Основы молекулярной структуры и конформации белков (повторение известных фактов

ГУ НИИ БМХ РАМН
Основы молекулярной структуры
и конформации белков
(повторение известных фактов
о строении белков)
проф. А.С. Иванов
2008
1
Общая структура аминокислот
 Белки - линейные макромолекулы, состоящие из остатков
аминокислот
2
Химические элементы
H
C
N
O
S
3
Пептидная связь
4
20 аминокислот
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Наименование
(русское и английское)
Аланин
Alanine
Цистеин
Cysteine
Аспарагиновая Aspartic Acid
к-та
Глутаминовая
Glutamic Acid
к-та
Фенилаланин
Phenyllanine
Глицин
Glycine
Гистидин
Histidine
Изолейцин
Isoleucine
Лизин
Lysine
Лейцин
Leucine
Метионин
Methionine
Аспарагин
Asparagine
Пролин
Proline
Глутамин
Glutamine
Аргинин
Arginine
Серин
Serine
Треонин
Threonine
Валин
Valine
Триптофан
Tryptophan
Тирозин
Tyrosine
Трехбуквенный
код
Ala
Cys
Asp
Однобуквенный
код
A
C
D
Glu
E
Phe
Gly
His
Ile
Lys
Leu
Met
Asn
Pro
Gln
Arg
Ser
Thr
Val
Trp
Tyr
F
G
H
I
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
V
W
Y
5
Пример аминокислотной последовательности
1 MAKKTLPAGV KSPPYIFSPI PFLGHAIAFG KSPIEFLENA YEKYGPVFSF TMVGKTFTYL
61 LGSDAAALLF NSKNEDLNAE DVYSRLTTPV FGKGVAYDVP NPVFLEQKKM LKSGLNIAHF
121 KQHVSIIEKE TKEYFESWGE SGEKNVFEAL SELIILTASH CLHGKEIRSQ LNEKVAQLYA
181 DLDGGFSHAA WLLPGWLPLP SFRRRDRAHR EIKDIFYKAI QKRRQSQEKI DDILQTLLDA
241 TYKDGRPLTD DEVAGMLIGL LLAGQHTSST TSAWMGFFLA RDKTLQKKCY LEQKTVCGEN
301 LPPLTYDQLK DLNLLDRCIK ETLRLRPPVM IMMRMARTPQ TVAGYTIPPG HQVCVSPTVN
361 QRLKDSWVER LDFNPDRYLQ DNPASGEKFA YVPFGAGRHR CIGENFAYVQ IKTIWSTMLR
421 LYEFDLIDGY FPTVNYTTMI HTPENPVIRY KRRSTHHHHH H
Цитохром Р450(51) человека
6
L- и D- конфигурации аминокислот
Сα - хиральный центр
7
Правило «CORN»
L-конфигурация
8
Греческий алфавит
Буквы греческого алфавита, используемые для обозначения атомов,
торсионных углов и вторичных структур в белках
Символ
Название
Символ
Название
α
альфа
η
эта
β
бета
θ
тэта
γ
гамма
φ
фи
δ
дельта
χ
хи
ε
эпсилон
ψ
пси
ζ
зета
ω
омега
9
Обозначение атомов в белках
Oη
Nζ
CO
Nζ
Cε
Cε2
Cε1
Cδ
Cδ2
Cδ1
Cγ
Cγ
Cβ
Cβ
Cα
Lys
N
CO
Cα
Tyr
N
10
Обозначение торсионных углов
φ
ϕ
ω
Lys
11
Систематика аминокислот
1) Гидрофобные алифатические аминокислоты (4)
Аланин (A)
Валин (V)
Лейцин (L)
Изолейцин (I)
12
Систематика аминокислот
2) Гидрофобные ароматические аминокислоты (3)
Фенилаланин (F)
Тирозин (Y)
Триптофан (W)
13
Систематика аминокислот
3) Нейтральные полярные аминокислоты (6)
Серин (S)
Треонин (T)
Цистеин (C)
Метионин (M)
Аспарагин (N)
Глутамин (Q)
14
Систематика аминокислот
4) Кислые аминокислоты (2)
Аспарагиновая к-та
(Аспартат) (D)
Глутаминовая к-та
(Глутамат) (E)
15
Систематика аминокислот
5) Щелочные аминокислоты (3)
Гистидин (H)
Лизин (K)
Аргинин (R)
16
Систематика аминокислот
6) Конформационно важные аминокислоты (2)
Глицин (G)
Пролин (P)
17
Свойства аминокислот
Размер
 Плотность упаковки внутри белковой глобулы сходна с
твердыми органическими веществами
 Комплиментарность Ван-дер-Ваальсовых поверхностей
 Изменение 3D структуры белка в случае мутации с заменой
маленькой боковой цепи на большую (и наоборот)
18
Свойства аминокислот
Размер
№
Наименование
Молекулярный
вес
Объем
(A3)
Площадь
(A2)
1.
Ala (A)
89,09
88.6
115
2.
Cys (C)
121,16
108.5
135
3.
Asp (D)
133,10
111.1
150
4.
Glu (E)
147,13
138.4
190
5.
Phe (F)
165,19
189.9
210
6.
Gly (G)
75,07
60.1
75
7.
His (H)
155,16
153.2
195
8.
Ile (I)
131,18
166.7
175
9.
Lys (K)
146,19
168,6
20
10.
Leu (L)
131,18
166,7
170
11.
Met (M)
149,21
162.9
185
12.
Asn (N)
132,12
114.1
160
13.
Pro (P)
115,13
112.7
145
14.
Gln (Q)
146,15
143.8
180
15.
Arg (R)
174,20
173.4
225
16.
Ser (S)
105,09
89.0
115
17.
Thr (T)
119,12
116.1
140
18.
Val (V)
117,15
140.0
155
19.
Trp (W)
204,23
227.8
255
20.
Tyr (Y)
181,19
193.6
230
19
Свойства аминокислот
Заряд
 Аспарагиновая (D) и глутаминовая (E) кислоты — заряд «—»
 Лизин (K) и аргинин (R) — заряд «+»
 Гистидин (H) — заряд «+» или «0»
 Электростатические взаимодействия
20
Аминокислоты как амфолиты
 Все аминокислоты имеют по
крайней мере 2 ионизуемые группы:
- СООН группа с рК между 1,7 и 3
- NH2 группа с рК около 10
 При рН 4 - 9 обе группы
ионизованы, т.е. аминокислоты
являются цвиттерионами
 В состав ряда аминокислот входят
другие группы, способные к
ионизации
- дополнительные -NH2
- дополнительные -СООН
- имидазол
-ОН
-SH
21
Аминокислоты как амфолиты
 При титровании происходит
последовательная ионизация групп
 Белковые молекулы в водных растворах
также заряжены и величина заряда
зависит от типа белка и от значения рН
 Изоэлектрическая точка (pI) - значение рН,
при котором молекула амфолита имеет
одинаковое число отрицательных и
положительных зарядов
 pI соответствует точке перегиба на кривой
титрования аминокислоты и может быть
вычислена
 Молекула белка в целом также является
амфолитом и имеет свой pI
22
Свойства аминокислот
Заряд
 Тип взаимодействия - "солевой мостик" или "ионная пара"
 В белках в среднем 1 ионная пара приходится на 30 а.о.
23
Свойства аминокислот
Полярность
Заряженные и нейтральные
полярные боковые цепи
участвуют в водородном
взаимодействии:
- друг с другом,
- с полярными атомами
основной цепи,
- с растворителем
24
Свойства аминокислот
Гидрофобность
 Определяет стабильность белка и играет фундаментальную роль в
спонтанном фолдинге белков
 Алифатические боковые цепи аланина (A), валина (V), лейцина (L) и
изолейцина (I), а также глицин (G) не содержат полярных атомов и
взаимодействуют предпочтительно с другими неполярными группами,
чем с водой
 Гидрофобные остатки находятся внутри глобулы, а полярные - на
поверхности
 Однако данный порядок не абсолютен:
- с одной стороны - все остатки имеют полярные атомы в составе
основной цепи (азот и карбонильный кислород) и они могут участь в
водородном взаимодействии
- с другой стороны - ряд заряженных и нейтральных полярных боковых
цепей имеют значительные неполярные области
25
Свойства аминокислот
Гидрофобность (продолжение)
- пролин (P) также является алифатичным, но его расположение в белках
обусловлено еще и специфическими конформационными свойствами
- боковая цепь S-содержащего метионина (M) имеет дипольный момент, что также
является неполярным свойством
- S-S связи, формируемые остатками цистеина (C) также имеют неполярные
области
- боковая цепь фенилаланина (F) сильно гидрофобна, хотя его делокализованная пиэлектронная система может участвовать в слабом электростатическом
взаимодействии
- триптофан (W) имеет наибольшую боковую цепь, поверхность которой в
основном гидрофобна, за исключением полярного атома азота
- боковая цепь тирозина (Y) также имеет частично гидрофобные свойства
26
Свойства аминокислот
Гидрофобность
Ряд аминокислот по убыванию гидрофобности:
F > L = I > Y = W > V > M > P > C > A > G > T > S > K > Q > N > H > E > D> R
27
Свойства аминокислот
Ароматичность
 Из органической химии - делокализованные электроны в ароматических
структурах обуславливают возможность слабых электростатических
взаимодействий
 В белках это выражается в предпочтительном образовании «стеков»
ароматических аминокислотных остатков по сравнению с водородным
взаимодействием
 Необходимо также отметить, что только ароматические аминокислоты
поглощают в ультрафиолете. Поэтому поглощение растворов белков в
ультрафиолетовой области спектра зависит от количества и процентного
содержания этих аминокислот
Ароматическая
аминокислота
Максимум поглощения
λmax (нм)
Коэффициент
молярной
экстинкции (М -1см-1)
Фенилаланин (F)
257,4
197
Тирозин (Y)
274,6
1420
Триптофан (W)
279,8
5600
28
Свойства аминокислот
Конформационно необычные
 2 необычных аминокислоты (глицин и пролин), составляющие
отдельную группу классификации аминокислот:
- полное отсутствие боковой цепи у глицина
- значительные стерические ограничения у пролина
 Специфическая роль данных аминокислот в формировании вторичных и
третичных структур.
Глицин (G)
Пролин (P)
29
ПЕРЕРЫВ
30
Полипептидная цепь
Историческая справка
Лайнус Полинг и Роберт Кори в 30-х годах
исследовали геометрию и размеры пептидной связи
в кристаллических структурах небольших молекул,
содержащих одну или несколько пептидных связей.
Было обнаружено, что:
 пептидная связь — поланарна, т.е. торсионный угол
ω = 180º или 0º, что соответствует trans или cis
конфигурациям, соответственно
 длина C-N связи на 10% короче, чем обычная
амидная связь C-N
ω
31
Полипептидная цепь
 это обусловлено тем, что пептидная связь является частично двойной
(~ на 40%) из-за резонанса двух канонических структур:
i
i+1
 Как следствие, пептидная связь планарна и атомы Cα(i), C(i), O(i), N(i+1), H(i+1) и Cα(i
+1) находятся в одной плоскости
 Жесткость пептидной связи ограничивает степень свободы основной цепи во время
фолдинга
32
Полипептидная цепь
cis / trans конфигурация
пептидной связи
 В большинстве случаев торсионный угол
ω = 180º, т.е. пептидная связь находится в
trans-конфигурации (энергетически более
выгодно)
 Cis конфигурация изредка встречается у
разных аминокислот, среди них но чаще
всего - у остатков пролина, так как его
циклическая структура делает обе
конфигурации энергетически равными
33
Гибкость основной цепи
φi
ϕi
ω
Х
φi+1
ϕi+1
ω
Х
34
Карта Рамачандрана (Ramachandran Plot)
 Г. Рамачандран использовал компьютерные модели небольших пептидов для
систематического анализа возможных стабильных конформаций при варьировании φ и
ϕ углов у разных аминокислот
 Для каждой конформации структура исследовалась на близкие контакты между
атомами, которые рассматривались как твердые сферы с радиусами
Ван-дер-Ваальса
35
Вторичная структура белка
 Спирали
 Бета-структуры
 Повороты
 Шпильки
 ...
36
Вторичная структура белка
 Спирали
- Различают право-закрученные и левозакрученные спирали
- Различать их можно с помощью
правила правой или левой руки

Наиболее часто встречается так
называемая альфа-спираль

Альфа-спираль была открыта Лайнусом
Полингом и Робертом Кори когда они
изучали альфа-кератин с помощью
рентгеновской дифракции
37
Альфа-спираль
38
Альфа-спираль
Структура повторяется через 5,4 A вдоль оси спирали
На 1 виток приходится 3,6 а.о. (т.е. 10 витков = 36 остатков)
Шаг спирали вдоль оси = 1,5 A на 1 остаток
Каждая из групп C=O и N-H участвуют в водородном взаимодействии друг с
другом с шагом в 4 а.о. - O(i)-N(i+4)
 Водородные связи — параллельно оси спирали
 Все C=O и N-H группы относительно оси спирали направлены одинаково и
навстречу друг к другу




39
Альфа-спираль
Все а.о. в составе альфа-спирали имеют отрицательные значения φ и ψ углов –
~ -60º и -50º, соответственно
40
Нарушение структуры альфа-спирали
 Большинство альфа-спиралей в глобулярных белках имеют отклонения от
классической модели Полулинга-Кори
 Эти нарушения могут быть обусловлены:
1) упаковкой спиралей внутри глобулы — взаимодействие с другими
элементами вторичной структуры
2) остаток пролина (Р) — искривление оси спирали (~ на 20º) из-за
стерического ограничения и разрыва 2 водородных связей
3) растворитель – у спирали на
поверхности глобулы происходит
предпочтительное водородное
взаимодействие с водой, что приводит
к изгибу оси спирали
41
Другие спирали
Спираль 3(10)
 Короткие спирали, часто встречаются на
концах альфа-спиралей
 3(10) = 3 а.о. на 10 атомов, входящих в
кольцо, сформированное каждой из
водородных связей (включая атом
водорода)
 Водородные связи между O(i) и N(i+3)
 По такой номенклатуре
альфа-спираль Полинга-Кори будет
обозначаться - 3,6(13)
42
Бета-тяж (β-strand)
 Все те же Л.Полинг и Р.Кори создали модель
конформации фибриллярного белка бета-кератина в виде
зигзага с отрицательными φ (-140º) и положительными ψ
(+130º) углами
 Шаг β-тяжа вдоль оси 3,5 А
на 1 а.о.
 Повтор структуры —
через каждые 2 остатка
(7 А вдоль оси)
 Бета-тяжи могут
взаимодействовать друг
с другом с образованием
бета-листа (β-sheet)
43
Геометрия бета-листа
44
Геометрия бета-листа
 β-лист — образуется 2 или более параллельными
β-тяжами
 стабилизирован водородными связями между
C=O и N-H граппами основных цепей
 Параллельные / антипараллельные / смешанные
45
Геометрия бета-листа
 β-листы часто встречаются в глобулярных белках
 Ширина листа, как правило, не превышает 6 тяжей (25 A)
 Параллельные и антипараллельные β-листы встречаются с одинаковой
частотой, а смешанные - гораздо реже
 Ширина параллельных листов как правило ≥ 4 тяжей
 Модель β-листа Л.Полинга и Р.Кори — планарна, однако большинство βлистов в глобулярных белках изогнуты (влево)
 Изгиб листа обусловлен поворотом (вправо) каждого а.о. в тяже на 25-30º
46
Повороты
(Reverse turns, обратные повороты)
β-поворот
 Водородная связь между
O(i) и N(i+3) - похоже на
спираль 3(10)
 Повороты редко встречаются
в глобулярных белках и
обычно на поверхности
глобул
 Предполагают, что области
поворотов выполняют роль
центров нуклеации при
фолдинге
47
Повороты
(Reverse turns, обратные повороты)
 Два класса поворотов в
зависимости от значений φ и
ψ углов в позициях
(i+1) и i+2
48
Повороты - тип 1 и тип 2
 Торсионные углы φ и ψ для а.о.
(i+1) и (i+2) у двух типов
поворотов лежат в различных
областях карты Рамачандрана
 (i+2) в повороте типа 2 лежит в
области карты, которую может
занимать только глицин, что как
правило и наблюдается в
белках
49
Бета-шпилька (Beta-Hairpin Turn)
 β-шпилька — структура в виде β-поворота между двумя антипараллельными
β-тяжами
50
Бета-шпильки (Beta-Hairpin Turns)
 Два типа поворотов в β-шпильке — тип I' и тип II'
51
Бета-шпильки (Beta-Hairpin Turns)
 Остатки, формирующие поворот в βшпильке имеют торсионные углы в
характеристических областях карты
Рамачандрана
 У поворотов типа I' и типа II' только
глицин может занимать позиции 2 и
1, соответственно
52
Конформация боковых цепей
 Вращение угола χ1 часто ограничено из-за
стерических ограничений между γ атомами
боковой цепи и основной цепью
Oη
Nζ
CO
 Транс-гош конформации(χ1)
Nζ
Cε
Cε2
Cε1
Cδ
Cδ2
Cδ1
Cγ
Cγ
Cβ
Cβ
Cα
Lys
N
CO
Cα
N
Tyr
53
Спасибо за внимание
54