasjon Hydrofobe sidekjeder danner proteinets indre, mens hydrofile sidekjeder sitter på overflaten og danner hydrogenbindinger til H2O Polare sidekjeder finnes både i proteinets indre og på overflaten

Denaturering Når et protein ikke er korrekt foldet er det denaturert Et denaturert protein er ikke biologisk aktivt Mange forhold kan føre til denaturering: Ekstrem varme: ikke-kovalente bindingers bindingsenergi 30-4 kJ/mol (eks: speilegg) Ekstrem pH: endrer nettoladninger (eks: sitronmarinert laks) Visse løsningsmidler: etanol, acetone; ødelegger hydrofobe interaksjoner Detergenter: ødelegger hydrofobe interaksjoner Urea, guanidin hydroklorid; ødelegger hydrofobe interaksjoner Reduksjonsmidler: b-mercatoetanol; ødelegger disulfidbroer (eks: permanentkrøllet hår)

Denaturering av ribonuklease A

Renaturering av ribonuklease A Denaturerende forbindelser fjernes Nativ konformasjon gjen-opprettes, også de fire disulfidbroene Korrekte disulfidbroer avhenger av korrekt sekundær- og tertiærstruktur, basert på ikke-kovalente bindinger RNase A har flere Cys enn de 8 som deltar i -S-S-broer