Informace

Délkové rozdíly mezi fyzicky interagujícími proteiny


Co lze říci o délkových rozdílech mezi interagujícími proteiny? Mají obvykle podobnou délku sekvence nebo vůbec ne?


Přinejmenším v interakční síti lidských proteinů se zdá, že proteiny se skutečně většinou vážou na proteiny podobné délky sekvence. Zvažte níže uvedený obrázek, založený na analýze sítě interakcí lidských proteinů z platformy Protein Interaction Network Analysis (PINA). V datové sadě byl medián relativní velikosti proteinu (největší délka sekvence aminokyselin děleno nejmenším v každém interagujícím páru) 1,9, maximální hodnota byla 293,6 a 99. percentil, což je mezní hodnota pro graf, byl 15,2. .

Upravit: Podle níže uvedeného komentáře ke stordům získáte v podstatě stejný výsledek pro náhodnou síť:

V tomto případě byla síť generována náhodným výběrem dvou proteinů z původní sítě, vytvořením interakce mezi nimi a opakováním, dokud náhodná síť nebude mít stejný počet interakcí jako originál.

Ihned by to mohlo vypadat, že PINA PINu dominují náhodné interakce. Spustil bych nějakou síťovou analýzu, abych určil její vlastnosti, ale vzhledem k tomu, že je to poměrně velká síť, bude to trvat déle, než mám právě teď. Výsledky jsou podobné pro dvě další sítě s interakcemi v Saccharomyces cerevisiae a Caenorhabditis elegans stažených z PINA. Všimněte si, že všechny tři sítě byly vytvořeny z databází s různou úrovní kurátorství (Viz původní publikace pro PINA: http://www.nature.com/nmeth/journal/v6/n1/full/nmeth.1282.html). Mnoho interakcí jako takových nemusí mít biologický význam.

S přihlédnutím k výše uvedenému možná budete chtít přesněji definovat „interagující proteiny“. Dalo by se očekávat, že lépe upravená síť obsahující pouze interakce se známou funkcí nebo účinkem může poskytnout jiný obrázek. Avšak za použití přísněji konstruované lidské sítě „funkční interakce“ publikované Wu et al. (http://genomebiology.com/content/11/5/R53, FIs_043009.txt v doplňkovém souboru #3) přesto poskytl podobný výsledek.

Metoda: Vytvořil jsem skript Pythonu pro výpočet relativních délek sekvencí aminokyselin pro všechny interakce v síti interakcí lidský protein-protein (PIN) dostupné od PINA ((http://cbg.garvan.unsw.edu.au/pina/ interactome.stat.do). Síťový soubor se nachází na adrese: http://cbg.garvan.unsw.edu.au/pina/download/Homo%20sapiens-20121210.sif. Kódy PIN pro jiné organismy jsou k dispozici současně Web a mnoho dalších míst.Skript lze použít s jakýmkoli kódem PIN ve formátu SIF pomocí identifikátorů UniProt.

Skript lze stáhnout zde: https://github.com/jarlemag/misc-bioinformatics/blob/master/ProteinInteractionNetwork.py

Časově nejnáročnější částí bylo stažení délek sekvencí z UniProt. Abyste to nemuseli dělat, lze délky proteinových sekvencí uložit a načíst z textového souboru. Seznam délek proteinových sekvencí je zde: https://github.com/jarlemag/misc-bioinformatics/blob/master/protlengths.txt Chcete-li vytvořit obrázek, umístěte všechny tři soubory do stejného adresáře a spusťte skript pomocí Pythonu 2.7 .

Mějte na paměti, že data PIN nemusí být zcela spolehlivá.


Délkové rozdíly mezi fyzicky interagujícími proteiny - biologie

Během translace a po translaci mohou být jednotlivé aminokyseliny chemicky modifikovány, mohou být připojeny signální sekvence a nový protein se v důsledku intramolekulárních interakcí složí do výrazné trojrozměrné struktury. A sekvence signálu je krátký konec aminokyselin, který směruje protein do specifického buněčného kompartmentu. Tyto sekvence na amino konci nebo karboxylovém konci proteinu lze považovat za protein ’s “train lístek ” do jeho konečného cíle. Jiné buněčné faktory rozpoznávají každou signální sekvenci a pomáhají transportovat protein z cytoplazmy do správného kompartmentu. Například specifická sekvence na amino konci nasměruje protein na mitochondrie nebo chloroplasty (v rostlinách). Jakmile protein dosáhne svého buněčného cíle, je signální sekvence obvykle oříznuta.

Mnoho proteinů se samovolně skládá, ale některé proteiny vyžadují pomocné molekuly, nazývané chaperony, aby se zabránilo jejich agregaci během komplikovaného procesu skládání. I když je protein správně specifikován jeho odpovídající mRNA, mohl by nabýt zcela nefunkčního tvaru, pokud mu abnormální teplota nebo pH brání ve správném skládání.


Proteosyntéza

Syntéza proteinů probíhá v ribozomech a probíhá spojením karboxylového konce první aminokyseliny s aminokoncem dalšího (obrázek 2.19). Konec proteinu, který má volnou & alfa-aminoskupinu, se označuje jako amino-konec nebo N-konec. Druhý konec se nazývá karboxylový konec nebo C-konec, protože obsahuje jedinou volnou a alfa-karboxylovou skupinu. Všechny ostatní & alfa-aminoskupiny a & alfa-karboxylové skupiny jsou svázány při tvorbě peptidu Obrázek 2.19 Propojení aminokyselin vazbami pro tvorbu peptidových vazeb, které spojují sousední aminokyseliny dohromady. Proteiny jsou syntetizovány počínaje aminokoncem a končícím na karboxylovém konci.

Obrázek 2.20 - Orientace Cis vs. trans R -skupin kolem peptidové vazby Obrázek Aleia Kim

Schematicky na obrázku 2.18 vidíme, jak jsou sekvenční R-skupiny proteinu uspořádány ve střídavé orientaci na obou stranách polypeptidového řetězce. Organizace R-skupin tímto způsobem není náhodná. Sterická překážka může nastat, když jsou po sobě jdoucí R-skupiny orientovány na stejné straně peptidového hlavního řetězce (obrázek 2.20)

Primární struktura

Primární struktura je konečným determinantem celkové konformace proteinu. Primární struktura jakéhokoli proteinu dospěla do současného stavu v důsledku mutace a selekce v průběhu evolučního času. Primární struktura proteinů je dána sekvencí DNA, která ji v genomu kóduje. Oblasti proteinů specifikujících DNA jsou známé jako kódující oblasti (nebo geny).

Sekvence bází těchto oblastí přímo specifikují sekvenci aminokyselin v proteinech, přičemž korespondence jedna k jedné mezi kodony (skupiny tří po sobě jdoucích bází) v DNA a aminokyselinami v kódovaném proteinu. Sekvence kodonů v DNA zkopírovaná do messengerové RNA specifikuje sekvenci aminokyselin v proteinu. (Obrázek 2.21).

Obrázek 2.21 - Od RNA k aminokyselinám - Wikipedia s genetickým kódem

Pořadí, ve kterém jsou aminokyseliny spojeny dohromady při syntéze bílkovin, začíná definovat soubor interakcí mezi aminokyselinami, i když syntéza probíhá. To znamená, že polypeptid se může skládat, i když se vyrábí. Pořadí struktur R-skupin a výsledné interakce jsou velmi důležité, protože rané interakce ovlivňují pozdější interakce. Důvodem je, že interakce začínají vytvářet struktury - sekundární a terciární. Pokud se například začne tvořit šroubovicová struktura (sekundární struktura), možnosti interakce konkrétní skupiny R aminokyselin mohou být jiné, než kdyby se šroubovice nevytvořila (obrázek 2.22). Interakce R-skupiny mohou také způsobit ohyby v polypeptidové sekvenci (terciární struktura) a tyto ohyby mohou vytvářet (v některých případech) příležitosti pro interakce, které by nebyly možné bez ohýbání nebo zabránily (v jiných případech) podobným možnostem interakce.

Sekundární struktura

Jak postupuje syntéza bílkovin, začínají docházet k interakcím mezi navzájem blízkými aminokyselinami, což vede k vzniku místních vzorců nazývaných sekundární struktura. Tyto sekundární struktury zahrnují dobře známé řetězce & alfa-helix a & beta. Oba předpovídali Linus Pauling, Robert Corey a Herman Branson v roce 1951. Každá struktura má jedinečné vlastnosti.

Obrázek 2.22 - & alfa -šroubovice. Vodíkové vazby (tečkované čáry) mezi karbonylovým kyslíkem a aminovým vodíkem stabilizují strukturu. Obrázek Aleia Kim

& Alpha-helix má stočenou strukturu s 3,6 aminokyselinami na otáčku šroubovice (5 šroubovicových závitů = 18 aminokyselin). Helice jsou převážně pravotočivé - jen ve vzácných případech, například v sekvencích s mnoha glyciny, se mohou tvořit leváky a alfa -helixy. V a-helixu se tvoří vodíkové vazby mezi C = O skupinami a N-H skupinami v polypeptidovém hlavním řetězci, které jsou vzdálené čtyři aminokyseliny. Tyto vodíkové vazby jsou primární síly stabilizující & alfa-šroubovici.

Obrázek 2.23 - & alfa -helixy v proteinu se strukturní doménou leucinového zipu. Alfa-helixy jsou zobrazeny modře a zeleně a jsou vázány na dvojitou šroubovici DNA v hnědé barvě.

Pro popis parametrů jakékoli šroubovice používáme výrazy stoupat, opakovat a stoupat. Opakování je počet zbytků ve šroubovici, než se začne sama opakovat. U & alfa-helixu je opakování 3,6 aminokyselin na otáčku šroubovice. Vzestup je vzdálenost, kterou šroubovice stoupá s přidáním každého zbytku. U & alfa-šroubovice je to 0,15 nm na aminokyselinu. Rozteč je vzdálenost mezi úplnými otáčkami šroubovice. Pro & alfa-šroubovici je to 0,54 nm. Stabilita a-helixu je zvýšena přítomností aminokyseliny aspartátu.

Obrázek 2.24 - Socha alfa -šroubovice mimo Linus Pauling & rsquos chlapecký domov Wikipedia Obrázek 2.25 - Znázornění šroubovicového kola na & alfa -šroubovici. Používá se jednopísmenný genetický kód. Šroubovice začíná na Serine #77 vpravo a končí na lysinu #92 vpravo dole. Hydrofobní aminokyseliny jsou zobrazeny žlutě a ionizující aminokyseliny jsou znázorněny modře. Hydrofobní aminokyseliny mají tendenci interagovat navzájem a ne s ionizujícími aminokyselinami. Wikipedie

& beta vlákno/list

Obrázek 2.26 - & beta vlákno

Helix je samozřejmě trojrozměrný objekt. Zploštělá forma šroubovice ve dvou rozměrech je běžným popisem pro & beta vlákno. Spirály a beta vlákna mají spíše než cívky ohyby a někdy se jim říká záhyby, jako záhyby v závěsu. & Beta řetězce mohou být organizovány tak, aby vytvářely komplikovaně organizované struktury, jako jsou listy, sudy a další uspořádání.

Struktury vyššího řádu a beta řetězců se někdy nazývají supersekundární struktury), protože zahrnují interakce mezi aminokyselinami, které nejsou v primární sekvenci blízké. Tyto struktury jsou také stabilizovány vodíkovými vazbami mezi karbonylovými atomy kyslíku a vodíky aminových skupin v polypeptidovém hlavním řetězci (obrázek 2.28). Ve struktuře vyššího řádu mohou být vlákna uspořádána rovnoběžně (amino-karboxylové orientace stejné) nebo antiparalelně (amino-karboxylové orientace opačné proti sobě (na obrázku 2.27 je směr vlákna znázorněn šipkou na pásu) diagramy).

Obrázek 2.27-Pásová vyobrazení supersekundárních a beta listů (A-D) a uspořádání alfa-šroubovice (E-F) Obrázek Aleia Kim

Otočky (někdy nazývané obrácené obraty) jsou druhem sekundární struktury, která, jak název napovídá, způsobuje obrat ve struktuře polypeptidového řetězce. Obraty nakonec vedou k terciární struktuře, což způsobuje přerušení sekundárních struktur (& a-helixy a & beta-vlákna) a často slouží jako spojovací oblasti mezi dvěma oblastmi sekundární struktury v proteinu. Prolin a glycin hrají v zatáčkách společné role, přičemž poskytují menší flexibilitu (začátek zatáčky) a větší flexibilitu (usnadnění zatáčky).

Obrázek 2.28 - Součásti a & beta listu v paralelním uspořádání. H-vazby ve žluté barvě. Obrázek Aleia Kim

Existuje nejméně pět typů zatáček, přičemž četné variace každého vedou k mnoha různým zatáčkám. Pět typů zatáček je

& býk & trojúhelníky - koncové aminokyseliny jsou odděleny jednou peptidovou vazbou

& býk & gama obraty - separace dvěma peptidovými vazbami

& býk & beta -obraty - separace třemi peptidovými vazbami

& býk & alfa -obraty - separace čtyřmi peptidovými vazbami

& býk & pi -zatáčky - oddělení pěti vazbami

Z nich jsou & beta obraty nejběžnější formou a & delta obraty jsou teoretické, ale nepravděpodobné kvůli sterickým omezením. Na obrázku 2.29 je ukázka & beta-turn.

310 šroubovice

Obrázek 2.29 - & beta -turn. R-skupiny jsou zobrazeny oranžově, vodíky žlutě, uhlíky na uhlí, dusíky purpurově a kyslíky zeleně. Stabilizující vodíková vazba je označena tečkovanou čarou. Obrázek Aleia Kim

Kromě vláken & alfa-helix, & beta a různých závitů jsou v bílkovinách pozorovány další pravidelné, opakující se struktury, ale vyskytují se mnohem méně často. 310 šroubovice je čtvrtá nejhojnější sekundární struktura v bílkovinách, která tvoří asi 10–15% všech šroubovic. Helix odvozuje svůj název od skutečnosti, že obsahuje 10 aminokyselin ve 3 otáčkách. Je to pravák. Mezi aminokyselinami, které jsou od sebe tři zbytky, se tvoří vodíkové vazby. Nejčastěji 310 šroubovice se objevuje na aminovém nebo karboxylovém konci & alfa-šroubovice. Stejně jako & alpha-helix, 310 šroubovice je stabilizována přítomností aspartátu v jeho sekvenci.

Obrázek 2.30 - Pohled shora na 310 Helix. Karbonylové skupiny jsou červené a směřují nahoru. Všimněte si téměř dokonalé Wikipedie s trojnásobnou symetrií Obrázek 2.31 - Rezonance peptidové vazby Wikipedia Obrázek 2.32 - & pi helix Wikipedia

Obrázek 2.33 - Roviny (světle modré) definované dvojitou vazbou charakteru peptidové vazby Obrázek Aleia Kim

A & pi-helix lze považovat za zvláštní typ & alfa-helix. Některé zdroje jej popisují jako & alfa-šroubovici s uprostřed zaseknutou extra aminokyselinou (obrázek 2.32). & pi-helixy nejsou zrovna vzácné, vyskytují se alespoň jednou u 15% všech bílkovin. Stejně jako & alfa-helix je & pi-helix pravák, ale kde & alfa-helix má 18 aminokyselin v 5 otáčkách, & pi-helix má 22 aminokyselin v 5 otáčkách. & pi-helixy se obvykle na velmi dlouhé vzdálenosti neroztahují. Většina z nich má pouze asi 7 aminokyselin a sekvence se téměř vždy vyskytuje uprostřed oblasti alfa-šroubovice.

Ramachandranovy zápletky

Obrázek 2.34 - Úhly rotace & omega, & psi a & phi v peptidu Obrázek Aleia Kim

V roce 1963 G.N. Ramachandran, C. Ramakrishnan a V. Sasisekharan popsali nový způsob popisu struktury proteinů. Pokud vezmeme v úvahu páteř polypeptidového řetězce, skládá se z opakující se sady tří vazeb. Sekvenčně (ve směru aminoskupina ke karboxylu) jsou 1) rotační vazba (& psi) mezi & alfa-uhlíkem a & alfa-karboxylem předcházející peptidové vazbě (viz ZDE), 2) nerotovatelná peptidová vazba (& omega) mezi & alfa -karboxylové a & alfa-aminové skupiny) a 3) rotační vazbu (& phi) mezi & alfa-aminem a & alfa-uhlíkem navazující na peptidovou vazbu (viz ZDE). Všimněte si na obrázcích 2.33 a 2.34, že směr aminoskupina ke karboxylu je zprava doleva.

Přítomnost karbonylového kyslíku na a-karboxylové skupině umožňuje, aby peptidová vazba existovala jako rezonanční struktura, což znamená, že se část času chová jako dvojná vazba. Dvojné vazby se samozřejmě nemohou otáčet, ale vazby na obou stranách mají určitou volnost otáčení. Úhly & phi a & psi jsou omezeny na určité hodnoty, protože některé úhly způsobí sterickou překážku. Kromě toho má každý typ sekundární struktury charakteristický rozsah hodnot pro & phi a & psi.

Obrázek 2.35 - Teoretický ramachandranský graf Obrázek Penelope Irvingové

Ramachandran a kolegové provedli teoretické výpočty energetické stability všech možných úhlů od 0 ° do 360 ° pro každý z úhlů & phi a & psi a výsledky vynesli na Ramachandranův graf (také nazývaný graf & & phi & psi), vymezující oblasti úhlů, které byly teoreticky nejstabilnější (obrázek 2.35).

Byly identifikovány tři primární oblasti stability, které odpovídají & phi & psi úhlům & beta-řetězců (vlevo nahoře), pravou rukou a alfa-šroubovic (vlevo dole) a levostranných & alfa-šroubovic (vpravo nahoře). Grafy predikované stability jsou pozoruhodně přesné ve srovnání s úhly & phi & psi skutečných proteinů.

Predikce sekundární struktury

Tabulka 2.3 - Relativní tendence každé aminokyseliny být v sekundární struktuře. Vyšší hodnoty naznačují větší tendenci Image by Penelope Irving

Srovnáním primární struktury (aminokyselinové sekvence) se známými 3D proteinovými strukturami lze zaznamenat pokaždé, když se aminokyselina nachází v & alfa-šroubovici, & beta řetězci/listu nebo v obratu. Počítačová analýza tisíců těchto sekvencí umožňuje přiřadit pravděpodobnost výskytu jakékoli dané aminokyseliny v každé z těchto struktur. Pomocí těchto tendencí lze s až 80% přesností předpovídat oblasti sekundární struktury v proteinu založeném výhradně na aminokyselinové sekvenci.

To je vidět v tabulce 2.3. Výskyt v primární sekvenci tří po sobě jdoucích aminokyselin s relativní tendencí vyšší než jedna je indikátorem, že tato oblast polypeptidu je v odpovídající sekundární struktuře. Online zdroj pro předpovídání sekundárních struktur nazvaný PSIPRED je k dispozici ZDE.

Hydrofobicita

Tabulka 2.4 - Skóre hydropatie

Chemie skupin aminokyselin Rgroups ovlivňuje struktury, ve kterých se nejčastěji nacházejí. Podskupiny jejich chemických vlastností mohou poskytnout vodítka ke struktuře a někdy i k umístění buněk. Typickým příkladem je hydrofobicita (tendence vyhýbat se vodě) některých Rgroups. Vzhledem k vodnému prostředí buňky takové R-skupiny pravděpodobně nebudou na vnějším povrchu skládaného proteinu.

Toto pravidlo však neplatí pro oblasti proteinu, které mohou být vloženy do lipidových dvojvrstev buněčných/ organelových membrán. Důvodem je, že oblast takových proteinů, které tvoří transmembránové domény, jsou zakopána v hydrofobním prostředí uprostřed lipidové dvojvrstvy.

Není překvapením, že skenování primárních sekvencí specificky velkých/rozložených úseků hydrofobních aminokyselin může pomoci identifikovat proteiny nacházející se v membránách. Tabulka 2.4 ukazuje hodnoty hydrofobicity pro R-skupiny aminokyselin. V této sadě stupnice běží od kladných hodnot (hydrofobních) k záporným hodnotám (hydrofilní). Graf KyteDoolittle Hydropathy pro protein RET protoonkogenové membrány je znázorněn na obrázku 2.36. Dvě oblasti proteinu jsou velmi hydrofobní, jak je patrné z píků poblíž aminokyselin 5-10 a 630-640. Dalo by se rozumně očekávat, že takové oblasti budou umístěny buď uvnitř složeného proteinu, nebo že budou součástí transmembránových domén.

Náhodné cívky

Obrázek 2.36 Graf hydropatie Kyte-Doolittle pro Wikipedii protoonkogenu RET

Některé části proteinu nepředpokládají žádnou pravidelnou, rozpoznatelnou strukturu a někdy se říká, že postrádají sekundární strukturu, ačkoli mohou mít vodíkové vazby. Takové segmenty jsou popsány jako v náhodných cívkách a mohou mít tekutost ke své struktuře, což vede k tomu, že mají více stabilních forem.Náhodné cívky jsou identifikovatelné spektroskopickými metodami, jako je Wikipedia s kruhovým dichroismem a nukleární magnetická rezonance (NMR), ve kterých jsou pozorovány charakteristické signály. Viz také metamorfní proteiny (ZDE) a vnitřně neuspořádané proteiny (ZDE).

Obrázek 2.37 - Vyobrazení a & beta vlásenky na pásu karet. Zobrazeny jsou dva a beta vlákna v tyrkysové interakci mezi sebou.

Nadpozemská struktura

Další prvek proteinové struktury je obtížnější kategorizovat, protože obsahuje prvky sekundární a terciární struktury. Tyto struktury nazvané supersekundární struktura (nebo strukturální motivy) obsahují několik blízkých komponent sekundární struktury uspořádaných specifickým způsobem, které se objevují ve více proteinech. Protože existuje mnoho způsobů vytváření sekundárních struktur z různých primárních struktur, mohou podobné motivy pocházet také z různých primárních sekvencí. Příklad strukturního motivu je uveden na obrázku 2.37.

Terciární struktura

Obrázek 2.38 - Složení polypeptidového řetězce

Proteiny se navzájem odlišují sekvencí aminokyselin, které je obsahují. Sekvence aminokyselin v proteinu určuje tvar proteinu, protože chemické vlastnosti každé aminokyseliny jsou síly, které vedou k mezimolekulárním interakcím, aby se začaly vytvářet sekundární struktury, jako jsou & alfa-helixy a & beta-vlákna. Sekvence také definuje zatáčky a náhodné cívky, které hrají důležitou roli v procesu skládání bílkovin.

Protože tvar je pro funkci bílkovin nezbytný, sekvence aminokyselin dává vzniknout všem vlastnostem, které protein má. Jak probíhá syntéza bílkovin, jednotlivé složky sekundární struktury na sebe vzájemně působí, což vede ke vzniku záhybů, které přibližují aminokyseliny blízko sebe a které nejsou v primární struktuře blízko sebe (obrázek 2.38). Na terciární úrovni struktury hrají při skládání roli interakce mezi R-skupinami aminokyselin v proteinu, jakož i mezi řetězcovými skupinami polypeptidu a postranními skupinami aminokyselin.

Globulární proteiny

Obrázek 2.39 - Rozbalení (denaturace) proteinu Wikipedia

Skládání vede k výrazným tvarům 3-D v proteinech, které nejsou vláknité. Tyto proteiny se nazývají globulární. Globulární protein je stabilizován stejnými silami, které řídí jeho tvorbu. Patří sem iontové interakce, vodíkové vazby, hydrofobní síly, iontové vazby, disulfidové vazby a kovové vazby. Úpravy, jako je teplo, změny pH, detergenty, močovina a merkaptoethanol, přemohou stabilizační síly a způsobí rozvinutí proteinu, který ztratí svou strukturu a (obvykle) svoji funkci (obrázek 2.39). Schopnost tepla a detergentů denaturovat bílkoviny je důvod, proč si před jídlem vaříme a myjeme si ruce - takové úpravy denaturují bílkoviny v mikroorganismech na našich rukou. Organismy, které žijí v prostředí s vysokou teplotou (nad 50 ° C), mají proteiny se změnami stabilizačních sil - další vodíkové vazby, další solné můstky (iontové interakce) a kompaktnost mohou hrát roli v tom, aby se tyto proteiny nerozvíjely.

Síly stabilizující bílkoviny

Než uvažujeme o procesu skládání, vezměme v úvahu některé síly, které pomáhají stabilizovat bílkoviny.

Vodíkové vazby

Obrázek 2.40 - Vodíkové vazby (tečkované čáry) mezi dvěma molekulami kyseliny octové

Vodíkové vazby vznikají v důsledku částečně nabitých vodíků nacházejících se v kovalentních vazbách. K tomu dochází, když atom, ke kterému je vodík vázán, má větší elektronegativitu než samotný vodík, což vede k tomu, že vodík má částečný kladný náboj, protože není schopen držet elektrony blízko sebe (obrázek 2.40).

Vodík částečně nabitý tímto způsobem je přitahován k atomům, jako je kyslík a dusík, které mají částečné záporné náboje, kvůli tomu, že mají větší elektronegativity a drží tak elektrony blíže sobě. Částečně kladně nabité vodíky se nazývají dárci, zatímco částečně negativní atomy, ke kterým jsou přitahovány, se nazývají akceptory. (Viz obrázek 1.30).

Obrázek 2.41 - Vodíkové vazby v kapalné vodě Wikipedia

Jednotlivé vodíkové vazby jsou mnohem slabší než kovalentní vazby, ale společně mohou vyvinout silné síly. Zvažte kapalnou vodu, která obsahuje obrovské množství vodíkových vazeb (obrázek 2.41). Tyto síly pomáhají vodě zůstat při pokojové teplotě kapalná. Jiné molekuly postrádající vodíkové vazby stejné nebo větší molekulové hmotnosti než voda, jako je metan nebo oxid uhličitý, jsou plyny se stejnou teplotou. Intermolekulární interakce mezi molekulami vody tedy pomáhají & ldquohold & rdquo water together and remain a liquid. Je pozoruhodné, že pouze zvýšením teploty vody do varu jsou překonány síly vodíkových vazeb, což umožňuje vodě stát se plně plynnou.

Vodíkové vazby jsou důležitými silami v biopolymerech, které zahrnují DNA, proteiny a celulózu. Všechny tyto polymery při varu ztrácejí své původní struktury. Vodíkové vazby mezi aminokyselinami, které jsou blízko sebe v primární struktuře, mohou vést k pravidelným opakujícím se strukturám, jako jsou šroubovice nebo záhyby, v bílkovinách (sekundární struktura).

Iontové interakce

Iontové interakce jsou důležité síly stabilizující proteinovou strukturu, které vznikají ionizací R-skupin v aminokyselinách obsahujících protein. Patří sem karboxylové aminokyseliny (ZDE), aminové aminokyseliny a také sulfhydryl cysteinu a někdy i hydroxyl tyrosinu.

Hydrofobní síly

Hydrofobní síly stabilizují strukturu bílkovin v důsledku interakcí, které podporují vyloučení vody. Nepolární aminokyseliny (běžně se vyskytující uvnitř proteinů) upřednostňují vzájemné asociace, což má za následek vyloučení vody. Vyloučená voda má vyšší entropii než voda interagující s hydrofobními postranními řetězci. Důvodem je to, že voda se při interakci s hydrofobními molekulami velmi pravidelně a v souladu srovná.

Když je vodě zabráněno mít tyto druhy interakcí, je mnohem neuspořádanější, než by tomu bylo, kdyby se mohla spojit s hydrofobními oblastmi. Částečně z tohoto důvodu se hydrofobní aminokyseliny nacházejí v interiérech bílkovin - takže mohou vyloučit vodu a zvýšit entropii.

Disulfidové vazby

Obrázek 2.42 - Tvorba disulfidové vazby

Disulfidové vazby, které se vytvářejí, když se dva sulfhydrylové postranní řetězce cysteinu uvedou do těsné blízkosti, kovalentně spojují různé proteinové oblasti a mohou celkové struktuře poskytnout velkou pevnost (obrázky 2.42 a amp 2.43). Struktura Ódy na bílkoviny od Kevina Aherna Dvacet aminokyselin A definuje protein mnoha způsoby Jejich pořadí v peptidovém řetězci Určuje formy, které bílkoviny získávají A když se stočí, zanechá mě veselou Cuz, která dělá struktury sekundární Je to terciární, bylo mi řečeno, že stane se, když se protein složí, ale skládané řetězce jsou přímo děsivé Když jsou složeny kvartérně Jsou to zázraky přírody, to je jisté Vytváření problémů, vytváření léků Blázen umí vytvářet peptidové básně Ale bílkoviny pocházejí z ribosémů Tyto spojené zbytky cysteinu se někdy označují jako cystin. Disulfidové vazby jsou nejsilnější ze sil stabilizujících proteinovou strukturu.

Obrázek 2.43 - Cystin - dva cysteiny spojené disulfidovou vazbou

van der Waalsovy síly

van der Waalsovy síly je termín používaný k popisu různých slabých interakcí, včetně těch, které jsou způsobeny přitažlivostí mezi polární molekulou a přechodným dipólem nebo mezi dvěma dočasnými dipóly. van der Waalsovy síly jsou dynamické kvůli kolísavé povaze přitažlivosti a jsou ve srovnání s kovalentními vazbami obecně slabé, ale na velmi krátké vzdálenosti mohou být významné.

Posttranslační úpravy

Posttranslační modifikace mohou také vést k tvorbě proteinů stabilizujících kovalentní vazby. Hydroxylace lysinu a prolinu v řetězcích kolagenu může vést k zesíťování těchto skupin a výsledné kovalentní vazby pomáhají posílit a stabilizovat kolagen.

Skládací modely

V současné době jsou vyšetřovány dva populární modely skládání bílkovin. V prvním (model s difúzní kolizí) proces spustí nukleace, po níž následuje tvorba sekundární struktury. Kolize mezi sekundárními strukturami (jako v & beta-hairpin na obrázku 2.37) umožňují zahájení skládání. Naproti tomu v nukleačně-kondenzačním modelu se sekundární a terciární struktury tvoří společně.

Skládání proteinů probíhá poměrně rychle (0,1 až 1 000 sekund) a může k němu dojít během syntézy - amino konec proteinu se může začít skládat ještě před vytvořením karboxylového konce, ačkoli tomu tak není vždy.

Proces skládání

Obrázek 2.44 Energetický model skládací trychtýře skládací Wikipedie

Předpokládá se, že k skládání proteinů dochází v & ldquofolding trychtýři & rdquo energetické krajině, ve které skládaný protein & rsquos nativní stav odpovídá minimální volné energii možné v podmínkách média (obvykle vodného rozpouštědla), ve kterém je protein rozpuštěn. Jak je vidět na diagramu (obrázek 2.44), energetický trychtýř má četná lokální minima (poklesy), ve kterých se může skládací protein zachytit při pohybu po energetickém grafu. Roli pravděpodobně hrají i další faktory, jako je teplota, elektrická/magnetická pole a prostorové úvahy.

Pokud vnější síly ovlivňují lokální energetická minima během skládání, lze proces a konečný produkt ovlivnit. Protože rychlost auta jedoucího po silnici ovlivní bezpečnost jízdy, ovlivní a ovlivní proces skládání také energetické úvahy, což v některých případech povede k plně funkčním, správně složeným proteinům a v jiných špatně složeným & ldquomistakes & rdquo.

Zaseknout se

Jak proces skládání pokračuje směrem k energetickému minimu (dno trychtýře na obrázku 2.44), protein může získat & ldquostuck & rdquo v kterémkoli z místních minim a nedosáhnout konečného složeného stavu. Ačkoli je složený stav obecně organizovanější, a proto má sníženou entropii než rozvinutý, existují dvě síly, které překonávají pokles entropie a pohání proces vpřed.

První je velikost poklesu energie, jak ukazuje graf. Protože & DeltaG = & DeltaH -T & DeltaS, pokles v & DeltaH může překonat negativní & DeltaS, aby byl & DeltaG negativní a posunul proces skládání dopředu. Příznivé (snížené) energetické podmínky vznikají při vytváření iontových vazeb, vodíkových vazeb, disulfidových vazeb a kovových vazeb během skládání. Kromě toho hydrofobní účinek zvyšuje entropii tím, že umožňuje hydrofobním aminokyselinám uvnitř složeného proteinu vyloučit vodu, čímž se zabrání dopadu uspořádání proteinové struktury tím, že & DeltaS bude méně negativní.

Predikce struktury

Počítačové programy velmi dobře předpovídají sekundární strukturu pouze na základě aminokyselinové sekvence, ale bojují s určováním terciární struktury pomocí stejných informací. To je částečně dáno skutečností, že sekundární struktury mají opakující se body stabilizace na základě geometrie a jakákoli pravidelná sekundární struktura (např. Skládané struktury však mají obrovský počet možných struktur, jak ukazuje Levinthal & rsquos Paradox.

Spektroskopie

Kvůli naší neschopnosti přesně předpovídat terciární strukturu na základě aminokyselinové sekvence jsou proteinové struktury ve skutečnosti určeny pomocí technik spektroskopie. V těchto přístupech jsou proteiny vystaveny různým formám elektromagnetického záření a způsoby jejich interakce se zářením umožňují výzkumníkům určit atomové souřadnice při rozlišení Angstromu z hustot elektronů (viz rentgenová krystalografie) a jak interagují spiny jader (viz NMR).

Levinthal a rsquos paradox

Na konci 60. let 20. století Cyrus Levinthal nastínil velikost složitosti problému skládání bílkovin. Poukázal na to, že pro protein se 100 aminokyselinami by měl 99 peptidových vazeb a 198 hledisek pro úhly & phi a & psi. Pokud by každý z nich měl pouze tři konformace, mělo by to za následek 3198 různých možných skládání nebo 2,95x1094.

I když se nechá proběhnout přiměřené množství času (jedna nanosekunda) pro každý možný záhyb, trvalo by déle, než je věk vesmíru, aby byly všechny odebrány, což jasně znamená, že proces skládání nenastává postupným náhodným vzorkováním a že pokusy určit strukturu proteinů náhodným odběrem vzorků byly odsouzeny k neúspěchu. Levinthal proto navrhl, aby skládání probíhalo sekvenčním procesem, který začíná nukleační událostí, která proces rychle vede a není na rozdíl od procesu trychtýře znázorněného na obrázku 2.44.

Nemoci chybného skládání bílkovin

Obrázek 2.45 - Nesprávné skládání normálního proteinu PRPc indukované obrazem PRPsc od Penelope Irving

Správné skládání bílkovin je zásadní pro jejich funkci. Z toho tedy vyplývá, že nesprávné skládání proteinů (nazývané také proteopatie) může mít důsledky. V některých případech to může jednoduše vést k neaktivnímu proteinu. Nesprávné skládání bílkovin také hraje roli v řadě nemocí, jako je nemoc šílených krav, Alzheimerova choroba, Parkinsonova a rsquosova choroba a CreutzfeldJakobova choroba. Mnoho, ale ne všechny, špatně se skládající nemoci postihují mozkovou tkáň.

Obrázek 2.46 - Krávy s nemocí šílených krav ztrácejí schopnost stát

Nerozpustná usazeniny

Špatně složené proteiny budou běžně tvořit agregáty zvané amyloidy, které jsou škodlivé pro tkáně, které je obsahují, protože se mění z rozpustných na nerozpustné ve vodě a tvoří usazeniny. Proces, ve kterém dochází k nesprávnému skládání (obrázek 2.45), není zcela jasný, ale v mnoha případech bylo prokázáno, že & ldquoseed & rdquo protein, který je špatně složený, může indukovat stejné chybné skládání v jiných kopiích stejného proteinu. Tyto semenné proteiny jsou známé jako priony a působí jako infekční agens, což vede k šíření nemocí. Seznam lidských chorob spojených s chybným skládáním bílkovin je dlouhý a stále roste. Odkaz na Wikipedii je ZDE.

Obrázek 2.47 - Difúzní amyloidóza v cévě (červené tečky) Wikipedia

Priony jsou infekční proteinové částice, které způsobují přenosné spongiformní encefalopatie (TSE), z nichž nejznámější je nemoc Mad Cow. Mezi další projevy patří nemoc, klusavka, u ovcí a lidské choroby, jako je CreutzfeldtJakobova choroba (CJD), fatální familiární nespavost a kuru. Protein zapojený do těchto onemocnění je membránový protein nazývaný PrP. PrP je kódován v genomu mnoha organismů a nachází se ve většině buněk těla. PrPc je název daný struktuře PrP, která je normální a není spojena s nemocí. PrPSc je název nesprávně složené formy stejného proteinu, který je spojen s rozvojem symptomů onemocnění (obrázek 2.45).

Špatně složený PrPSc je spojen s chorobami TSE a působí jako infekční částice. Třetí formu PrP, nazývanou PrPres, lze nalézt v TSE, ale není infekční. & Lsquores & rsquo z PrPres naznačuje, že je odolný vůči proteázám. Stojí za zmínku, že všechny tři formy PrP mají stejnou aminokyselinovou sekvenci a liší se od sebe pouze ve způsobech skládání polypeptidových řetězců. Nejnebezpečněji chybně složenou formou PrPc je PrPSc, protože má schopnost působit jako infekční agens - semenný protein, který může vyvolat chybné skládání PrPc, a tím jej převést na PrPSc.

Obrázek 2.48 - Jeden model prionové propagace Wikipedie

Funkce PrPc není známa. Myši postrádající gen PrP nemají velké abnormality. Zdá se, že vykazují problémy s dlouhodobou pamětí, což naznačuje funkci pro PrPc. Stanley Prusiner, který objevil priony a vytvořil termín, obdržel v roce 1997 za svou práci Nobelovu cenu za medicínu. Myslím, že kdybych se dostal na A protein tvořící prion, otočil bych to a proboha, zabraňte tomu, aby dělal skládací chyby

Amyloidy jsou sbírka nesprávně složených proteinových agregátů, které se nacházejí v lidském těle. V důsledku jejich nesprávného složení jsou nerozpustní a přispívají k přibližně dvaceti lidským chorobám, včetně důležitých neurologických, zahrnujících priony. Mezi nemoci patří (ovlivněný protein v závorkách) - Alzheimerova a rsquosova choroba (Amyloid & beta), Parkinsonova a rsquosova choroba (& alfa -synuklein), Huntingtonova a rsquosova choroba (huntingtin), revmatoidní artritida (sérový amyloid A), fatální familiární nespavost (PrPSc) a další.

Sekvence aminokyselin hraje roli v amyloidogenezi. Polypeptidy bohaté na glutamin jsou běžné v prionech kvasinek a lidí. Opakování trinukleotidů je u Huntingtonovy a rsquosovy choroby důležité. Tam, kde sekvence není faktorem, může hrát roli hydrofobní asociace mezi & beta listy.

Obrázek 2.49 - Huntingtin

Amyloid & beta označuje sbírky malých proteinů (36–43 aminokyselin), které zřejmě hrají roli při Alzheimerově a rsquosově chorobě. (Dalším faktorem je protein Tau.) Jsou to ve skutečnosti hlavní složky amyloidních plaků nacházejících se v mozku pacientů trpících touto nemocí a vznikají proteolytickým štěpením většího prekurzorového glykoproteinu amyloidu nazývaného Amyloidový prekurzorový protein, integrální membrána protein nervových buněk, jejichž funkce není známa. Tuto funkci vykonávají dvě proteázy, & beta-sekretáza a & gama-sekretasa. Amyloidní a beta proteiny jsou nesprávně složeny a zdá se, že indukují nesprávné skládání jiných proteinů, a tak se srážejí a tvoří amyloidní charakteristiku onemocnění. Plaky jsou toxické pro nervové buňky a vedou k demenci charakteristické pro toto onemocnění.

Má se za to, že agregace amyloidových a beta proteinů během chybného skládání vede ke generování reaktivních druhů kyslíku a že to je způsob, jakým jsou poškozovány neurony. Není známo, jaká je skutečná funkce amyloidu a beta. Autozomálně dominantní mutace v proteinu vedou k časnému nástupu onemocnění, ale k tomu dochází nejvýše v 10% případů. Strategie pro léčbu onemocnění zahrnují inhibici sekretáz, které generují peptidové fragmenty z amyloidového prekurzorového proteinu.

Huntingtin je ústředním genem Huntingtonovy a rsquosovy choroby. Protein z něj vyrobený je bohatý na glutamin, s 6-35 takovými zbytky ve své divoké formě. U Huntingtonovy a rsquosovy choroby je tento gen mutován, čímž se zvyšuje počet glutaminů v mutantním proteinu na 36 až 250. Velikost proteinu se liší podle počtu glutaminů v mutantním proteinu, ale protein divokého typu má více než 3100 aminokyselin kyseliny a molekulovou hmotnost asi 350 000 Da. Jeho přesná funkce není známa, ale huntingtin se nachází v nervových buňkách, s nejvyšší úrovní v mozku. Předpokládá se, že může hrát roli v transportu, signalizaci a ochraně před apoptózou. Huntingtin je také nezbytný pro raný embryonální vývoj. V buňce je huntingtin lokalizován primárně s mikrotubuly a vezikulami.

Opakování trinukleotidu

Gen huntingtin obsahuje mnoho kopií sekvence CAG (nazývané trinukleotidové repetice), které kódují mnoho glutaminů v proteinu. Huntingtonova a rsquosova choroba vzniká, když jsou při kopírování DNA genu generovány další kopie sekvence CAG. Expanze opakovaných sekvencí může nastat v důsledku sklouznutí polymerázy vzhledem k templátu DNA během replikace. V důsledku toho může být vytvořeno několik dalších kopií trinukleotidové repetice, což vede k proteinům s proměnlivým počtem glutaminových zbytků. Bez problému lze tolerovat až 35 opakování. Počet opakování se však může v průběhu života člověka a rsquos rozšířit stejným mechanismem. Jedinci s 36–40 opakováními začínají vykazovat příznaky onemocnění a pokud je jich více než 40, bude nemoc přítomna.

Molekulární chaperony

Důležitost správného skládání proteinů je zdůrazněna chorobami spojenými s chybně složenými proteiny, takže není překvapením, že buňky vydávají energii, aby usnadnily správné skládání proteinů. Buňky používají dvě třídy proteinů známých jako molekulární chaperony, aby se takové skládání v buňkách usnadnilo. Molekulární chaperony jsou dvojího druhu, chaperony a chaperoniny. Příkladem první kategorie je třída proteinů Hsp70. Hsp znamená & ldquoheat shock protein & rdquo, na základě skutečnosti, že tyto proteiny byly poprvé pozorovány ve velkém množství v buňkách, které byly krátce vystaveny vysokým teplotám. Funkce Hsps pomáhá buňkám při napětí způsobeném tepelným šokem a vystavením oxidačním podmínkám nebo toxickým těžkým kovům, jako je kadmium a rtuť. Hrají však také důležitou roli za normálních podmínek, kde pomáhají při správném skládání polypeptidů tím, že brání aberantním interakcím, které by mohly vést k nesprávnému skládání nebo agregaci. Proteiny Hsp70 se nacházejí téměř ve všech buňkách a používají hydrolýzu ATP ke stimulaci strukturálních změn ve tvaru chaperonu, aby se přizpůsobily vazbě substrátových proteinů. Vazebná doména Hsp70s obsahuje strukturu & beta-barel, která obaluje polypeptidový řetězec substrátu a má afinitu k hydrofobním postranním řetězcům aminokyselin. Jak je ukázáno na obrázku 2.50, Hsp70 se váže na polypeptidy, když se vynoří z ribozomů během syntézy proteinů. Vazba substrátu stimuluje hydrolýzu ATP a to je usnadněno dalším proteinem tepelného šoku známým jako Hsp40. Hydrolýza ATP způsobí, že Hsp70 získá uzavřenou konformaci, která pomáhá chránit exponované hydrofobní zbytky a zabránit agregaci nebo místnímu chybnému skládání.

Jakmile je syntéza proteinu dokončena, ADP se uvolní a nahradí ATP, což má za následek uvolnění substrátového proteinu, který pak umožňuje správné skládání polypeptidu v plné délce.

Obrázek 2.50 - Akce Hsp70 (modrá) k usnadnění správného skládání bílkoviny (oranžová) Obrázek Aleia Kim

V tepelném šoku

V době tepelného šoku nebo oxidačního stresu se proteiny Hsp70 vážou na rozvinuté hydrofobní oblasti proteinů, aby jim podobně zabránily v agregaci a umožnily jim správné opětovné složení. Když jsou proteiny poškozené, Hsp70 rekrutuje enzymy, které ubikvitinují poškozený protein, aby je zaměřil na destrukci v proteazomech. Proteiny Hsp70 tedy hrají důležitou roli v zajištění nejen toho, že proteiny jsou správně složeny, ale že poškozené nebo nefunkční proteiny jsou odstraněny degradací v proteazomu.

Chaperoniny

Druhá třída proteinů zapojených do pomoci správnému skládání jiných proteinů je známá jako chaperoniny. Existují dvě primární kategorie chaperoninů - třída I (nachází se v bakteriích, chloroplastech a mitochondriích) a třída II (nachází se v cytosolu eukaryot a archebakterií). Nejlepší studované chaperoniny jsou komplexní proteiny GroEL/GroES nacházející se v bakteriích (obrázek 2.51).

Obrázek 2.51 - Pohled zespodu na Wikipedii GroEL (vlevo) a GroEL/ GroES (vpravo)

GroEL/GroES nemusí být schopen vrátit agregované proteiny zpět, ale usnadněním správného skládání poskytuje soutěž o chybné skládání jako proces a může omezit nebo odstranit problémy vyplývající z nesprávného skládání. GroEL je dvoukruhový 14mer s hydrofobní oblastí, který může usnadňovat skládání substrátů o velikosti 15 až 60 kDa. GroES je samostatný heptamer, který se váže na GroEL za přítomnosti ATP a funguje jako kryt nad GroEL. Hydrolýza ATP chaperoniny indukuje velké konformační změny, které ovlivňují vazbu proteinů substrátu a jejich skládání. Není přesně známo, jak chaperoniny skládají proteiny. Pasivní modely postulují inertně fungující komplex chaperoninů tím, že zabraňují nepříznivým mezimolekulárním interakcím nebo omezují prostory, které jsou k dispozici pro skládání. Aktivní modely navrhují, aby strukturální změny v chaperoninovém komplexu vyvolaly strukturální změny v substrátovém proteinu.

Rozpad bílkovin

Obrázek 2.52 - proteazom 26S. Aktivní web zobrazený červenou Wikipedií

Dalším komplexem proteinů, který má důležitou funkci v celoživotní dynamice proteinů, je proteazom (obrázek 2.52). Proteazomy, které se nacházejí ve všech eukaryotech a archaejnech, stejně jako některé bakterie, fungují tak, že proteolytickou degradací rozkládají nepotřebné nebo poškozené proteiny. Proteazomy pomáhají regulovat koncentraci některých proteinů a degradovat ty, které jsou špatně složené. Dráha proteazomální degradace hraje důležitou roli v buněčných procesech, které zahrnují progresi buněčným cyklem, modulaci genové exprese a reakci na oxidační stresy.

Degradace v proteazomu poskytuje krátké peptidy o délce sedm až osm aminokyselin. Threoninové proteázy hrají důležitou roli. Rozkladem těchto peptidů se získají jednotlivé aminokyseliny, což usnadňuje jejich recyklaci v buňkách. Proteiny jsou zaměřeny na degradaci v eukaryotických proteazomech připojením k více kopiím malého proteinu nazývaného ubiquitin (8,5 kDa - 76 aminokyselin). Enzym katalyzující reakci je známý jako ubikvitin ligasa. Výsledný polyubiquitinový řetězec je vázán proteazomem a začíná degradace. Ubiquitin byl pojmenován díky tomu, že se všudypřítomně nachází v eukaryotických buňkách.

Obrázek 2.53 - Wikipedie ubikvitin (lysinové postranní řetězce zobrazené žlutě)

Ubikvitin (obrázek 2.53) je malý (8,5 kDa) multifunkční protein nacházející se v eukaryotických buňkách. Obvykle se přidává do cílových proteinů působením enzymů ubikvitin ligázy (E3 na obrázku 2.54). Může být přidána jedna (ubikvitinace) nebo mnoho (polyubikvitinace) ubikvitinových molekul. Připojení ubikvitinu je prostřednictvím postranního řetězce jednoho ze sedmi různých lysinových zbytků v ubikvitinu.

Přidání ubikvitinu k proteinům má mnoho účinků, z nichž nejznámější je cílení proteinu na degradaci v proteazomu. Proteazomální cílení je pozorováno, když dochází k polyubikvitinaci na lysinech č. 29 a 48. Polyubikvitinace nebo monoubiquitinace na jiných lysinech může mít za následek pozměněné buněčné umístění a změněné interakce protein-protein. Ta může ovlivnit zánět, endocytární přenos, translaci a opravu DNA.

Obrázek 2.54 - Cesta pro ubikvitinaci cílového substrátového proteinu Obrázek Pehr Jacobson

Porucha ubikvitin ligázy

Parkin je protein související s onemocněním Parkinson & rsquos, který je při mutaci spojen s dědičnou formou onemocnění zvaného autozomálně recesivní juvenilní Parkinsonova a rsquosova choroba. Funkce proteinu není známá, ale je součástí systému E3 ubikvitin ligázy odpovědného za přenos ubikvitinu z proteinu E2 do postranního řetězce lysinu na cílovém proteinu. Předpokládá se, že mutace v parkinu vedou k proteazomální dysfunkci a následné neschopnosti štěpit proteiny škodlivé pro dopaminergní neurony. To má za následek smrt nebo nesprávnou funkci těchto neuronů, což má za následek Parkinsonovu a rsquosovu chorobu.

Vnitřně neuspořádané proteiny

Film 2.1 - Dynamický pohyb cytochromu C ve Wikipedii řešení

Jak je zřejmé z mnoha příkladů popsaných jinde v knize, 3-D struktura proteinů je důležitá pro jejich funkci. Ale stále více se ukazuje, že ne všechny proteiny se skládají do stabilní struktury. Studie takzvaných vnitřně neuspořádaných proteinů (IDP) v posledních několika desetiletích ukázaly, že mnoho proteinů je biologicky aktivních, i když se domnívají, že se nedají složit do stabilních struktur. Ještě jiné proteiny vykazují oblasti, které zůstávají rozvinuté (oblasti IDP), i když se zbytek polypeptidu skládá do strukturované formy.

Vnitřně neuspořádané proteiny a neuspořádané oblasti uvnitř proteinů jsou ve skutečnosti známy již mnoho let, ale byly považovány za anomálii. Teprve nedávno, s vědomím, že IDP a IDP oblasti jsou mezi eukaryotickými proteiny rozšířené, bylo uznáno, že pozorovaná porucha je „funkcí, nikoli chybou“.

Film 2.2 SUMO-1, protein s vnitřně neuspořádanými sekcemi Wikipedie

Porovnání IDP ukazuje, že sdílejí sekvenční charakteristiky, které zřejmě upřednostňují jejich neuspořádaný stav. To znamená, že stejně jako některé aminokyselinové sekvence mohou upřednostňovat skládání polypeptidu do konkrétní struktury, aminokyselinové sekvence IDP upřednostňují jejich zbývající rozvinutí. IDP regiony jsou považovány za oblasti s nízkým obsahem hydrofobních zbytků a neobvykle bohaté na polární zbytky a prolin. Přítomnost velkého počtu nabitých aminokyselin v IDP může inhibovat skládání prostřednictvím odpuzování náboje, zatímco nedostatek hydrofobních zbytků ztěžuje vytvoření stabilního hydrofobního jádra a prolin odrazuje od vytváření šroubovicových struktur. Pozorované rozdíly mezi aminokyselinovými sekvencemi v IDP a strukturovaných proteinech byly použity k návrhu algoritmů pro předpověď, zda bude daná aminokyselinová sekvence neuspořádaná.

Jaký je význam vnitřně neuspořádaných proteinů nebo oblastí? Skutečnost, že tato vlastnost je zakódována v jejich aminokyselinových sekvencích, naznačuje, že jejich porucha může být spojena s jejich funkcí. Flexibilní, mobilní povaha některých oblastí IDP může hrát zásadní roli v jejich funkci, což umožňuje přechod na skládanou strukturu po navázání proteinového partnera nebo po posttranslační modifikaci. Studie několika známých proteinů s IDP oblastmi naznačují určité odpovědi. Oblasti IDP mohou zvýšit schopnost proteinů, jako je lac represor, translokovat se podél DNA za účelem hledání specifických vazebných míst. Flexibilita IDP může být také přínosem v interakcích protein-protein, zejména u proteinů, o kterých je známo, že interagují s mnoha různými proteinovými partnery.

Obrázek 2.55 - Denaturace a renaturace ribonukleázy Wikipedia

Například p53 má oblasti IDP, které mohou dovolit proteinu interagovat s řadou funkčních partnerů. Porovnání známých funkcí proteinů s předpovědí poruchy v těchto proteinech naznačuje, že IDP a IDP oblasti mohou neúměrně fungovat v signalizaci a regulaci, zatímco strukturovanější proteiny se zužují směrem k rolím v katalýze a transportu. Je zajímavé, že se předpokládá, že mnoho proteinů nacházejících se v ribozomech i spliceozomech má oblasti IDP, které mohou hrát roli ve správném sestavení těchto komplexů. I když vnitřně vysídlené osoby nebyly příliš dlouho intenzivně studovány, to málo, co je o nich známo, naznačuje, že hrají v buňkách důležitou a podceňovanou roli.

Metamorfní proteiny

Další skupinou proteinů, které v poslední době změnily naše uvažování o struktuře a funkci proteinů, jsou takzvané metamorfní proteiny. Tyto proteiny jsou schopné tvořit více než jeden stabilní složený stav počínaje jedinou aminokyselinovou sekvencí. Ačkoli je pravda, že vícenásobné skládané konformace nejsou vyloučeny zákony fyziky a chemie, metamorfní proteiny jsou relativně novým objevem. Bylo samozřejmě známo, že prionové proteiny jsou schopné skládat se do alternativních struktur, ale metamorfní proteiny se zdají být schopné přepínat tam a zpět mezi dvěma stabilními strukturami. Zatímco v některých případech metamorfní protein prochází tímto přepínačem v reakci na vazbu jiné molekuly, některé proteiny, které mohou dosáhnout tohoto přechodu samy. Zajímavým příkladem je signální molekula, lymfotaktin. Lymfotaktin má dvě biologické funkce, které jsou prováděny jeho dvěma konformery- monomerní forma, která váže lymfotaktinový receptor, a dimerní forma, která váže heparin. Je možné, že tento druh přepínání je rozšířenější, než se dosud myslelo.

Přeformátování denaturovaných proteinů

Všechny informace o skládání proteinů jsou obsaženy v aminokyselinové sekvenci proteinu. Může se pak zdát zvláštní, že většina proteinů se neshromáždí do své správné, plně aktivní formy poté, co byly denaturovány +++ a odstraněn denaturační prostředek. Několik jich ve skutečnosti ano. Jedním dobrým příkladem je hovězí ribonukleáza (obrázek 2.55). Jeho katalytická aktivita je velmi odolná vůči teplu a močovině a pokusy o její denaturaci nefungují příliš dobře. Pokud však někdo zachází s enzymem s & beta-merkaptoethanolem (který rozbíjí disulfidové vazby) před zpracováním močovinou a/nebo zahříváním, aktivita se ztrácí, což naznačuje, že kovalentní disulfidové vazby pomáhají stabilizovat celkovou strukturu enzymu a když jsou porušeny, může denaturace snadno dojít. Když se směs ochladí zpět na pokojovou teplotu, v průběhu času se opět objeví nějaká aktivita enzymu, což naznačuje, že se ribonukleáza za nových podmínek znovu složila.

Je zajímavé, že k renaturaci dojde maximálně, pokud během procesu v roztoku zůstane malé množství & beta-merkaptoethanolu. Důvodem je to, že & beta-merkaptoethanol umožňuje redukci (a lámání) náhodných, nesprávných disulfidových vazeb během procesu skládání. Bez toho tyto disulfidové vazby zabrání vytváření řádných záhybů.

Nevratná denaturace

Většina enzymů se však nechová jako bovinní ribonukleáza. Jakmile jsou denaturovány, jejich aktivita nemůže být obnovena na žádný významný. Existuje jen málo způsobů, jak deaktivovat RNázu. Je stabilní, když je horká nebo studená, protože disulfidy pevně drží. Pokud si přejete, aby se zastavila, použijte horký rozsah merkaptoethanolu. To se může zdát v rozporu s myšlenkou skládání informací, které jsou vlastní sekvenci aminokyselin v proteinu. To není.

Většina enzymů se po denaturaci správně neskládá ze dvou důvodů. Za prvé, při výrobě proteinů může dojít k normálnímu skládání. Interakce mezi aminokyselinami na počátku syntézy nejsou & ldquoconfused & rdquo interakcemi s aminokyselinami později v syntéze, protože tyto aminokyseliny nejsou & rsquot přítomny při zahájení procesu.

Role chaperoninů a rsquo

V ostatních případech proces skládání některých proteinů v buňce závisel na působení chaperoninových proteinů (viz ZDE). Při absenci chaperoninů dochází k interakcím, které by mohly vést k nesprávnému skládání, což brání správnému skládání. Časné skládání a pomoc chaperoninů tedy eliminuje některé potenciální interakce & ldquowrong-fold & rdquo, ke kterým může dojít, pokud byla při zahájení skládání přítomna celá sekvence.

Kvartérní struktura

Čtvrtou úrovní proteinové struktury je kvartérní struktura. Vztahuje se na struktury, které vznikají v důsledku interakcí mezi více polypeptidy. Jednotky mohou být identické více kopií nebo to mohou být různé polypeptidové řetězce. Hemoglobin pro dospělé je dobrým příkladem proteinu s kvartérní strukturou, který se skládá ze dvou identických řetězců nazývaných & alfa a dvou identických řetězců nazývaných & beta.

Ačkoli jsou řetězce & alfa velmi podobné řetězcům & beta, nejsou totožné. Oba řetězce alfa a beta jsou také příbuzné jednomu polypeptidovému řetězci v příbuzném proteinu zvaném myoglobin. Myoglobin i hemoglobin mají podobnost ve vazbě kyslíku, ale jejich chování vůči molekule se výrazně liší. Je pozoruhodné, že tyto rozdíly vedou ke vzniku více podjednotek hemoglobinu a rsquosu (s kvartérní strukturou) ve srovnání s jednoduchou podjednotkou myoglobinu a rsquose (bez kvartérní struktury).


Metody pro detekci a analýzu interakcí protein protein

Interakce protein-protein (PPI) jsou základem mnoha důležitých buněčných procesů, jako je signální transdukce, molekulární transport a různé metabolické cesty, zatímco aberantní PPI jsou základem nemocí spojených s více agregacemi, jako je Alzheimerova choroba, a mohou vést k rakovině. Proto byly PPI rozsáhle studovány v oblasti biologických věd a lékařského výzkumu. Zde zkoumáme hlavní současné přístupy používané k detekci a analýze interakce protein protein.

Tabulka 1: Souhrn běžných metod detekce PPI
Technika Zásada
Coimmunoprecipitace
(Co-IP)
Imunoprecipitační experiment navržený k afinitní purifikaci antigenu návnadového proteinu společně s jeho vazebným partnerem pomocí specifické protilátky proti návnadě.
Rozbalovací testy Způsob afinitní chromatografie, který zahrnuje použití značené nebo značené návnady k vytvoření specifické afinitní matrice, která umožní vazbu a čištění kořistního proteinu ze vzorku lyzátu nebo jiné směsi obsahující protein.
Kvasinkový dvouhybridní (Y2H) Monitorujte tvorbu komplexu prostřednictvím transkripční aktivace reportérových genů.
Far-Western Blotting Podobná strategie jako Western blot s jedním klíčovým rozdílem. Sonda protilátky v typické detekci Western blot je nahrazena značeným návnadovým proteinem jako sondou.
Hmota na čištění tandemové afinity
spektroskopie
(TAP-MS)
TAP-MS je založen na dvojím značení požadovaného proteinu na jeho chromozomálním lokusu, po kterém následuje dvoufázový purifikační proces a hmotnostní spektroskopická analýza.
Proteinové mikročipy Analýza založená na mikročipu umožňuje simultánní analýzu tisíců parametrů v rámci jednoho experimentu.
Interferometrie biologické vrstvy (BLI) Změna počtu molekul navázaných na špičku biosenzoru způsobuje posun interferenčního obrazce, který lze měřit v reálném čase.
Povrchová plazmonová rezonance (SPR) Úhel SPR se mění s povrchovými indexy lomu, což je přímo úměrné molekulové hmotnosti biomolekuly připojené k povrchu kovu.

Coimmunoprecipitace (Co-IP)

Koimunoprecipitace (Co-IP) je populární technikou k identifikaci a validaci fyziologicky relevantních interakcí protein-protein. Pomocí protilátek specifických pro cílový protein k nepřímému zachycení proteinů, které jsou navázány na specifický cílový protein, se Co-IP aplikuje na screening nových interakcí protein-protein nebo potvrzení existence interakcí protein-protein.

V Co-IP proteiny interagují v nedenaturujícím stavu, který je téměř fyziologický. Nízká afinita nebo přechodná interakce mezi proteiny však nemusí být detekována.Na druhé straně výsledek Co-IP nemohl určit, zda je interakce přímá nebo nepřímá, protože nelze vyloučit možnost zapojení dalších proteinů.

Stahovací testy

Pull-down test je metoda in vitro používaná ke stanovení fyzické interakce mezi dvěma nebo více proteiny. Může být použit pro potvrzení stávajících interakcí protein-protein objevených jinými technikami nebo počáteční screening k identifikaci nových interakcí protein-protein.

Základním principem pull down testu je použití tag fúzovaného proteinu (jako je GST-tag, His-tag a biotin-tag) imobilizovaného na afinitní pryskyřici jako návnadový protein. Proteiny vázající se na návnadový protein (kořistní protein) lze zachytit a „stáhnout“, když protéká cílový protein nebo buněčný lyzát. Následnou elucí a analýzou pomocí Western Blot nebo hmotnostní spektrometrie lze potvrdit predikovanou interakci nebo objevit dříve neznámé interakce.

Kvasinkový dvouhybridní (Y2H)

Dvouhybridní systém je jednou z nejpoužívanějších metod pro screening nebo potvrzení interakcí protein-protein. V testu Y2H jsou vyžadovány dvě proteinové domény, které budou mít dvě specifické funkce: (i) doménu vázající DNA (DBD), která pomáhá navazovat na DNA, a (ii) aktivační doménu (AD) odpovědnou za aktivaci transkripce DNA. Obě domény jsou nutné pro transkripci reportérového genu. Analýza Y2H umožňuje přímé rozpoznání PPI mezi páry proteinů. Metoda však může způsobit velké množství falešně pozitivních interakcí. Na druhou stranu mnoho pravdivých interakcí nelze vysledovat pomocí testu Y2H, což vede k falešně negativním výsledkům.

Far-Western Blotting

Far-western blotting je molekulárně biologická metoda, která je založena na technice westernového přenosu pro detekci interakce protein-protein in vitro. Zatímco obvyklý western blot používá k detekci požadovaného proteinu protilátku, far-western blot používá protein bez protilátky, který může vázat požadovaný protein. Zatímco tedy pro detekci určitých proteinů se používá westernový přenos, pro detekci interakcí proteinového proteinu se používá spíše westernový přenos.

Tandemová afinitní purifikace-hmotnostní spektroskopie (TAP-MS)

Značení TAP bylo vyvinuto ke studiu PPI za vnitřních podmínek buňky. Tato metoda je založena na dvojím značení požadovaného proteinu na jeho chromozomálním lokusu, po kterém následuje dvoufázový purifikační proces. Proteiny, které zůstávají asociované s cílovým proteinem, pak mohou být vyšetřeny a identifikovány pomocí SDS-PAGE s následnou analýzou hmotnostní spektrometrií, čímž se identifikuje PPI spolupracovník původního požadovaného proteinu.

Proteinové mikročipy se rychle etablovaly jako účinný prostředek k detekci proteinů, monitorování jejich úrovní exprese a zjišťování interakcí a funkcí proteinů. Proteinový mikročip je kus skla, na který byly uspořádanými způsoby na různých místech připevněny různé molekuly bílkovin. Proteinové mikročipy v tuto chvíli zaznamenaly obrovský pokrok a zájem a staly se jednou z aktivních oblastí, které se objevují v biotechnologiích. Cílem vývoje proteinových mikročipů je dosáhnout účinné a citlivé vysoce výkonné analýzy proteinů, která provádí souběžně velký počet stanovení pomocí automatizovaný proces.

BiologicsCorp poskytuje uklidňující službu produkce bílkovin. Stačí, když nám zadáte objednávku, a poté získáte protein s požadovanou čistotou. Další podrobnosti budou následovat

V.Srinivasa Rao, K. Srinivas, G. N. Sujin a G. N. Sunand Kumar. Detekce interakce protein-protein: metody a analýza. Int J Proteomics, 2014: 147648.

T.Berggard, S.Linse a P. James. Metody pro detekci a analýzu interakcí protein-protein, Proteomics, 2007, 7 (16): 2833–2842.

Phizicky E. M. a Fields S. Interakce protein-protein: metody pro detekci a analýzu. Microbiol Rev. 1995, 59 (1): 94-123.


3. Terciární struktura

Terciární struktura se týká komplexní 3-D struktury polypeptidového řetězce proteinu. Existuje několik typů vazeb a sil, které drží protein ve své terciární struktuře.

  • Hydrofobní interakce výrazně přispívají ke skládání a tvarování bílkovin. Skupina "R" aminokyseliny je buď hydrofobní nebo hydrofilní. Aminokyseliny s hydrofilními "R" skupinami budou hledat kontakt s jejich vodným prostředím, zatímco aminokyseliny s hydrofobními "R" skupinami se budou snažit vyhnout vodě a umístit se do středu proteinu.
  • Vodíkové vazby v polypeptidovém řetězci a mezi skupinami aminokyselin "R" pomáhá stabilizovat strukturu proteinu tím, že drží protein ve tvaru stanoveném hydrofobními interakcemi.
  • Díky skládání bílkovin iontová vazba může nastat mezi kladně a záporně nabitými skupinami „R“, které spolu přicházejí do těsného kontaktu.
  • Skládání může také vést k kovalentní vazbě mezi "R" skupinami cysteinových aminokyselin. Tento typ spojování tvoří to, čemu se říká a disulfidový most. Interakce zvané van der Waalsovy síly také pomáhají při stabilizaci proteinové struktury. Tyto interakce se týkají atraktivních a odpudivých sil, které se vyskytují mezi molekulami, které se stanou polarizovanými. Tyto síly přispívají ke spojení, ke kterému dochází mezi molekulami.

Metody

Párové testovací experimenty

Experimentálně jsme testovali top 500 predikcí L3 proti top 500 předpovědím CRA 29 v lidské síti, testováno HI. HI-testováno je podmnožinou souboru údajů o lidské interakci HI-II-14 5, omezeného na jeden ORF pro každý gen, přítomný v HI-III 26, a vynechávající keratiny (KRT*). Abychom otestovali celkovou účinnost experimentu, zahrnovali jsme 94 literaturou kurátorovaných interakcí s více důkazy (Lit-BM-13 5), stejně jako soubor 88 pozitivních referenčních interakcí z literatury (PRS). V zásadě mohou mít proteiny našich nejvyšších předpovědí speciální vlastnosti, které lokálně mění rychlost obnovy jejich interakcí. Abychom získali konkrétnější hodnocení, náš vybraný pozitivní soubor („známé“ PPI) obsahuje 100 náhodně vybraných známých odkazů v HI-testech, připojených k alespoň jednomu z uzlů v 500 nejlepších předpovědích L3. Abychom mohli kontrolovat míru falešně pozitivních výsledků, vybrali jsme sadu 144 párů náhodných uzlů v sadě náhodných referencí (RRS) a konkrétnější sadu 100 náhodných párů zahrnujících proteiny v nejlepších 500 L3 predikcích (RND). Celkem jsme párově testovali 1485 neredundantních párů ve dvou orientacích a každý pár jsme klasifikovali jako pozitivní, negativní nebo neurčený. Podrobnosti o experimentálním protokolu jsou shrnuty v doplňkové poznámce 1.

Statistická analýza

Všechny statistické analýzy byly provedeny pomocí balíčku R (v3.2.3, http://www.r-project.org/). Podrobnosti o kvantitativním hodnocení výkonnosti jsou uvedeny v doplňkové poznámce 2.

Přiřazení pravděpodobností predikcím L3

Abychom odhadli pravděpodobnost pozitivního testu každého predikovaného odkazu v párovém testovacím experimentu, nejprve jsme vypočítali skóre predikce pro každý existující odkaz v testu HI ve scénáři ponechání-jeden-out a seřazili jsme tyto známé PPI společně s nově predikovanými odkazy na základě jejich skóre predikce. Za předpokladu, že kolem daných řadových párů je větší pravděpodobnost, že budou skutečné, pokud jsou obklopeny již známými odkazy, odhadneme pravděpodobnost ověření v dané hodnosti výpočtem poměru známých interakcí ke všem párům v okně ± 50 známých interakcí kolem zkoumaného hodnost. Tyto pravděpodobnosti pak sečteme do dané pozice a poskytneme očekávaný počet validovaných interakcí až do této pozice.

Dostupnost kódu

Predikční kód L3, spolu s příklady datových sad, vstupních datových souborů a predikcí, je k dispozici na [https://doi.org/10.5281/zenodo.2008592]. Další kódy napsané a použité v této studii jsou k dispozici od příslušného autora na základě rozumné žádosti.

Souhrn hlášení

Další informace o experimentálním designu jsou k dispozici v souhrnu zpráv o výzkumu přírody, který je propojen s tímto článkem.


(1). Primární struktura

Ó Primární struktura proteinu udává podrobnosti o aminokyselinové sekvenci proteinu.

Ø Primární struktura vám řekne dvě hlavní věci: (i) The počet aminokyselinových zbytků v proteinu a (ii) sekvence aminokyselin.

Ø Informace „sekvence“ obsahuje správné pořadí aminokyselin v proteinu od N-konce do C-konce.

Ø Primární struktura proteinu bude určovat všechny ostatní úrovně strukturální organizace proteinu (sekundární, terciární a kvartérní).

Ø Primární struktura je stabilizována Peptidové dluhopisy (Kovalentní vazba).

Ø První studií o neznámém proteinu bude stanovení jeho sekvence (určení primární struktury).

Ø První sekvenovaný protein: Inzulín podle Frederick Sanger.

Primární struktura inzulínu

Význam primární struktury:

Ø Primární struktura proteinu nabídne pohled na jeho:

(A). Trojrozměrný (3D) struktura

b). Funkce bílkovin

(C). Buněčný umístění

d). Vývoj bílkovin

Ø Data primární struktury lze použít pro vyhledávání sekvencí z proteinové databáze.

Trojrozměrné struktury proteinů

Ø Páteř bílkoviny obsahuje stovky jedinců vazby.

Ø Kolem mnoha z těchto vazeb je možné volné otáčení.

Ø Volná rotace umožňuje neomezený počet konformací kolem těchto vazeb.

Ø Každý protein má však specifický (jedinečný) strukturální konformace.

Tato jedinečná strukturální formace proteinu se nazývá jeho 3D struktura.

Ø Prostorové uspořádání atomů v proteinu se nazývá jeho „Konformace’.

Ø Proteiny ve svých funkčních, skládaných konformacích se nazývají nativní proteiny.

Ø Konformace proteinu jsou stabilizovány hlavně slabými interakcemi, jako např Vodíkové vazbyhydrofilní interakce, hydrofobní interakce atd.

Ø Tyto slabé interakce lze snadno zkreslit s menším výdejem energie.

Ø Proteiny mohou mít tři úrovně trojrozměrných (3D) organizací. Oni jsou:

Sekundární struktura

Terciární struktura

Kvartérní struktura

(2). Sekundární struktura

Ø Sekundární struktura je speciální lokální konformace některé části polypeptidového řetězce.

Ø Je to skládací vzor pravidelné polypeptidové páteře.

Ø V přírodě se vyskytují různé druhy sekundárních struktur.

Ø Sekundární struktury jsou stabilizovány hlavně pomocí Vodíkové vazby.

Ø Tři nejdůležitější sekundární struktury v bílkovinách jsou:

B. β-Konformace (β-desky)

(A). α-Helix

Ø α-šroubovice je nejběžnější sekundární strukturou.

Ø Jsou to pravidelné struktury, které se opakují každý 5,4 Å.

Ø Je to nejjednodušší uspořádání polypeptidového řetězce.

Ø α-helikální strukturu proteinu navrhli Pauling a Corey v roce 1951.

Ó Polypeptidový hlavní řetězec je pevně navinut kolem imaginární osy vedené podélně středem šroubovice a skupiny R aminokyselinových zbytků vyčnívají ven ze šroubovicového páteře.

Ó Rozteč šroubovice: Opakující se jednotka šroubovice.

Ø Rozteč je jediné otočení šroubovice, které se rozprostírá kolem 5,4 Å.

Ø Každý šroubovicový závit v α-šroubovici obsahuje 3,6 aminokyselin.

Ø Šroubovicový závit α-šroubovice ve všech bílkovinách je pravák.

Ø Šroubovice α je stabilizována o Vodíkové vazby.

Ø α-šroubovice je v proteinech tak běžná, protože optimálně využívá vnitřní vodíkové vazby.

Ø Vodíkové vazby se tvoří mezi vodíkem připojeným k elektronegativnímu atomu dusíku peptidové vazby a elektronegativním karbonylovým atomem kyslíku čtvrté aminokyseliny na amino-koncové straně peptidové vazby.

Ø V rámci α-šroubovice se každá peptidová vazba účastní vodíkových vazeb.

Ø Všechny vodíkové vazby dohromady poskytují značnou stabilitu α-šroubovice.

Ø Všechny polypeptidy nemohou tvořit světlou a-šroubovici.

Ø Interakce mezi postranními řetězci aminokyselin mohou stabilizovat nebo destabilizovat a-šroubovici.

Ø Například pokud má polypeptidový řetězec dlouhý úsek zbytků kyseliny glutamové, tento segment řetězce nevytvoří a-šroubovici.

Ø Negativně nabitá karboxylová skupina sousedních zbytků Glu se navzájem silně odpuzuje, takže zabraňují tvorbě α-šroubovice.

Ø Podobně polypeptid bohatý na Prolin nevytvoří a-šroubovici.

Ø V prolinu je atom dusíku součástí tuhého kruhu a rotace kolem N - Cα vazba NENÍ možná.

Ø Tak prolin zavádí destabilizaci zauzlovat v polypeptidu, a proto se prolin velmi zřídka nachází v a-šroubovici.

Β-konformace (β-desky)

Ø P konformace nebo p-desky organizují polypeptidové řetězce do povlečení na postel.

Ø Konformace β je prodloužena forma polypeptidového řetězce.

Ø Zde je páteř polypeptidu prodloužena do a cikcak struktura.

Ø Cik cak polypeptidové řetězce mohou být uspořádány vedle sebe a vytvářet strukturu připomínající řadu záhybů nazývaných β-listy.

Ø I zde je konstrukce stabilizována Vodíkové vazby.

Ø Na rozdíl od α-šroubovice jsou však vodíkové vazby tvořeny mezi sousedními segmenty řetězce.

Ø R-skupiny sousedních aminokyselin vyčnívají z cikcakové struktury v opačném směru a vytvářejí střídající se vzor.

Ø Polypeptidové řetězce v p-listech mohou být uspořádány buď paralelně (ve stejném směru) nebo antiparalelně (v opačném směru).

Ø Na základě toho jsou β-desky rozděleny do dvou typů: (diagram)

(a) Anti-paralelní β-desky

(b) Paralelní β-desky

Ø P-obraty jsou velmi běžné v proteinech, kde peptid dělá obrat nebo smyčku (peptid dělá opačný směr).

Ø V globulárních proteinech je téměř jedna třetina zbytků aminokyselin v β otáčkách.

Ø P-závity jsou spojovacími prvky, které spojují po sobě jdoucí běhy polypeptidového řetězce.

Ø Otáčení β spojuje konce dvou sousedních segmentů antiparalelních β listů.

Ø Struktura β-otočení je Otočení o 180 stupňů zahrnující čtyři aminokyselinové zbytky

Ø Karbonylový kyslík prvního zbytku vytváří vodíkovou vazbu s aminoskupinou vodík čtvrté aminokyseliny v pořadí.

Ø Glycin (Gly) a Prolin (Pro) se často nacházejí v β-otáčkách.

Ø Glycin díky své velmi malé velikosti (skupina R je - H) umožňuje β otáčky.

Ø Prolin je imino kyselina s bočním řetězcem kovalentně spojeným s aminoskupinou.

Ø Prolinový zbytek v peptidové vazbě předpokládá „Cis“ konfigurace.

Ø The „Cis“ konformace je velmi přístupná těsným zatáčkám.

Ø Existuje několik typů β závitů typu I a typu II jsou nejběžnější.

Ø Typ I β-turn je více než dvojnásobný oproti typu II.

Ø U typu II bude třetím zbytkem vždy glycinový zbytek.

(3). Proteiny terciární struktury

Ø Terciární struktura: Celkové trojrozměrné uspořádání všech atomů v proteinu se označuje jako terciární struktura.

Ø Terciární struktura bude mít jeden polypeptid “ zadní kost ” s jednou nebo více sekundárními strukturami.

Ø Terciární struktura je definována atomové souřadnice.

Ø Terciární struktury v proteinu jsou stabilizovány kovalentními i nekovalentními vazbami.

Ø kovalentní vazba: Disulfidové vazby (mezi dvěma Cys zbytky)

Ø Nekovalentní interakce: Iontové interakce (elektrostatické atrakce), hydrofilní interakce, van der Waalsovy interakce.

Ø Termín „Doména‘Se používá k označení jediné funkční jednotky proteinu.

Ø Protein může mít mnoho domén se specifickými funkcemi.

Ø Protein s jedinou podjednotkou má pouze až terciární strukturu.

(4). Kvartérní struktura

Ø Většina funkčních proteinů obsahuje více než jeden polypeptidový řetězec a takový protein údajně je oligomerní.

Ø Každý peptid tvoří a podjednotka nebo monomer nebo protomer.

Ø Kvartérní struktura: Uspořádání proteinových monomerů v trojrozměrných komplexech v multi-podjednotkovém proteinu se nazývá kvartérní struktura.

Ø Aby měl protein kvartérní strukturu, měl by splňovat dvě podmínky:

§ Měl by mít více než jednu podjednotku polypeptidu

§ Mezi podjednotkami by neměla existovat trvalá (kovalentní) interakce (jako disulfidová vazba).

Ø Inzulin nemá kvartérní strukturu, i když obsahuje dvě podjednotky.

Ø Dva polypeptidy v inzulínu jsou kovalentně spojeny se dvěma disulfidovými vazbami.

Ø Inzulín tedy může mít až terciární strukturu (nikoli kvartérní strukturu).

Ø Kvartérní struktura stabilizující svazky: vodíkové vazby, hydrofilní interakce, hydrofobní interakce, van der Waalsovy interakce.

Nelson, D.L., Lehninger, A.L. a Cox, M.M., 2008. Lehninger ’s Principles of Biochemistry. Macmillan.

Studujte offline (bez internetu)

Teď můžeš Stažení the PDF tohoto příspěvku Zcela zdarma!

Klikněte prosím na Odkaz ke stažení / Knoflík níže uložte příspěvek jako jeden soubor PDF. Soubor PDF se otevře v novém okně v samotném prohlížeči. Klikněte pravým tlačítkem na PDF a vyberte ‘Uložit jako‘ možnost uložit soubor do počítače.

Prosím Sdílejte PDF se svými přáteli, příbuznými, studenty a kolegy …

Máte nějaké dotazy?
Zanechte mě prosím v sekci Komentáře níže.
Rád si přečtu vaše komentáře a odpovědi.


Druhy mastných kyselin

Nenasycené mastné kyseliny (polynenasycené a mononenasycené)

Mononenasycené mastné kyseliny obsahují jednu dvojnou vazbu uhlík-uhlík, kterou lze nalézt v různých polohách v celém řetězci mastných kyselin. Většina mononenasycených mastných kyselin má délku mezi 16 a 22 uhlíky a obsahuje cis dvojnou vazbu, což znamená, že atomy vodíku jsou orientovány stejným směrem, čímž dochází k ohybu molekuly. Kromě toho je cis konfigurace spojena s termodynamickou nestabilitou a tedy nižší teplotou tání ve srovnání s trans a nasycenými mastnými kyselinami.

Polynenasycené mastné kyseliny obsahují více než jednu dvojnou vazbu. Když je první dvojná vazba umístěna mezi třetím a čtvrtým nebo šestým a sedmým atomem uhlíku z vazby uhlík-kyslík, označují se jako ω-3 a ω-6 mastné kyseliny. Polynenasycené mastné kyseliny jsou produkovány pouze rostlinami a fytoplanktonem a jsou nezbytné pro všechny vyšší organismy.

Nasycený

Nasycené mastné kyseliny jsou nasyceny vodíkem a většinou jde o přímé uhlovodíkové řetězce se sudým počtem atomů uhlíku. Nejběžnější mastné kyseliny obsahují 12–22 atomů uhlíku.

Dlouhý řetěz

Mastné kyseliny s dlouhým řetězcem (C16 a vyšší) mohou být buď nasycené nebo mono/polynenasycené v závislosti na přítomnosti jedné nebo více dvojných vazeb v uhlíkovém řetězci. Oleate je nejhojnější mononenasycenou mastnou kyselinou s dlouhým řetězcem, s délkou řetězce 18 uhlíků a dvojnou vazbou umístěnou mezi C9 a C10 z methylového konce (C18: 1n-9). Kromě toho jsou mastné kyseliny s dlouhým řetězcem nerozpustné ve vodě a cirkulují plazmou buď jako esterifikovaný komplex, triacylglyceroly nebo neesterifikované formy volně vázané na albumin.

Krátký řetězec

Mastné kyseliny s krátkým řetězcem jsou primárními konečnými produkty bakteriálního metabolismu v lidském tlustém střevě. Navíc, zatímco mastné kyseliny s krátkým řetězcem jsou tvořeny anaerobními mikroorganismy z různých prekurzorů, sacharidy jsou nejčastějšími předky mastných kyselin s krátkým řetězcem.


Biomolekulární struktury: Predikce, identifikace a analýzy

Kolagenová trojitá šroubovice

Kolagen je vláknitý protein, který je v lidském těle hojně zastoupen, je hlavní složkou kůže, kostí a různých pojivových tkání. Pomáhá při vytváření lešení, které poskytuje pevnost a strukturu. Kolageny mají jedinečnou opakující se sekvenci tripeptidů s glycinem na každé třetí pozici a iminokyseliny prolin a hydroxyprolin jsou často přítomny v dalších dvou polohách (Bowes a Kenten, 1948 Eastoe, 1955). První trojitá šroubovicová struktura kolagenu měla dvě meziřetězcové H vazby pro každé tři zbytky (Ramachandran a Kartha, 1954, 1955). Toto bylo mírně upraveno na jednu vodíkem vázanou strukturu (Rich a Crick, 1955). Bylo však také zjištěno, že druhá vodíková vazba zprostředkovaná vodou stabilizuje trojitou šroubovici (Ramachandran a Sasisekharan, 1961). Každá šroubovice v kolagenu má smysl pro šroubování levou rukou a hlavní šroubovice tvořená třemi takovými šroubovicemi je pravák. Každá šroubovice má 10 zbytků ve 3 otáčkách, což vede k rozteči 85,8 Å. Bylo zjištěno, že zkroucení mezi dvěma sousedními šroubovicemi je -108,8 ° a stoupá o

2,86 Å (Bhattacharjee a Bansal, 2005 Ramachandran a Kartha, 1955 Ramachandran a Sasisekharan, 1961). Molekulární defekty v biosyntéze kolagenu mohou vést k mnoha vzácným genetickým onemocněním zahrnujícím pojivové tkáně, jako je Ehlers-Danlosův syndrom (De Paepe, 1998 Gaisl a kol., 2017 Miyake a kol., 2017 Prockop a kol., 1979). Bylo prokázáno, že kolagen má širokou škálu aplikací v lékařské a kosmetické oblasti, protože je biologicky rozložitelný, biokompatibilní, snadno dostupný a slabě antigenní (Cheng a kol., 2017 Chvapil, 1977 Chvapil a kol., 1973 Lee a kol., 2001 Sheikh a kol., 2017). V oblasti tkáňového inženýrství se ke zlepšení funkcí tkání používají biomateriály na bázi kolagenu (Parenteau-Bareil a kol., 2010 ).


Délkové rozdíly mezi fyzicky interagujícími proteiny - biologie

Obrázek 1: Galerie proteinů. Reprezentativní příklady velikosti proteinu jsou ukázány s příklady nakreslenými pro ilustraci některých klíčových funkčních rolí, které na sebe berou. Všechny proteiny na obrázku jsou zobrazeny ve stejném měřítku, aby poskytly dojem o jejich relativních velikostech. Malé červené objekty zobrazené na některých molekulách jsou substráty pro požadovaný protein. Například v hexokináze je substrátem glukóza. O rukojeti v syntéze ATP je známo, že existuje, ale přesná struktura nebyla k dispozici, a proto byla nakreslena pouze schematicky. Jména v závorkách jsou ID položek databázových struktur PDB. (Obrázek s laskavým svolením Davida Goodsella).

Proteiny jsou často označovány jako pracovní koně buňky. Dojem z relativních velikostí těchto různých molekulárních strojů lze získat z galerie zobrazené na obrázku 1. Jeden oblíbený příklad poskytuje protein Rubisco zobrazený na obrázku, který je zodpovědný za fixaci atmosférického uhlíku, doslova budování biosféry z tenké vzduch. Tato molekula, jedna z nejrozšířenějších bílkovin na Zemi, je zodpovědná za extrakci asi stovky gigatonů uhlíku z atmosféry každý rok. To je ≈10krát více než všechny emise oxidu uhličitého, které lidstvo vyprodukovalo z koncovek automobilů, proudových motorů, elektráren a všech našich dalších technologií poháněných fosilními palivy. Přesto hladiny uhlíku globálně rostou alarmujícími rychlostmi, protože tento fixovaný uhlík je následně znovu uvolňován v procesech, jako je dýchání atd. Tuto chemickou fixaci provádějí tyto molekuly Rubisco s monomerní hmotností 55 kDa fixujícího CO2 jeden po druhém, s každým CO2 s hmotností 0,044 kDa (jen další způsob psaní 44 Da, který vyjasňuje hmotnostní poměr 1000: 1). Dalším dominantním hráčem v naší biosféře je ATP syntáza (MW≈500-600 kDa, BNID 106276), také ukázaná na obrázku 1, která zdobí naše mitochondriální membrány a je zodpovědná za syntézu ATP molekul (MW = 507 Da) velká část chemie buňky. Tyto molekulární továrny chrlí tolik molekul ATP, že všechny ATP produkované mitochondriemi v lidském těle za jeden den by měly téměř stejnou hmotnost jako samotné tělo. Jak diskutujeme ve vinětě na téma „Jaká je doba obratu metabolitů?“ díky rychlému obratu je to méně pravděpodobné, než by se mohlo zdát.

Obrázek 2: Galerie homooligomerů ukazující nádhernou symetrii těchto běžných proteinových komplexů. Růžově jsou zvýrazněny monomerní podjednotky tvořící každý oligomer. Obrázek David Goodsell.

Velikost proteinů, jako je Rubisco a ATP syntáza a mnoha dalších, lze měřit jak geometricky, pokud jde o to, kolik místa zabírají, tak z hlediska velikosti jejich sekvence, jak je určeno počtem aminokyselin, které jsou spojeny dohromady, aby se vytvořil protein. . Vzhledem k tomu, že průměrná aminokyselina má molekulovou hmotnost 100 Da, můžeme snadno interkonvertovat mezi hmotností a délkou sekvence. Například 55 kDa monomer Rubisco má zhruba 500 aminokyselin tvořících jeho polypeptidový řetězec. Prostorový rozsah rozpustných proteinů a velikost jejich sekvence často vykazují přibližnou vlastnost škálování, kde se objem lineárně mění s velikostí sekvence a tudíž poloměry nebo průměry mají tendenci se škálovat jako velikost sekvence na 1/3 výkonu. Jednoduchým pravidlem pro přemýšlení o typických rozpustných proteinech, jako je monomer Rubisco, je to, že mají průměr 3 až 6 nm, jak je znázorněno na obrázku 1, který ukazuje nejen Rubisco, ale mnoho dalších důležitých proteinů, díky nimž buňky fungují. Zhruba v polovině případů se ukazuje, že proteiny fungují, když je několik identických kopií navzájem symetricky vázáno, jak ukazuje obrázek 2. Nazývají se homo-oligomery, aby se odlišily od případů, kdy jsou různé proteinové podjednotky spojeny dohromady a vytvářejí tzv. nazývané hetero-oligomery. Nejběžnějšími stavy jsou dimer a tetramer (a neligomerní monomery). Homo-oligomery jsou přibližně dvakrát častější než hetero-oligomery (BNID 109185).

Mezi enzymem a substráty, na kterých působí, je často překvapivý rozdíl ve velikosti. Například v metabolických cestách jsou substráty metabolity, které mají obvykle hmotnost menší než 500 Da, zatímco odpovídající enzymy jsou obvykle asi 100krát těžší. V dráze glykolýzy jsou malé molekuly cukru zpracovávány tak, aby extrahovaly energii i stavební bloky pro další biosyntézu. Tato cesta je charakterizována řadou proteinových strojů, z nichž všechny jsou mnohem větší než jejich cukrové substráty, přičemž příklady jsou uvedeny v pravém dolním rohu obrázku 1, kde vidíme relativní velikost substrátů označených červeně při interakci s jejich enzymy .

Obrázek 3: Distribuce délek proteinů v buňkách E. coli, pučících kvasinek a lidských HeLa. (A) Délka proteinu se vypočítá v aminokyselinách (AA) na základě kódujících sekvencí v genomu. (B) Distribuce se odebírají po zvážení každého genu číslem kopie proteinu odvozeným z proteomických studií hmotnostní spektrometrie (M. Heinemann v tisku, M9+glukóza LMF de Godoy et al. Nature 455: 1251, 2008, definovaná média T. Geiger et al., Mol. Cell Proteomics 11: M111.014050, 2012). Souvislé čáry jsou Gaussovým odhadem hustoty jádra pro distribuce sloužící jako vodítko pro oko.

Tabulka 1: Střední délka kódujících sekvencí proteinů na základě genomů různých druhů. Záznamy v této tabulce jsou založeny na bioinformatické analýze L. Brocchieri a S. Karlin, Nuc. Kyseliny. Res., 33: 3390, 2005, BNID 106444. Jak je diskutováno v textu, navrhujeme alternativní metriku, která váží proteiny podle jejich množství, jak bylo odhaleno v nedávných sčítáních proteomových mas. Výsledky se příliš neliší od záznamů v této tabulce, přičemž eukaryoty mají v průměru kolem 400 aa a bakterie asi 300 aa.

Konkrétní hodnoty střední délky genu lze vypočítat ze sekvencí genomu jako bioinformatické cvičení. Tabulka 1 uvádí tyto hodnoty pro různé organismy vykazující trend směrem k delším sekvencím kódujícím protein při přechodu z jednobuněčných na mnohobuněčné organismy. Na obrázku 3 jdeme nad rámec průměrných velikostí proteinů, abychom charakterizovali úplnou distribuci délek kódujících sekvencí na genomu, udávající hodnoty pro tři modelové organismy. Pokud by bylo naším cílem seznámit se se spektrem velikostí proteinů, mohla by stačit tato definice založená na délce genomu. Ale když chceme porozumět investicím do buněčných zdrojů, které vstupují do syntézy proteinů, nebo předpovědět průměrnou délku proteinu náhodně vybraného z buňky, obhajujeme alternativní definici, která je možná díky nedávným sčítáním proteomu. U těchto druhů otázek by nejhojnějším proteinům měla být při výpočtu očekávané délky proteinu přidělena vyšší statistická váha. Vypočítáme tedy váženou distribuci délek proteinů ukázaných na obrázku 3, přičemž každému proteinu dáme hmotnost úměrnou jeho počtu kopií. Tato distribuce představuje očekávanou délku proteinu náhodně vyloveného z buňky, nikoli náhodně vyloveného z genomu. Distribuce, které vyplývají z tohoto přístupu zaměřeného na proteom, závisí na specifických podmínkách růstu buňky. V této knize jsme se rozhodli použít jako jednoduché pravidlo délku „typického“ proteinu v prokaryotech ≈300 aa a v eukaryotech ≈400 aa. Distribuce na obrázku 3 ukazují, že se jedná o rozumný odhad, i když v některých případech to může být nadhodnocené.

Jedním z kouzel biologie je, že evoluce vyžaduje velmi rozmanité funkční prvky vytvářející odlehlé hodnoty téměř v jakékoli vlastnosti (což je také důvod, proč jsme diskutovali o mediánech a ne o průměrech výše). Pokud jde o velikost bílkovin, titin je obrovská výjimka. Titin je multifunkční protein, který se v lidských svalech chová jako nelineární pružina s mnoha doménami, které se v přítomnosti sil odvíjejí a skládají a dávají svalům jejich pružnost. Titin je asi 100krát delší než průměrný protein s 33 423 aa polypeptidovým řetězcem (BNID 101653). Identifikace nejmenších proteinů v genomu je stále kontroverzní, ale běžné jsou krátké ribozomální proteiny asi 100 aa.

Je velmi běžné používat GFP značení proteinů za účelem studia všeho od jejich lokalizace až po jejich interakce. Vyzbrojeni znalostí charakteristické velikosti proteinu jsme nyní připraveni znovu se podívat na zdánlivě neškodný akt značení proteinu. GFP je 238 aa dlouhý, složený z beta barelu, v němž klíčové aminokyseliny tvoří fluorescenční chromofor, jak je uvedeno ve vinětě na téma „Jaká je doba zrání fluorescenčních proteinů?“. Výsledkem je, že u mnoha proteinů by akt označování měl být skutečně považován za vytvoření komplexu bílkovin, který je nyní dvakrát tak velký než původní nepostižený protein.


Podívejte se na video: Sinteza proteina s prijevodom na hrvatski (Listopad 2021).