vvedenie_v_bioinformatiku_3

Белки – пространственное
строение и функции
Белки в организме
• Белки составляют ~15% массы тела среднего человека.
• Функции белков: структурные белки, каталитические белки,
транспорт и депо, регуляторные и рецепторные белки и белки
иммунной системы (защитные), моторная и сократительная
функции
• Большинство тканей тела состоит из белков.
• Многие болезни имеют причиной модификацию тех или иных
белков.
Какой процент человеческого
протеома имеет известную
структуру ?
•
Крупные фармацевтические компании выявили множество структур, но
большинство из них не депонировано в Protein Data Bank.
• ~40,000 генов в человеческом геноме.
• ~25,000 записей в Protein Data Bank:
– a. ~5,600 точных записей хорошего качества.
– b. ~1,100 из них – человеческие белки
– c. И эти записи в основном – единичные домены или фрагменты белков.
• Ответ (эмпирический): ~1%
• Ответ (моделирование гомологов): ~20% доменов
Разнообразие белков
Structures of Life
Уровни структур белков
• Первичная структура – последовательность
аминокислот
• Вторичная структура – локальная организация
полипептидной цепи без учёта возможных конформаций
боковых цепей (R групп).
• Третичная структура – 3D структура всего протеина,
включая конформации боковых цепей.
• Четвертичная структура – 3D структура организации
субъединиц белка.
Аминокислоты
Гидрофобные боковые цепи
M
V
L
F
I
Гидрофильные боковые
цепи
N
G
Q
H
K
R
D
S
A
T
C
E
Y
W (Two rings)
Y
P
-S- (SS-bonds in Cys)
Amide group
Positively charged
OH group (H-bonds)
Aromatic side chains
Negatively charged
Аминокислоты
Классы боковых цепей
Аминокислоты
Алифатические (без аром. связей)
глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин.
Гидроксил- или серосодержащие
серин, треонин, цистеин, метионин
Ароматические
фенилаланин, тирозин, триптофан
Основные
гистидин, лизин, аргинин
Кислые и амиды
Циклические
аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, аспарагин, глютамин
пролин
Аминокислоты – боковые цепи
Пептидные связи
Пептидная связь образуется в результате
взаимодействия α – углерода карбоксильной
группы одной аминокислоты и α –аминогруппы
другой аминокислоты.
Пептидные связи
HDF5 format
Торзионный угол C,N,Cα,C называется φ.
Торзионный угол N,Cα,C,N называется ψ.
Торзионный угол Cα ,C,N,Cα ) называется ω.
Аминокислоты
Боковые цепи
χ-угол: торсионный угол, образованный атомами углерода
боковой цепи
Аминокислоты
Боковые цепи
Основные белковые структуры
• Первичная структура – последовательность аминокислот
• Вторичная структура – это локальная организация главной
полипептидной цепи без учёта конформаций отдельных
боковых групп (R групп).
Вторичная структура. a спираль (a helix)
H связь: N-H i -> C=O i+4
Linus Pauling, Robert Corey, Max Perutz
Вторичная структура. a спираль (a helix)
Геометрия
Правозакрученная спираль.
Каждая аминокислота соответствует повороту на 100° - 3,6
аминокислоты на виток и трансляции на 1,5 Å вдоль оси.
310 спираль – H связь: N-H i -> C=O i+3
Концы стандартной спирали
π спираль – H связь: N-H i -> C=O i+5
Вторичная структура. a спираль (a helix)
Геометрия, углы
Торсионные углы, типичные для
α-спирали (φ, ψ) – -60°, -45°. Иными
словами,
сумма
ψ
одной
аминокислоты и φ следующей ~
-105°.
Cумма углов 310 спирали ~ -75°,
π-спирали ~ -130°.
Угол Ω:
3cosΩ=1-4cos2((φ+ψ)/2)
a спираль - представление
Вторичные структуры. b структуры
b лист
William Astbury
Вторичные структуры. b структуры
Геометрия
Расстояние Сαi – Сαi+2 ~ 6Å
Расстояние между двумя
нитями ~ 5Å
Углы: φ ~ -135°, ψ ~ 135°
Антипараллельный
лист
Параллельный
лист
b структуры - представление
Обратные повороты и петли
Super Secondary элементы: мотивы
β
изгибы
β углы / α изгибы /α-α углы
Спираль-поворот-спираль
b-a-b
>2
Ramachandran Plot
• Sasisekaharn – Ramakrishnan -Ramachandran plot отображает “допустимые” области
для углов φ и ψ.
• Повторяющиеся величины φ и ψ вдоль пептидной цепи  регулярные структуры.
Ramachandran Plot
αR - phi ~-57o и psi ~-47o.
cytochrome C-256
β - phi ~-110->-140o и psi ~110->135o
plastocyanin
Домены
Домен – элемент в протеине, свернутый независимо от белка, часто соединенный с
подвижной, гибкой, бесструктурной частью.
1)
Домен – функциональный элемент белка.
2)
Эволюционно сохранившиеся элементы.
Основные структуры белков
• Третичная структура – 3D структура всего белка с учётом
конформации боковых цепей.
• Четвертичная структура – 3D организация субъединиц (доменов)
и белков в надмолекулярные комплексы
Все – a 3D структуры
Все в Спираль-поворотспирали спираль
alamethicin
RNA-binding
protein Rop
Связка из 4-х α
спиралей
Ферритин
-a/b 3D белковые
Сборка из β-α-β единиц:
структуры
α+β 3D белковые структуры
• Bacterial and mammalian pancreatic ribonucleases.
• Lysozome.
• Ubiquitin.
• Histidine-Carrier protein.
• Cysteine proteases such as papain and actinidin.
• Zinc Metallo-proteases.
• SH2 domains.
Четвертичная структура
Wheat germ agglutin (9wga chain A)