Molekyyli- ja solubiologia ELEC-2210 Proteiinit



Samankaltaiset tiedostot
ENTSYYMIKATA- LYYSIN PERUSTEET (dos. Tuomas Haltia)

Biomolekyylit 2. Nukleotidit, aminohapot ja proteiinit

ELEC-C2210 Molekyyli- ja solubiologia

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

PROTEIINIEN MUOKKAUS JA KULJETUS

Vastaa lyhyesti selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Perinnöllisyystieteen perusteita III Perinnöllisyystieteen perusteita

DNA, RNA ja proteiinirakenteen ennustaminen

S Basics for Biosystems of the Cell Harjoitustyö. Proteiinirakenteen mallintaminen. Niina Sandholm 62938M Antti Niinikoski 60348E

Laskuharjoitus 2 vastauksia ja selityksiä

Biomolekyylit ja biomeerit

Biopolymeerit. Biopolymeerit ovat kasveissa ja eläimissä esiintyviä polymeerejä.

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

Solun kemiallinen peruskoostumus eläinsolu. Solun kemia. Solun kemiallinen peruskoostumus bakteerisolu. Vesi 1

Ota henkilötodistus mukaasi jättäessäsi vastauspaperin. Kysymyksiin vastataan suomeksi.

Kondensaatio ja hydrolyysi

Henkilötunnus - Biokemian/bioteknologian valintakoe. Sukunimi Etunimet Tehtävä 1 Pisteet / 20

Bioteknologian tutkinto-ohjelma Valintakoe Tehtävä 3 Pisteet / 30

Solun perusrakenne I Solun perusrakenne. BI2 I Solun perusrakenne 3. Solujen kemiallinen rakenne

Biokemian perusteet : Hemoglobiini, Entsyymikatalyysi

A - soveltaminen B - ymmärtäminen C - tietäminen 1 - ehdottomasti osattava 2 - osattava hyvin 3 - erityisosaaminen

2. Elämän kemiallinen koostumus, rakenne ja toiminta

Pentapeptidirakenteiden yleisimmät yhtäläisyydet

Tuma - nucleus. Tumahuokonen nuclear pore samanlaisia kasveilla ja eläimillä. Tuman rakenne. Solubiologian luennot 2003, kasvitiede

PROTEIINIEN RAKENTAMINEN

6 GEENIT OHJAAVAT SOLUN TOIMINTAA nukleiinihapot DNA ja RNA Geenin rakenne Geneettinen informaatio Proteiinisynteesi

HEIKOT SIDOKSET. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

Proteiinien opiskelua molekyyligastronomian kontekstissa kohti korkeamman tason ajattelutaitoja ja mahdollisimman kuohkeita marenkeja

VASTAUS 1: Yhdistä oikein

Biomolekyylit ja aineenvaihdunta I

Biomolekyylit kemian opetuksessa sekä lukion kemian, biologian ja terveystiedon oppikirjoissa

Esim. ihminen koostuu 3,72 x solusta

sosiaaliturvatunnus Tehtävissä tarvittavia atomipainoja: hiili 12,01; vety 1,008; happi 16,00. Toisen asteen yhtälön ratkaisukaava: ax 2 + bx + c = 0;

ELÄMÄN MÄÄRITTELEMINEN. LUENTO 1 Kyösti Ryynänen Seutuviikko 2014, Jämsä MITÄ ELÄMÄ ON? EI-ELÄVÄ LUONTO ELÄVÄ LUONTO PAUL DAVIES 26.3.

Erilaisia soluja. Siittiösolu on ihmisen pienimpiä soluja. Tohvelieläin koostuu vain yhdestä solusta. Veren punasoluja

13. Biomolekyylit. 1. Hiilihydraatit

Proteiinien muuntuminen energiaksi ihmiselimistössä

Proteiinien kontaktiresidyjen ennustaminen. Tuomo Hartonen Teoreettisen fysiikan syventävien opintojen seminaari

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

Kemiallinen reaktio

Johdatus biofysiikkaan Introduction to biophysics

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

KE2 Kemian mikromaailma

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Selluloosan rakenne ja ominaisuudet

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Kemia s10 Ratkaisut. b) Kloorin hapetusluvun muutos: +VII I, Hapen hapetusluvun muutos: II 0. c) n(liclo 4 ) = =

Nimi sosiaaliturvatunnus

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Vahvat&heikot protolyytit (vesiliuoksissa) ja protolyysireaktiot

Proteiinin rakenteen selvittämisestä ja visualisoinnista

Orgaanisten yhdisteiden rakenne ja ominaisuudet

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Biologia. Pakolliset kurssit. 1. Eliömaailma (BI1)

Laskuharjoitus 3 palautus mennessä. Entsyymillä on seuraavanlainen reaktiomekanismi (katso oheista kuvaa):

Ionisidos ja ionihila:

DNA RNA proteiinit transkriptio prosessointi translaatio regulaatio

Proteiinien rakenteellisten motiivien selvittäminen

Täs on protskuu! Projektimainen työ proteiineista

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia

Perinnöllinen informaatio ja geneettinen koodi.

Sytosoli eli solulima. Sytosoli. Solunsisäiset rakenteet, kalvostot ja proteiinien lajittelu (Chapter 12 Alberts et al.)

Solun Kalvot. Kalvot muodostuvat spontaanisti. Biologiset kalvot koostuvat tuhansista erilaisista molekyyleistä

EPIONEN Kemia EPIONEN Kemia 2015

Bioteknologia tutkinto-ohjelma valintakoe Tehtävä 1 Pisteet / 30

Antibody-Drug conjugates: Basic consepts, examples and future perspectives

Biomolekyylit I. Luentorunko

BIOMOLEKYYLIEN VISUALISOINTI KEMIAN OPETUKSESSA

Oksidatiivinen fosforylaatio = ATP:n tuotto NADH:lta ja FADH2:lta hapelle tapahtuvan elektroninsiirron ja ATP-syntaasin avulla

Luennon 5 oppimistavoitteet. Soluseinän biosynteesi. Puu Puun rakenne ja kemia. Solun organelleja. Elävä kasvisolu

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

Lääketiede, välikokeen vastausanalyysi

Johdatus biofysiikkaan

Peptidisynteesi. SPPS:n Periaate

Laskennallisia näkökulmia proteiinien laskostumisongelmaan

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Yleistietoa Aloe Verasta ja ACTIValoesta

Ota henkilötodistus mukaasi jättäessäsi vastauspaperin. Kysymyksiin vastataan suomeksi.

Molekyylien interaktiot

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

KE1 KERTAUSTA SIDOKSISTA VASTAUKSET a) K ja Cl IONISIDOS, KOSKA KALIUM ON METALLI JA KLOORI EPÄMETALLI.

Käsitteitä. Hormones and the Endocrine System Hormonit ja sisäeritejärjestelmä. Sisäeriterauhanen

Orgaanista kemiaa. Yhdistetyypit ja nimeäminen

DNA:n informaation kulku, koostumus

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Ribosomit 1. Ribosomit 2. Ribosomit 3

PRO GRADU TUTKIELMA. Tiivistelmä

Sukunimi Etunimet Tehtävä 3 Pisteet / 20

Epigeneettinen säätely ja genomin leimautuminen. Tiina Immonen BLL Biokemia ja kehitysbiologia

Soluhengitys + ATP-synteesi = Oksidatiivinen fosforylaatio Tuomas Haltia Elämälle (solulle) välttämättömiä asioita ovat:

BI4 IHMISEN BIOLOGIA

NON-CODING RNA (ncrna)

-1- Ota henkilötodistus mukaasi jättäessäsi vastauspaperin. Kysymyksiin voi vastata suomeksi, ruotsiksi tai englanniksi.

Peptidi ---- F K V R H A ---- A. Siirtäjä-RNA:n (trna:n) (3 ) AAG UUC CAC GCA GUG CGU (5 ) antikodonit

Avaruus- eli stereoisomeria

Genomin ylläpito TIINA IMMONEN MEDICUM BIOKEMIA JA KEHITYSBIOLOGIA

Luonnontieteilijät työnhakijoina

Heikot sidokset voimakkuusjärjestyksessä: -Sidos poolinen, kun el.neg.ero on 0,5-1,7. -Poolisuus merkitään osittaisvarauksilla

DNA Tiina Immonen, FT, yo-lehtori HY Biolääketieteen laitos, Biokemia ja kehitysbiologia

Genomi-ilmentyminen Genom expression (uttryckning) Nina Peitsaro, yliopistonlehtori, Medicum, Biokemia ja Kehitysbiologia

Transkriptio:

Molekyyli- ja solubiologia ELEC-2210 Proteiinit Vuento & Heino: Biokemian ja solubiologian perusteet, ss. 51-66 Alberts et al. Essential Cell Biology, 4. p, luku 4 Dos. Tuomas Haltia, HY, Biotieteiden laitos, biokemia ja biotekniikka

Luennoitsijan CV Luennoitsija: dos. Tuomas Haltia, biokemian yliopistonlehtori Biotieteiden laitoksella Hgin yliopistossa 2005- Työssä HY:n lääk. tdk:ssa 1986-2004 tutkijana ja opettajana Tutkimusaiheita: kalvo- ja metalloproteiinit: sytokromioksidaasi, NO-reduktaasi, N 2 O-reduktaasi, sinkki-atpaasi (P-tyypin ATPaasi) Kuparin biokemia:kuparinpyydystysmolekyyli?

Ilokaasureduktaasin ja sen aktiivisen CuZ-keskuksen rakenne (Haltia et al., 2003) Katalysoi reaktiota: N 2 O + 2e - + 2H + N 2 + H 2 O Geenit koodaavat kemiaa!

Luennon sisältö ja tavoitteet Ymmärtää kuinka proteiinit (ja entsyymit) rakentuvat aminohapoista Peptidisidos Proteiinien rakennetasot Proteiinien laskostuminen

Proteiinin biologinen aktiivisuus liittyy tähän rakenteeseen! Aminohapot ja proteiinit Solujen kuiva-aineesta suurin osa on erilaisia proteiineja, solun toiminta perustuu paljolti proteiinien käyttöön Proteiinit muodostuvat 20 (22) aminohaposta Aminohappo: esim. Gly: H 2 N-CH 2 -COOH Pieni molekyyli, jolla paljon konformaatioita Proteiini, koostuu tyypillisesti > 100 aminohaposta; suuri molekyyli, joka laskostuu uniikiksi 3- ulotteiseksi rakenteeksi

Proteiinit muodostuvat aminohapoista YMPÄRISTÖ: VETTÄ! Kymotrypsiini (proteolyyttinen entsyymi) ja glysiini

AMINOHAPOT: Kiraalisia (paitsi Gly) eli a-hiilessä neljä erilaista ryhmää. Seuraus: myös proteiinit ovat kiraalisia ja kykenevät usein erottamaan vasen- ja oikeakätiset molekyylit toisistaan. Proteiineissa vain L- aminohappoja (syy epäselvä)

AMINOHAPOT:Aminoryhmä, karboksyyliryhmä, a-hiili ja sivuketju R (joita 20 erilaista) Proteiinilla on aminopää (N-terminus) ja karboksipää (C-terminus) Pääketju muodostuu N-C a -C carb yksiköistä R = sivuketju (20 erilaista)

Pääketju ja sivuketjut Proteiinin pääketju muodostuu, kun aminoryhmät ja karboksylaattiryhmät reagoivat muodostaen haarautumattoman polypeptidin a-hiileen kiinnittyneet amino- ja karboksylaattiryhmät kuluvat peptidisidoksen muodostamisreaktioon (jossa lohkeaa vettä) peptidisidoksen ominaisuudet tärkeitä proteiinin laskostumiselle Sivuketjujen (R) ominaisuudet ovat myös ratkaisevan tärkeitä proteiineissa

COOH ja NH 2 reagoivat, vettä lohkeaa Reaktio ei ole spontaani, vaan vaatii energiaa! PEPTIDISIDOS Peptidisidos on silti kineettisesti stabiili, proteiinimme eivät noin vain hajoa! Peptidisidos on varautumaton vaikkakin polaarinen (seuraava kuva) H-sidosten muodostusmahdollisuus

Aminohappojen luokittelu Vesihakuiset eli hydrofiiliset: polaarinen (poolinen) tai varattu sivuketju Vesipakoiset eli hydrofobiset: epäpolaarinen (pooliton, polaariton) sivuketju Tärkeää koska proteiinit laskostuvat vedessä!

Aminohapot, joilla ei-polaariset eli poolittomat sivuketjut -Hakeutuvat pois vedestä (proteiinien ydin); oikeammin: vesi työntää ne yhteen Glysivuketju on pieni!

Aminohapot, joilla aromaattiset sivuketjut Myös vesipakoisia A 280, tryptofaanifluoresenssi

Polaariset, varautumattomat Viihtyvät proteiinin pinnalla Cys: S-S sillat, kysteiinien kemiallinen modifiointi koeputkessa Pro rikkoo a-kierteen

Positiivisesti varautuneet Viihtyvät proteiinin pinnalla His-tag, histidiinisivuketjun pka = 6

Negatiivisesti varautuneet Viihtyvät proteiinin pinnalla

Sivuketjujen ominaisuudet proteiineissa Voivat poiketa selvästi vapaiden aminohappojen tai proteiinin pinnalla olevien sivuketjujen ominaisuuksista Polaarinen ympäristö (esim. vesi) suosii sivuketjujen varautuneita muotoja, esim. Asp- COO - ja Lys-NH + 3 Esim. proteiinin aktiivisessa keskuksessa hydrofobinen ympäristö voi muuttaa joidenkin aminohappojen happo-emäs ominaisuuksia (pk a - arvoja) merkittävästi katalyyttisten ryhmien erikoisominaisuudet

Mitä aminohapoista pitäisi osata? Mikä on a-aminohappo Kolmikirjainlyhenteet Onko sivuketju hapan/emäksinen/aromaattinen jne. Onko sivuketju hydrofobinen/hydrofiilinen Miten aminohappo muodostaa peptidisidoksen

COOH ja NH 2 reagoivat, vettä lohkeaa Reaktio ei ole spontaani, vaan vaatii energiaa! PEPTIDISIDOS Peptidisidos on silti kineettisesti stabiili, proteiinimme eivät noin vain hajoa! Peptidisidos on varautumaton vaikkakin polaarinen (seuraava kuva) H-sidosten muodostusmahdollisuus

PEPTIDISIDOS ON TASOMAINEN, koska sillä on 2-sidosluonnetta! 2-sidosluonteesta seuraa tasomaisuus, ts. karbonyyliryhmä C=O ja amidiryhmä NH ovat samassa tasossa. Polypeptidiketju ei voi kiertyä peptidisidoksen ympäri!

Peptidi- eli amidisidoksin liittyneet aminohapot muodostavat polypeptidin; proteiinin primäärirakenne on sen sekvenssi Kiertymiskulmat fii (N- C a ) ja psii (C a -C C=O ) Taso Taso Tietyt kiertymiskulmien arvot ovat parempia kuin toiset

Proteiinien muut rakennetasot Sekundäärirakenteet, esim. a-kierre, b-laskos Tertiäärirakenne, kullekin polypeptidiketjulle ominainen 3D-rakenne (jolla biologinen aktiivisuus) Kvaternäärirakenne, laskostuneiden (enemmän tai vähemmän) polypeptidiketjujen assosioituminen dimeereiksi, trimeereiksi, tetrameereiksi jne. (vain osalla proteiineista)

Primääri- ja sekundäärirakenteella ei ole biologista aktiivisutta. Aktiivisuus liittyy proteiinin tertiäärirakenteeseen eli polypeptidiketjun spesifiseen ja (fysiologisissa oloissa) stabiiliin 3-ulotteiseen rakenteeseen. Miten tämä rakenne syntyy? Koeputkessa sopivissa oloissa laskostumaton polypeptidi laskostuu biologisesti aktiiviseksi proteiiniksi. Informaatio 3D-rakenteesta on koodattuna ah-sekvenssiin (ja siis geenin emäsjärjestykseen).

Miksi sekundäärirakenne syntyy? Polypeptidin peräkkäiset peptidisidostasot rajoittavat merkittävästi mahdollisten konformaatioiden lukumäärää! Tietyt konformaatiot eli tietyt fiin ja psiin arvot ovat epäsuotuisia molekulaaristen kolarien takia Ramachandrankuvaaja!

Ramachandran: vain tietyt F:n ja y:n arvot ovat steerisesti sallittuja säännöllinen sekundäärirakenne kun peräkkäisillä aminohapoilla nämä kiertymäkulmien arvot

Proteiinien sekundäärirakenteet: a- kierre ja b-laskos Suotuisat fiin ja psiin arvot Ei steerisiä esteitä Hyvä vetysidosgeometria Tilaa sivuketjuille Muodostuvat sekvenssissä peräkkäin olevista (3-30 ah) aminohappotähteistä, joilla samanlaiset fiin ja psiin arvot Eivät vielä selitä tertiäärirakenteiden syntyä mutta ovat osa selitystä, koska sekundäärirakenteiden muodostus on osa tertiäärirakenteen syntyä

Peräkkäiset aminohapot muodostavat Oikeakätinen a-kierre Tietty geometria (3,6 ah/kierros; 5,4 Å nousu/kierros) Peptidisidoksen karbonyylihapet ja amidivedyt muodostavat hyviä vetysidoksia heliksiä koossapitävä voima! Sivuketjut osoittavat ulospäin; kierre voi olla esim. amfipaattinen (toinen puoli hydrofobinen ja toinen hydrofiilinen

a-kierteen päätykuva R = sivuketju Joka 3. tai 4. ah on aina samalla puolella Ei ole oikeasti tyhjä tila!

Muodostuu kahden vierekkäisen (saman- tai erisuuntaisen) polypeptidiketjun välille b-laskos Vetysidokset C=O --- HN Sivuketjut vuorotellen laskoksen ala- ja yläpuolella Pääketju on venyneemmässä konformaatiossa kuin a- kierteessä

Proteiinien tertiäärirakenne = Koko polypeptidiketjun 3-ulotteinen rakenne Proteiinien biologisen aktiivisuuden perusta Proteiinin tertiäärirakenne on koodattuna primäärirakenteeseen (mutta emme tiedä tarkasti miten!) Vesiliukoisten proteiinien ydin koostuu hydrofobisista aminohapoista Kuinka laskostumaton proteiini löytää oikean rakenteensa millisekunneissa? Sivuketjujen väliset vuorovaikutukset pääosassa

Proteiinien 3D rakenteita... (tertiäärirakenteita)

Esimerkkejä tertiäärirakenteista (Domeeni = rakenteellinen, itsenäisesti laskostuva kokonaisuus jolla on oma funktio) Kupredoksiinidomeeni b-propelleri -domeeni Trioosifosfaattiisomeraasin kiderakenne Ilokaasureduktaasin kiderakenne

Kvaternäärirakenne Useiden laskostuneiden proteiinimolekyylien assosioituminen esim. dimeereiksi tai tetrameereiksi, esim. hemoglobiini Assosioituvat proteiinit samanlaisia tai erilaisia

Hemoglobiini ((ab) 2 -tetrameeri) Hemoglobiinin allosteerinen hapen sitominen riippuu olennaisesti sen tetrameerisestä kvaternäärirakenteesta

Proteiinien rakennetta ylläpitävät voimat Primäärirakenne: kovalenttinen peptidisidos Sekundäärirakenne: vetysidos Tertiäärirakenne: van der Waalsin sidokset, vetysidokset, kovalenttiset sidokset jos proteiinissa disulfideja (-S-S- kahden Cys:n välillä); hydrofobiset interaktiot Kvaternäärirakenne: samat kuin tertiäärirakennetta koossa pitävät voimat

Proteiinirakennetta koossapitävät voimat

Hydrofobinen ilmiö: Vesi preferoi vesinaapuria ja pakottaa epäpolaariset molekyylit pois kontaktista veden kanssa Hydrofobisella ilmiöllä tärkeä merkitys proteiinien laskostumisessa!

Hierarkinen laskostuminen säilyttämällä osittain oikea rakenne 1-2. Sekundäärirakenteet (heliksit muodostuvat) Hydrofobinen ydin muodostuu 3. Molten Globule 4. Natiivi rakenne syntyy Konformaatioparvi (polypeptidin maksimientropia) Karkea laskostumisreitti on koodattuna sekvenssiin. Ihmisen suunnittelema proteiini ei tod. näk. laskostu. Veden maksimientropia Yksi konformaatio, jolla alin vapaa energia

Laskostumiseen vaikuttavat mutaatiot voivat olla vaarallisia Koska ne voivat johtaa muutoksiin laskostumisvälituotteiden määrissä Koska ne voivat johtaa huonosti käyttäytyviin laskostumisintermediaatteihin Laskostuva proteiini alkaa aggregoitua, aggregaattia ei pystytä hajoittamaan Toksiset aggregaatit, solujen kuolema

Normaalin prioniproteiinin muuttuminen taudin aiheuttavaksi (Esimerkki laskostumisvirheen aiheuttamasta taudista) a-heliksien muuttuminen b-laskokseksi aiheuttaa intermolekulaarisen aggregaatiotaipumuksen solukuolema!

Proteiinien rakenne: yhteenveto Primäärirakenne: geenin määräämä aminohapposekvenssi Sekundäärirakenteet a- heliksi ja b-laskos juontuvat peptidiketjun stereokemiasta ja vetysidospotentiaalista (+sivuketjujen ominaisuuksista) Tertiäärirakenne = proteiinin 3-D rakenne; hydrofobinen vuorovaikutus, vetysidokset, vdwaalsin voimat pitävät koossa Kvaternäärirakenne = oligomeerien muodostuminen

Fig. 5-24 Proteiinin laskostuminen solussa: kaperoni avustaa (estää aggregoitumisen), muttei määrää 3D-rakennetta Cap Polypeptide Correctly folded protein Hollow cylinder Chaperonin (fully assembled) Steps of Chaperonin Action: 1 An unfolded polypeptide enters the cylinder from one end. 2 The cap attaches, causing the 3 cylinder to change shape in such a way that it creates a hydrophilic environment for the folding of the polypeptide. The cap comes off, and the properly folded protein is released.