1

PROTEINE(cursul II)

“proteios”= de primă importanţă

STRUCTURA FUNCŢIE

Funcţiile proteinelor

• Structura• Cataliză• Transport- metale, lipide, etc.• Transfer informaţie• Contracţie • Hormoni

2

Clasificare proteine

I. Fct de formă: globulare, fibrilare

II. Fct de compoziţie: Simple, conjugate (apoproteină + gr. prostetică)

Exemple de proteine conjugate:• Fosfo-P- cazeina, enzime (grad fosforilare)• Lipo-P- lipide amfipatice legate de P• Cromo-P- hemoproteine• Metalo-P- feritina, ceruloplamina• Nucleo-P- AN legaţi prin leg. saline de P

Clasificare proteine (continuare)• Glico-P – mz (Gal, Man, fucoză, ac sialic, Gal-NH2, Glc-NH2,

arabinoza, xiloza) sau oligoz (3-15 u) – leg COV prin leg N- sau O- glicozidică de Prot

a) Oligoz simple (N-Ac Glc şi Man)b) Oligoz complexe (+ ac. sialic)

COMUN ManAsn- N-ac Glc - N-Ac-Glc - Man

ManROLURI Glico-P

- structural- colagen- lubrefiere- comunicare intercelulară- hormonal (FSH, LH)- transport (ceruloplasmina) - apărare (Ig)- canale ionice (glicoforine)

3

PROTEINEStructura determină funcţia

Cataliza reacţii de către enzime

enzima A

B

A

Legarea lui A

Digestia luiA!

enzima

Potrivirea spaţială a lui A enzyme

Receptor hormonal

Fiecare proteină poate adopta o structură spaţială unică!!!

Nivelele de organizare a structurii proteinelor

4

Structura primară a proteinelor:

DEF. secventa, numărul si natura aminoacizilor din lantul polipeptidic

-det de codul genetic

A AFNG

GS T

SD K

- Proteine omoloage = înrudite de-a lungul evoluţiei, derivă din acelaşi strămoş; au structuri similare (formează FAMILII şi SUPERFAMILII); sunt considerate proteine diferite

Structura primară a proteinelor

Funcţii identiceFuncţii identice sau diferite

SP poate varia uşor: - de la un individ la altul- de la un ţesut la altul la acelaşi individ- de la o etapă de dezvoltare la alta.

Derivă din acelaşi strămoş (înrudite evolutiv)Formează FAMILII şi SUPERFAMILII

ACEEAŞI proteină cu mai multe forme moleculare, la aceeaşi specie(ex. colagenul din piele şi colagenul din inimă)

Proteine DIFERITE cu structuri similarela specii diferite (insulina umană şi insulina bovină) sau aceeaşi specie (Mb şi lanţurile Hb)

Polimorfism molecularOmologie/Proteine omoloage

5

Structura primară (SP) a proteinelor

Variaţiile în SP sunt rezultatul mutaţiilor genetice şi sunt tolerate (şi nu produc boală) DACĂ:

-nu afectează zonele critice (esenţiale pentru rolul biologic, care în general sunt denumite regiuni invariante), afectează zonele ne-esenţiale (numite regiuni variante)

-substituire conservativă (a 1 sau mai mulţi aa cu alţii din acelaşi grup)

-oferă un avantaj (ex. creşte activitatea biologică a proteinei)

În restul cazurilor variaţia- produce boală!

ÎNTREBARE

• În anemia cu eritrocite în formă de seceră (sickle cell anemia) hemoglobina anormală HbS are în lanţurile β un rest de Glu înlocuit cu un rest de Val. Este o substituire conservativă?

• Dar înlocuirea unui rest de Glu cu un rest de Asp?

6

Conformaţia proteinei = forma spaţială a proteinei

Conformaţia unei proteine se referă lastructurile

secundară, terţiară

şi cuaternară.

Tipuri de interacţiuni care det. conformaţia unei proteine

MAJORITATEA SUNT LEGĂTURI NECOVALENTE:• Leg de H- frecvent COLINIARITATE (ex. între –OH de la

două resturi de Ser, Thr sau Tyr)• Interacţiuni electrostatice

- leg. Ionice (ex. între –COO- de la Glu şi -NH3+ de la Lys)

- între 1 aa cu R polar încărcat şi 1 aa cu R polar neîncărcat

- între 2 aa cu R polar fără sarcină• Interacţiuni hidrofobe

- între 2 aa cu R nepolar a.î. să scadă contactul cu H2O la minim

RAREORI Punţi disulfurice S-S (in struc. terţ. şi cuater.)

7

Structura secundară a proteinelor (1):

Tipuri: 1. alpha-helix, 2. beta-foaie plisată, 3. random coil

1. ALFA-HELIX (ex. keratina, 70-75% din Hb, Mb)

- Toate -NH- -CO- formează leg de H

- 2 leg de H/aa (excepţie Pro)

- Leg de H INTRACATENARE

- Aa destabilizatori: ex. Ser, Asp, Lys, Leu

- Aa dezorganizatori: Pro şi Gly

Care aa sunt comuni pentru un anumit tip de structură secundară?

De ce Pro şi Gly sunt aa care nu favorizează structura alfa-helix?

8

Structura secundară a proteinelor (2)Beta- foaie plisată

ex. fibroina

CE PROPRIETĂŢI DERIVĂ DIN ACEASTĂ STRUCTURĂ?

Leg de H INTERCATENARE

(exista excepţii: β-turn)

Rezistenţă şi flexibilitate

Structura secundară a proteinelor (2)Beta- foaie plisată: lanţuri paralele sau

antiparalele

Leg de H perpendiculare pe AX dacă lanţurile sunt antiparalele!

CE DIFERENŢĂ OBSERVAŢI?

9

Beta turn

Beta turn- lanţ îndoit asupra lui înusuşi, 4 aa, frecvent Pro, Gly

Structura secundară a proteinelor (3)Bucle/Ac de păr (hairpin loops), încolăciri aleatorii (random coil)-

au adesea semnificaţie funcţională

CARE ESTE DIFERENŢA ÎNTRE UN β- turn şi o buclă (loop)?

BUCLE/AC DE PĂR-regiuni care conţin un nr de aa mai mare decit nr. MINIM necesar pentru a conecta 2 regiuni adiacente din structura secundară

10

Structura secundară a proteinelor(facultativ)

- Poate fi prezisă în funcţie de secvenţa aa în structura primară

- http://coot.embl.de/SSCP//sscp_seq.html- http://bioinformatics.weizmann.ac.il/hydroph/

Ex. (A)20(P)19 (A)16 (L)24

De ce scade probabilitatea alfa helix intre aa15 si aa30, iar apoi creste iar pina la aa 50, pentru ca apoi sa scada iar?

Structura terţiară

-DEFINIŢIE: Raporturi între segmentele α, β şi segmentele neorganizate (înglobează structura secundară, reprezentand un nivel sup. de organizare)

-Varianta cea mai favorabilă energetic de împachetare

11

Structura terţiară

Scheletul hidrocarbonat

Structura secundară

Radicalii R

Structura terţiară

important pt. important pt.

TOTUŞI, structura terţiară nu poate fi prezisă deocamdată (cu metode bioinformatice) doar pe baza secvenţei de aa, spre deosebire

de structura secundară

Factori necunoscuţi care influenţează structura 3D?

Ce factori stabilizează structura terţiară?- cazuri speciale-

• Punţile disulfurice

INSULINA

12

• Chelarea metalelor

Ce factori mai stabilizează structura terţiară?- cazuri speciale-

Motivul “zinc finger”

13

Organizare intermediară domenială-suprastructura secundară-

• Domeniu- o porţiune continuă (în struct primară), şi compactă a proteinei, cu organizare proprie sec şi tert, care se plicaturează independent şi care este suficientă pentru a îndeplini a funcţie (reprezintă o unitate structurală şi funcţională).- prezintă dinamică- semnificative evolutiv ( prot. omoloage au cel puţin 1 domeniu în comun)

• Motiv –secvenţe conservate dintr-un domeniu (ex.motive trans-membranare; mai multe motive alcatuiesc de obicei un domeniu

calmodulina

Structuri suprasecundare?Pattern-uri identificate în structura terţiară

14

Structura cuaternară= doar la proteine multimere/oligomere

• Lanţurile pot fi identice (hetero-mer) sau diferite (homo-mer), în general nr. par

• Fct manifestată doar la nivel de oligomer, nu şi protomer• Protomerii interacţionează prin suprafeţe complementare

• Ex. Hemoglobina

α2β2 2αβ 2α + 2βTărie interacţiuni α: β1 › β2 › α

Structura cuaternară (SC)-caracteristici structurale care conferă avantaje funcţionale

• conferă stabilitate sporită proteinei

• cooperativitate între protomeri via interacţiuni alosterice(la distanţă)- modificare unui protomer transmisă în restul moleculei, primele interacţiuni fav formarea celorlalte ex. Hb- legarea mai uşoară a O2

• co-localizarea mai multor activităţi- ex. aceeaşi enzimă să prezinte două activităţi catalitice (fiecare localizată pe un protomer diferit)- eficienţă catalitică sporită (produsul primei activităţi enzimatice devine substratul celei de-a doua activităţi enzimatice)

15

TABEL COMPARATIV !!!

Leg de HLeg electrostaticeInteracţiuni hidrofobePunţi disulfurice S-S

Rezultată din interacţiunile între mai multe lanţuri polipeptidice

Cuaternară

Leg de HLeg electrostaticeInteracţiuni hidrofobePunţi disulfurice S-S

Rezultată din interacţiunile între R de la C alfa

Terţiară

Leg de H-Aranjamentul spaţial al AXULUI-Rezultată din interacţiunile grupelor –CO-şi –NH- din grupările peptidice-PERIODICITATE

Secundară

Leg covalenteNatura, secvenţa aaPrimară

Tipul de legături participante la formarea structurii

Definiţie, caracteristiciStructura

Traditional Architecture Molecular Architecture

Formfits

functionCaramizi

Camere

Etaje

Aminoacizi

Domenii

Nivele de organizare

16

Proprietăţile proteinelor

• Solubilitatea• Punct izoelectric• Denaturarea• Împachetarea (rolul chaperonilor)

Punctul izoelectric

• pI < 7: proteine bogate în Glu, Asp• pI > 7: proteine bogate în Lys, Arg

• La pH= pI- solubilitatea minimă- nu migrează în cîmp electric

17

Denaturarea proteinelor-ex. keratina-

DENATURARE = distrugerea SS, ST, SC cu conservarea SP

DENATURARE 1. rr chimice nonenzimatice

18

Formarea AGE (Advanced Glycosylation Endproducts) via intermediar de tip bază Schiff

A (Short Term):

Glucose

+

FreeAminoGroup

B (Long Term):

Schiff Base

CH2OH(CH-OH)4

Protein

C=O∗

CH2OH(CH-OH)4

H Protein

NH3+

Rx: Amino-guanidine

CHNH+

Protein 2

N

Protein 1

N

O

O

Crosslinked Proteins

CH2OH(CH-OH)4

Protein

Schiff Base

CHNH+

AGE

Proteine glicozilate şi AGE• Concentraţia de Hb glicozilată subtipul HbA1c (N =

5.8-7.2%) reflectă glicemia medie pe ultimele 120 zile DE CE?

• AGE ai colagen si elastinei cresc cu virsta (age), scazind flexibilitatea tesuturilor.

• Colagenul glicozilat şi oxidat din ţesutul cardiac în cazul diabeticilor conduce la instalarea cardiomiopatiei, complicaţie frecventă a bolii

19

• pH extreme (ex. pH suc gastric)

• Temperatură

• Compuşi cu caracter hidrofob (ex. AG- inhibitori enzimatici nespecifici, prin denaturarea enzimelor)

• Compuşi capabili să formeze legături de H (ex. uree, guanidină)

• Compuşi capabili să distrugă punţile disulfurice (mercaptoetanol)

DENATURARE 2. fără reacţii chimice

(în prezenţa unor ff fizico-chimici)

Denaturarea şi renaturarearibonucleazei

Lehninger Principles of Biochemistry, 4th Edition

20

Împachetarea lanţului polipeptidic

• Decisă termodinamic• În trepte:

1. formarea leg de H (responsabile pt structura secundară) 2. formarea leg hidrofobe (responsabile pt structura terţiară)

• Ghidată de proteine auxiliare: chaperoni ex. HSP70 (leagă aa hidrofobi şi previne agregarea lanţurilor polipeptidice, ), HSP60

Boli neurologice =„proteinopatii” conformaţionale (facultativ)

• B. Alzheimer- β-amiloid agregat, creşte ponderea structurii β şi scade α

• Boala prionilor- b.Creutzfeldt Jacob, boala vacii nebune, scrapie: prion related protein PrP codificată de cromozomul 20

- PrP normală: monomerică şi bog. în α- PrP patologică: creşte ponderea β şi scade α,

suferă două procese:1) copierea matriţei: e ca un template/matriţă pt alterarea conformaţiei PrP normale, transmitere similară unei infecţii 2) polimerizare

21

ABC-ul cursului

• Definitie şi caracteristici- structura primară, secundara, tertiara, cuaternară

• Forţele stabilizatoare ale fiecărui tip de structură• Denaturarea –definiţie, exemple de agenţi

denaturanţi• Definiţia chaperonilor