Biofizyka

Ćwiczenia 1.E. Banachowicz

Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM

http://www.amu.edu.pl/~ewashttp://www.amu.edu.pl/~ewas

Budowa aminokwasów i białek

Ogólna budowa aminokwasów

C NH2 COOH

H

R

grupa aminowa - NH2

grupa karboksylowa - COOH

C NH3

+ COO-

H

R

• w neutralnym pH

Ogólna budowa aminokwasów- glicyna

C NH2 COOH

H

R = H H

Gly, G

Ogólna budowa aminokwasów- alanina

C NH2 COOH

H

R = CH3

CH3

• alfa- amiokwasy• L - aminokwasy

Ala, A

L-aminokwasy - centrum asymetrii

D

C

H

COO-

NH3+

R

H

COO-

NH3+

C

L L

Reguła CORN

R

C

H

COO-

NH3+

L – lewoskrętny (COO-R-N)

20 aminokwasów białkowychkod 1- i 3- literowy

alanina A, Alaarginina R, Argasparagina N, Asnkw.asparaginowy D, Aspcysteina C, Cysglutamina Q, Glnkw.glutaminowy E, Gluglicyna G, Glyhistydyna H, Hisizoleucyna I, Ileleucyna L, Leulizyna K, Lysmetionina M, Met

fenyloalanina F, Pheprolina P, Proseryna S, Sertreonona T, Thrtryptofan W, Trptyrozyna Y, Tyrwalina V, Val

aminokwasy hydrofobowe/niepolarne

A V L I P Y F W M C

Ala Val Leu Ile Pro

Tyr Phe Trp CysMet

alifatycznearomatyczne

zawierającesiarkę

aminokwasy hydrofilowe/polarne

N Q S T K R H D E

N, Asn Q, Gln S, Ser T, Thr K, Lys

R, Arg H, HisD, Asp E, Glu

naładowane (+)

naładowane (-)

Diagram Venn’a

Specyficzne własności reszt aminokwasowych decydują o strukturze i aktywności biologicznej białek.

cechy/kryteria:• hydrofobowe/hydrofilowe• alifatyczne• aromatyczne, oddziaływujące warstwowo • polarne-neutralne• polarne naładowane dodatnio/ujemnie• kwasowe, zasadowe• C-β rozgałęzione• małe/duże• zawierające siarkę• tworzące wiązania wodorowe• wzmacniacze/łamacze struktur

Łańcuch polipeptydowy- struktura pierwszorzędowa

• struktura I-rzędowa: kolejność, sekwencja aminokwasów w łańcuchu(skład i kolejność kolejność decydują strukturze i funkcji)

NH2 - AlaValGlySerThrLeuIle - COOH

NH2 - AVGSTLI - COOH

Ala

Val

Gly

Ser

Thr

Leu

Ile

Wiązanie peptydowe

+ +H3N Cα C

O

O+

H

H

+H3N Cα C

O

O+

H

H

H2O

+H3N Cα C

O H

H

N

H

Cα C

O

O+

H

H

wiązanie peptydowe

Kierunkowość łańcucha, nazewnictwo

+H3N Cα C

O

R1

H

N

H

Cα C

H

R2

C

O+

N

H

Cα C

R3

H

O

O

N

H

Cα

H

R4

O

N- koniec C- koniec

a)

b)

a) 4-Alanina lub tetra-Alanina, b) tetrapeptyd o sekwencji R1R2R3R4

Łańcuch aminokwasów: 2-10 – oligopeptyd, 10-100 – polipeptyd, powyżej 100 reszt aminokwasowych – białko.

Wiązanie peptydowekąt torsyjny ω i konformacja Trans

H

C C

R1

C

NH3+

N

O

H H

R2

C

O

ω=180o

180o

0o

90o

Sekwencja białka determinuje jego strukturę przestrzennąPrekursor

mRNA

mRNA (1)

mRNA (2)

Sekwencja aminokwasowa (1)

Sekwencja aminokwasowa (2)

Struktura drugorzędowa

Przestrzenne ułożenie łańcucha opisane za pomocą kątów torsyjnych φ i ψ.

φ

ψ

ω

Elementy struktury II-rzędowej

• helisy:– prawoskrętna α helisa

– 310 helisa

– π helisa

helisa φ ψ ω reszt na skręt

przesunięcie na resztę

wiązania wodorowe

α helisa -57 -47 180 3,6 1,5 i+4

310 helisa -49 -26 180 3,0 2,0 i+3

π helisa -57 -70 180 4,4 1,2 i+5

α - helisa

α - helisa

310 - helisa

π - helisa

22-reszty aminokwasowe

Elementy struktury II-rzędowej

• beta-harmonijki, (β-kartki, struktury pofałdowanej kartki):– równoległe– antyrównoległe– mieszane

harmonijka φ ψ ω reszt na skręt

przesunięcie na resztę

równoległa -139 135 180 2 3,2

antyrównoległa -119 113 -175 2 3,4

β-harmonijki

Wykres Ramachandrana

(Biochemistry, Jeremy Berg, John Tymoczko, Lubert Stryer. 5th ed,PWN 2005).

Wykres Ramachandrana

(Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005).

Wykres Ramachandranadla białka

φ ψ

β-równoległa -119 113

β-antyrównoległa -139 135

α - helisa -57 -47

310 - helisa -49 -26

π - helisa -57 -70

Łamacze i wzmacniacze

  Wzmacniacze Łamacze

- helisa M L E C A P G Y T S

- harmonijka równoległa V I F M L Y P G D E A N S K

- harmonijka antyrównoległa

Q T R H W C  

kłębek, zwrot G P D N S Y, naładowane

 

Wiązanie wodorowe

donor

akceptor

• oddz. elektrostatyczne między dwoma względnie elektroujemnymi atomami• energia: 4 - 13 kJ/mol (energia wiązań kowalencyjnych: 418 kJ/mol)

C

O

H

N

δ+

δ-

δ- δ+ δ-

N — H · · · · · ·NN — H · · · · · ·OO — H · · · · · ·NO — H · · · · · ·O

δ- δ+ δ-

N — H · · · · · ·NN — H · · · · · ·OO — H · · · · · ·NO — H · · · · · ·O

Wiązania wodorowe dla - harmonijki

struktura równoległa

struktura anty-równoległa

Wiązania wodorowe dla α - helisy

i i+4

Wiązania wodorowe dla zwrotu (skrętu)

Wiązanie wodorowe

białko

ligand

Wiązanie wodorowe

Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę

• oddziaływania wodorowe • oddziaływania hydrofobowe• oddziaływania van der Waalsa• mostki dwu-siarczkowe • mostki solne

Oddziaływania hydrofobowe• Zasady termodynamiki:

układ

otoczenie

I. Energia otoczenia i układu jest stała

II. W procesach spontanicznych entropia rośnie (ΔS>0)

ciepło

S - entropia - miara przypadkowości i nieuporządkowaniaH - entalpia - zawartość ciepła w układzie(zwiększenie = wzrost entropii)

ΔSotoczenia = -ΔHukładu/T

G - energia swobodna (Gibbsa)

ΔG = ΔHukładu-TΔSukładu < 0

Reakcja zajdzie spontanicznie jeśli ΔG < 0

Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek

układ nieuporządkowany- duża entropia (S)

układ nieuporządkowany- duża entropia (S)

Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek

układ nieuporządkowany:- grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody - spadek entropii

układ nieuporządkowany:- grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody - spadek entropii

grupy hydrofobowe

grupy hydrofilowe

Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek

układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii

układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii

grupy hydrofobowe

grupy hydrofilowe

Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek

układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii

układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii

grupy hydrofobowe

grupy hydrofilowe

wzrost entropii wodykompensuje jej spadek związany ze zwijaniem białek!

ΔG = ΔHbiałka-TΔSbiałka < 0

ΔSwody = -ΔHbiałka/T

Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę

• oddziaływania wodorowe • oddziaływania hydrofobowe • oddziaływania van der Waalsa• mostki dwu-siarczkowe • mostki solne

Oddziaływania van der Waalsa

• ładunek - dipol

• dipol - dipol

• dyspersja (indukowane dipole)

N+ O Cδ- δ+

OCδ-δ+

C OHδ+

CH3 H3Cδ-δ+ δ+ δ-

Mostek dwu-siarczkowy

--CH2-S-S-CH2----CH2-S-S-CH2--

sekwencja insuliny wołowej

Struktura trzeciorzędowa

• przestrzenne ułożenie elementów struktury II-rzędowej pojedynczego łańcucha

Struktura czwartorzędowa

Przestrzenne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych tworzących natywną cząsteczkę białka

białko Cro z bacteriofaga , jest dimerem złożonym z identycznych podjednostek

tetramer 22 hemoglobiny

(1G0B.pdb) dimer hemoglobiny

Struktura VI-rzędowa

Struktura IV-rzędowa

Ferytyna - 24mer (1BG7.pdb) Insulina (1APH.pdb)

Oddziaływanie białek z ligandami

Jądrowy receptor hormonu

Grupy prostetyczne to często kofaktoryApoproteina - białko bez grupy prostetycznej

Ćwiczenia - RasMol

http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm

http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm