Struktura aminokyselin, peptidů a bílkovin. Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2.LF UK a FN Motol MUDr. Bc. Matej Kohutiar, Ph.D. matej.kohutiar@lfmotol.cuni.cz Praha 2018
I. Struktura aminokyselin a peptidů
Aminokyseliny Substituční deriváty karboxylových kyselin H α R Poloha aminoskupiny + H 3 N γ NH 3 + GABA - β NH 3 + - β-alanin
Aminokyseliny Prolin je sekundární amin H N H 20 kódovaných aminokyselin a stovky nekódovaných
Stereochemie aminokyselin zrcadlo
Stereochemie aminokyselin zrcadlo objekt, který nemá střed a rovinu symetrie je chirální
Stereochemie aminokyselin zrcadlo objekt, který nemá střed a rovinu symetrie je chirální asymetrický uhlík = uhlík se 4 různými substituenty
Stereochemie aminokyselin Fischerova projekce CH H H 2 N CH H R D-aminokyselina Absolutní konfigurace R L-aminokyselina CH CH H H 2 N H R (R)-aminokyselina R (S)-aminokyselina
Klasifikace aminokyselin ALIFATICKÉ NEPLÁRNÍ ARMATICKÉ AMINKYSELINY NENABITÉ PLÁRNÍ KYSELÉ ZÁSADITÉ
ALIFATICKÉ NEPLÁRNÍ ARMATICKÉ AMINKYSELINY NENABITÉ PLÁRNÍ KYSELÉ H CH 3 H H N H S CH3 ZÁSADITÉ H CH 3 H H CH 3 CH 3 CH 3 CH3 CH 3
ALIFATICKÉ NEPLÁRNÍ ARMATICKÉ AMINKYSELINY NENABITÉ PLÁRNÍ KYSELÉ ZÁSADITÉ H H N H
ALIFATICKÉ NEPLÁRNÍ ARMATICKÉ AMINKYSELINY NENABITÉ PLÁRNÍ KYSELÉ ZÁSADITÉ H H H CH 3 H H H SH H H H H
ALIFATICKÉ NEPLÁRNÍ ARMATICKÉ AMINKYSELINY NENABITÉ PLÁRNÍ KYSELÉ ZÁSADITÉ H H H H
ALIFATICKÉ NEPLÁRNÍ ARMATICKÉ AMINKYSELINY NENABITÉ PLÁRNÍ KYSELÉ H H N ZÁSADITÉ N H H NH NH
Klasifikace aminokyselin Esenciální Podmíněné esenciální Neesenciální Totálně C skelet je esenciální Vznik z esenciálních AMK Zdroje bílkovin rostlinné a živočišné Kvalita bílkovin plnohodnotné neplnohodnotné Deficit u zátěže Syntéza je dostatečná LYS VAL CYS ARG ALA THR LEU TYR CYS GLY ILE RN TYR GLU TRP RN ASP PHE GLU PR MET HIS ASN
Hydrofobicita ΔS >0 Cytochrom c RNAasa Lysosym Chymotrypsin Směr růstu hydrofobicity molekuly (žlutě)
Hydrofobicita ΔS >0 červená modrá + bílá 0 Kyte, J. and Doolittle, R. 1982. A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. J. Mol. Biol. 157: 105-132
Acidobazické vlastnosti aminokyselin - + H 3 N H R Zwitterion Amfion bojetný ion Počet nábojů = Σ nábojů (bez ohledu na znaménko Volný náboj = Σ nábojů Isoelektrický bod pi = nulový volný náboj
Acidobazické vlastnosti aminokyselin Při ph > pi se molekula chová jako kyselina a stává se donorem H + - - + H 3 N H H 2 N H + H + R R Při ph < pi se molekula chová jako zásada a stává se akceptorem H + - H + H 3 N H + H + N R H 3 + H R
Acidobazické vlastnosti aminokyselin H - - + H 3 N CH 2 pka 1 pka 2 + H 3 N CH 2 H 2 N CH 2 +1 0-1 pi pk a1 2 pk a2 ph pk a log Gly Gly 0
ph Acidobazické vlastnosti aminokyselin + H 3 N CH 2 H ph< pi + H 3 N CH 2 - ph>pi H 2 N CH 2 - +1 0-1 12,0 10,0 pt 2 8,0 6,0 pt 1 4,0 2,0 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 NaH (ml) 100,0 120,0 140,0 160,0
ph Acidobazické vlastnosti aminokyselin + H 3 N CH 2 H ph< pi + H 3 N CH 2 - ph>pi H 2 N CH 2 - +1 0-1 12,0 10,0 pt 2 8,0 6,0 pt 1 4,0 2,0 Gly + /Gly 0 Gly 0 Gly 0 /Gly 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 NaH (ml) 100,0 120,0 140,0 160,0
ph Acidobazické vlastnosti aminokyselin + H 3 N CH 2 H ph< pi + H 3 N CH 2 - ph>pi H 2 N CH 2 - +1 0-1 12,0 10,0 pt 2 8,0 6,0 4,0 2,0 pt 1 0 Gly ph pka log Gly Gly + /Gly 0 Gly 0 Gly 0 /Gly 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 NaH (ml) 100,0 120,0 140,0 160,0
ph Acidobazické vlastnosti aminokyselin + H 3 N CH 2 H ph< pi + H 3 N CH 2 - ph>pi H 2 N CH 2 - +1 0-1 12,0 10,0 pt 2 8,0 6,0 pt 1 4,0 pka 1 2,0 Gly + /Gly 0 Gly 0 Gly 0 /Gly 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 NaH (ml) 100,0 120,0 140,0 160,0
ph Acidobazické vlastnosti aminokyselin + H 3 N CH 2 H ph< pi + H 3 N CH 2 - ph>pi H 2 N CH 2 - +1 0-1 12,0 10,0 8,0 pka 2 pt 2 6,0 pt 1 4,0 pka 1 2,0 Gly + /Gly 0 Gly 0 Gly 0 /Gly 0,0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 NaH (ml) 100,0 120,0 140,0 160,0
Acidobazické vlastnosti aminokyselin Skupina Aminokyselina pk a volné pk a v proteinu α-karboxyl Všechny 1,7-2,6 1,8-3,6 β-karboxyl Asp 3,86 3,0-4,7 Imidazol His 6,04 5,6-7,0 α-amin Všechny 8,8-10,7 7,9-10,6 ε-amin Lys 10,53 9,4-11,0 fenol Tyr 10,07 9,8-10,8 thiol Cys 8,33 8,3-8,6
Acidobazické vlastnosti aminokyselin V jaké formě se bude vyskytovat kyselina glutamová při ph=7,4? α-karboxyl H α γ H γ-karboxyl α-aminoskupina
Acidobazické vlastnosti aminokyselin V jaké formě se bude vyskytovat kyselina glutamová při ph=7,4? α-karboxyl pk a1 = 2,0 H α γ H γ-karboxyl pk a2 = 3,8 α-aminoskupina pk a3 = 9,1
Acidobazické vlastnosti aminokyselin V jaké formě se bude vyskytovat kyselina glutamová při ph=7,4? - Struktura odpovídá zwitterionu = nulový volný náboj α NH 3 + γ H Funkční skupina pk a <2,0 2,0 3,8 3,8 9,1 9,1< α-karboxyl 2,0 0-1 -1-1 γ-karboxyl 3,8 0 0-1 -1 α-amin 9,1 +1 +1 +1 0 Volný náboj +1 0-1 -2
Chemické reakce aminokyselin Vznik peptidové vazby NH 3 + H + H 3 N H H 3 C CH 3 Valin - + + H 3 N CH 3 - Threonin H H H 3 C NH CH 3 Valyl-threonin CH 3 - C H 3 N C C H R detaily v přednášce metabolizmus aminokyselin I a II
Chemické reakce aminokyselin Redoxní rovnováha cysteinu H H H H SH + HS S S Cystein Cystein Cystin Redukovaná forma Cys xidovaná forma Cys
Peptidy Peptidy (2+) ligopeptidy (2 10) Polypeptidy (10+) Proteiny (100+) H 3 C N-konec + H 3 N CH 3 NH H Valyl-threonin CH 3 - C-konec γ-glutamyl-cysteinyl-glycin GLUTATHIN
II. Struktura proteinů
Proteiny protein=bílkovina funkční skupiny (slabé kyseliny/zásady) stálé vnitřní prostředí velikost v Da zdroj dusíku brovská variabilita
Proteiny Kolik dipeptidů lze teoreticky poskládat z 20 základních proteinogenních aminokyselin, pokud lze každou aminokyselinou použít jenom jednou? záleží na pořadí variace bez opakování V n! (n - k)! 20! (20 2)! 20! 18! 20 19 18! 18! 380
Proteiny Kolik dipeptidů lze teoreticky poskládat z 20 základních proteinogenních aminokyselin, pokud se mohou opakovat? záleží na pořadí variace s opakováním V n k 20 2 400
Proteiny Kolik hektapeptidů (100) lze teoreticky poskládat z 20 základních proteinogenních aminokyselin, pokud se mohou opakovat? záleží na pořadí variace s opakováním V n k 20 100 1,27 10 130 10 130 počet odhadovaných atomů ve vesmíru ~10 90
Proteiny Klasifikace: 1. Podle funkce 2. Podle složení 3. Podle tvaru
Proteiny 1. Podle funkce Enzymy Zásobní bílkoviny Transportní Kontraktilní Hormony brana Strukturální Receptory pro signální molekuly 2. Podle složení 3. Podle tvaru
Proteiny 1. Podle funkce 2. Podle složení Glykoproteiny Metaloproteiny Lipoproteiny 3. Podle tvaru
Proteiny 1. Podle funkce 2. Podle složení 3. Podle tvaru Globulární Fibrilární Membránové http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-2-molecular-biology/24-proteins/fibrous-vs-globular-protein.html http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-1-cell-biology/13-membrane-structure/membrane-proteins.html
Struktura proteinů Nativní konformace = biologicky aktivní Primární struktura Sekundární struktura Terciární struktura Kvarterní struktura Molecular chaperones in protein folding and proteostasis - Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/competing-reactions-of-protein-folding-and-aggregationscheme-of-the-funnel shaped_fig3_51508608 [accessed 28 Sep, 2018]
Peptidová vazba a primární struktura Resonanční struktury peptidové vazby
Peptidová vazba a primární struktura trans cis
Peptidová vazba a primární struktura Torzní úhly Cα-N-C (Φ) a Cα-C-N (ψ)
Peptidová vazba a primární struktura Ramachandranův diagram mezení rotace
Sekundární struktura NH CHR C α-helix Parametry helixu: výška závitu (0,54 nm) směr otáčení (+,-) počet aminokyselin (3,6) NE: Pro, Hypro, přítomnost aminokyselin se stejným nábojem
Sekundární struktura β-skládaný list Paralelní Antiparalelní β-barel
Sekundární struktura Suprasekundární struktury (motivy) αβα, αα, βαβ, β-barel β-barel Zinkový prst EF hand motif Leucinový zip
Terciární struktura Prostorové uspořádaní polypeptidového řetězce, Doménové uspořádání Interakce postranních řetězců a disulfidické můstky
Kvarterní struktura Více samostatných polypeptidových řetězců (pojdednotek) organizovaných do celku Dimery, trimery, tetramery Homodimer, heterodimer Nekovaleltní interakce
Interakce stabilizující molekuly bílkovin 1. Vazba vodíkovým můstkem 3. Londonovy disperzní síly 2. Elektrostatické interakce 4.Patrové interakce 5.Hydrofobní interakce ΔS >0
Folding (sbalování proteinů)
Folding (sbalování proteinů) Hydrofobní efekt TΔS>0 Stabilita proteinu ΔG<0 Vodíkové vazby ΔH<0 Nevazebné interakce ΔH<0 Konformační změny řetězce TΔS<0 http://biochem-vivek.tripod.com/id23.html
Patologické konformace proteinů Globulární protein fibrila protofibrila Nesvinutý protein Nerozpustné extracelulární útvary s převahou β-struktury zralé fibrily https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/research/ https://www.researchgate.net/figure/protein-folding-and-amyloid-formation-amyloid-fibril-formation-commences-from-partially_fig1_2795
Patologické konformace proteinů Globulární protein fibrila protofibrila Nesvinutý protein Depozita amyloidu v mozku pacienta s AD (kongo červeň) zralé fibrily https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/research/ http://missinglink.ucsf.edu/lm/ids_104_neurodegenerative/case1/case1diagn https://www.researchgate.net/figure/protein-folding-and-amyloid-formation-amyloid-fibril-formation-commences-from-partially_fig1_2795
Denaturace Ztráta charakteristické nativní struktury vedoucí ke ztrátě biologických funkcí Neuspořádané klubko (random coil) Expozice hydrofobních skupin a řetězců Denaturace: vratná nevratná Teplota