FAŁDOWANIE I MODYFIKACJE
BIAŁEK
FAŁDOWANIE I MODYFIKACJE
BIAŁEK
Powstawanie funkcjonalnego białka
Molten globule
Fałdowanie białek
•
utworzenie konformacji o najniższej wolnej energii
•
tworzenie się motywów, domen
• utworzenie kompleksów utworzonych z kilku lub wielu
podjednostek białkowych
Struktura pierwszorzędowa białek
O O
-
─ C ─ N ─
─ C N ─
H H
+
Struktura
α-helisy
Struktura drugorzędowa białek
Struktura
β-harmonijki
Struktura kolagenu
Gly
Pro
Hyp
Gly-X-Y
Tworzenie wiązań dwusiarczkowych
Struktura trzeciorzędowa białek
Fałdowanie białek
Struktura czwartorzędowa hemoglobiny
Ponowne fałdowanie się zdenaturowanego białka
(fałdowanie spontaniczne)
Spontaniczne fałdowanie rybonukleazy
Christian Anfinsen, 1970s.
Rejony hydrofobowe łańcuchów
polipeptydowych oddziałują ze sobą
Białka opiekuńcze
(z ang. molecular chaperones) –
białka odpowiedzialne za
prawidłowe fałdowanie się innych białek
.
Funkcje białek opiekuńczych
W optymalnych warunkach wzrostu:
•
działają w czasie syntezy łańcuchów polipeptydowych
•
wspomagają oligomeryzację podjednostek białkowych
•
bywają konieczne podczas transportu białek przez błony
W warunkach stresowych:
•
wspomagają renaturację białek zdenaturowanych bądź kierują je do
degradacji
•
dysocjacja nieaktywnych agregatów
Mechanizmy komórkowe kontrolujące
fałdowanie i aktywność białek
Stopnie fałdowania białek w komórce
Udział białek
opiekuńczych w
transporcie przez
błony
Rola białek opiekuńczych w transporcie do
mitochondrium
replikacji i transkrypcji DNA (a),
prawidłowym fałdowaniu się
nowych białek (b)i ich
transporcie do organelli (c),
wydzielaniu białek poza
komórkę (d) i transporcie
substancji do jej wnętrza (e).
Biorą udział w rozbijaniu
agregatów białkowych (f),
aktywacji receptorów (g) i
degradacji białek (h).
Umożliwiają także
funkcjonowanie kompleksów
MHC (i),
Białka opiekuńcze asystują przy:
Rodzina Hsp70
Eukariota
Prokariota
• Hsc70 or Hsc73 (cytosol)
• Hsp70 or Hsp72 (cytosol) DnaK
• Hsp40 stimulates ATPase DnaJ
• GrpE nucleotide exchange factor GrpE
• BiP or Grp78 (endoplasmic reticulum)
• mtHsp70 or Grp75 (mitochondria)
Rodzina Hsp60
Struktury oligomeryczne (chaperoniny)
Grupa I
Eukariota
Prokariota
Hsp60 tworzy ośmiokątny pierscień GroEL
Hsp10 forms cap GroES
ctHsp60 (chloroplasty)
Hsp60 (mitochondria)
Grupa II
TriC (cytosol) tworzy dwa ośmiokątne
pierścienie
Rodzina Hsp90
Eukariota
cytosol:
Hsp90 (dwie izoformy
α i β) – komórki ludzkie
Hsp86, Hsp84 – komórki mysie
Hsp84 – Drosophila
Hsc82, Hsp82 –
drożdże
Grp94/gp96 – retikulum endoplazmatyczne
Hsp75/TRAP1 – mitochondria
Prokariota
HtpG- cytosol
Modyfikacje potranslacyjne
1. Usuwanie grupy formylowej (bakterie)
2. Usuwanie Met
i
3.
Tworzenie wiązań disiarczkowych (-S-S-)
4.
Izomeryzacja proliny (cis-trans)
5.
Modyfikacje proteolityczne
Usuwanie sekwencji sygnałowych
Aktywacja proteolityczna proenzymów (zymogenów)
6.
Acetylacja końca N-terminalnego
(u Eukariontów ok. 50% białek)
7.
Metylacja Lys, Glu (grupy
γ-karboksylowej)
8.
Fosforylacja
grup –OH Ser, Thr, Tyr
9.
Karboksylacja Asp, Glu
(w białkach wiążących Ca
2+
)
10.
Hydroksylacja proliny i lizyny
(w protokolagenie)
11.
Glikozylacja
(sortowanie białek w komórkach eukariotycznych)
12.
Acylacja
13.
ADP-rybozylacja
14.
Przyłączanie grup prostetycznych enzymów
15.
Sumulacja
16.
Wycinanie intein
Modyfikacje potranslacyjne c.d.
W nadaniu aktywnej konformacji białkom
uczestniczą także modulatory
odpowiedzialne za tworzenie się mostków
disulfidowych oraz w izomeryzacji cis/trans
wiązań proliny w łańcuchach białkowych.
Działanie PDI
(izomerazy peptydylo-disiarczkowej)
Działanie PDI w komórkach eukariotycznych
Działanie DsbA w komórkach prokariotycznych
Aktywacja rycyny
Sandvig et al., Histochem Cell Biol., 2002; 117:131-141
ER
Wiązania peptydowe cis i trans
X-Pro
Działanie PPI
(izomerazy cis-trans peptydylo-prolilowej)
I grupa białek osiąga konformację aktywną w ciągu milisekund
II grupa w ciągu sekund lub godzin
Wolno fałdujące się peptydy (slow folding) zawiarają nie-natywne izomery
wiązań peptydowych pomiędzy proliną a innymi aminokwasami.
Reizomeryzacja jest powolna – katalizuje ja enzym PPI
Modyfikacje proteolityczne
Usuwanie sekwencji sygnałowych
Transport wewnątrzkomórkowy
Transport post-
translacyjny zależny jest od
sekwencji sygnałowych
Sekwencje sygnałowe warunkują translokację do
ER
Modyfikacje
proteolityczne
melityna
Aktywacja proteolityczna proenzymów
(zymogenów)
Trypsynogen
Trypsyna
Chymotrypsynogen Proelastaza
Chymotrypsyna Elastaza
enteropeptydaza
Proteolityczna obróbka poliprotein
Metylacja
•
Reakcję katalizują metylotransferazy
•
Akceptorami są atomy azotu grupy aminowej w
aminokwasach zasadowych i glutaminie oraz tlenu w
asparaginianie.
Acylacja
Acetylacja
O
- C - R
O
- C - CH
3
Acetylacja histonów
• Stabilna – N-terminalna acetylacja grupy aminowej w N-
końcowym
aminokwasie
• Labilna –
przejściowa acetylacja grupy ε-aminowej lizyny.
Histone acetylotransferases (HATs)
Histone deacetylases (HDACs)
Acetylacja
Rdzeń nukleosomu
- C-CH
3
O
Histone acetylotransferases HATs
Rola białka Sir jako deacetylazy
Sir – Silent information regulator
Acylacja i Prenylacja
Acylacja
Mirystylacja
przy końcu N terminalnym
Donorem reszty acylowej w reakcji katalizowanej
przez transferazę N-mirystoilu jest mirystoilo-CoA.
Acylacja
Palmitylacja reszt cysteiny
Prenylacja
Farnezylacja lub
geranylogeranylacja
przy końcu C białka
Sposoby umiejscowienia białek w błonie
komórkowej
Glikozylofosfatydyloinozytol
(GPI)
Fosforylacja
• O- fosforylacja - zachodzi na hydroksylowych
resztach Ser, Tyr, Thr lub tlenie Asp
• N-fosforylacja – zachodzi na atomie azotu grupy
aminowej Arg, His, Lys
Fosforylacja
kinazy białkowe serynowo/treoninowe
kinazy tyrozynowe
Struktura kinazy białkowej
Karboksylacja glutaminianu
•
Protrombina jest prekursorem trombiny,
białka z układu kontrolującego krzepnięcie
krwi.
•
Jednym z etapów krzepnięcia krwi jest
przemiana fibrynogenu w fibrynę. Proces ten
katalizuje trombina, rozszczepiając
katalitycznie wiązanie peptydowe miedzy
argininą a glicyną.
•
Synteza protrombiny wymaga witaminy K,
która uczestniczy w karboksylacji
glutaminianu.
•
γ-karboksyglutaminian jest chelatorem jonów
Ca
2+
. Związana z wapniem protrombina
oddziałuje z czynnikiem X
a
i czynnikiem V.
Hydroksylacja reszt proliny
Hydroksylacji ulegają reszty proliny po stronie aminowej glicyny w kolagenie.
Atom tlenu przyłączony do C-4 proliny pochodzi z tlenu cząsteczkowego, O
2.
Reakcje katalizuje hydroksylaza prolinowa (protokolagenu), enzym związany
z Fe
2+
.
Reaktywacja enzymu wymaga askorbinianu (witaminy C).
Kolagen
Glikozylacja
Glikozylacja typu O-
przyłączenie
bocznego łańcucha cukrowego
poprzez grupę hydroksylową seryny,
treoniny, hydroksylizyny
Glikozylacja typu N –
przyłączenie
poprzez grupę aminową grupy R
asparaginy
Glikozylacja typu O
• O-
glikozydowo najczęściej związana jest N-acetyloglukozamina
•
Około 55% całości cząsteczek O-GlcNAc jest ulokowanych
w jądrze, 34% w cytozolu, mała część w aparacie Golgiego
i innych przedziałach komórkowych
• Znaczenie:
-
udział w jądrowo-cytoplazmatycznym transporcie białek
-
ochrona białek jądrowych przed proteolitycznym strawieniem
- blokowanie fosforylacji na resztach seryny oraz treoniny
Rdzeń oligosacharydowy
Asn-X-Ser
Asn-X-Thr
Glikozylacja typu N
N-glikozylacja, podstawowa
Modyfikacje rdzenia oligosacharydowego
Glikozylacja typu N,
terminalna
Glikozylacja N-terminalna
Znaczenie przyłączonych reszt cukrowych:
•
ułatwiają prawidłowe fałdowanie białek
•
wpływają na konformację polipeptydów, czyniąc je bardziej
odpornymi na strawienie proteolityczne
•
ze względu na znaczną ilość grup hydroksylowych często
zwiększają rozpuszczalność białek
•
niektóre reszty cukrowe odgrywają rolę w sortowaniu białek
•
glikoproteiny obecne na powierzchni błony komórkowej mogą
uczestniczyć w adhezji komórek
•
niektóre powierzchniowe glikoproteiny uczestniczą w wywoływaniu
odpowiedzi immunologicznej
ADP-rybozylacja
Przyłączanie grup prostetycznych enzymów
hem
SUMOlacja
Ubls – ubiqitin-like proteins
SUMO – small ubiqitin-related modifier
ψKXE - sekwencja
konsensusowa sumolacji
E2- Ubc9
Wycinanie intein
Cys lub Ser….. His, Asn