Молекулярная биология Лекция 6. Функции белков Скоблов Михаил Юрьевич Часть 1. Чем определяется функция белка Структурная протеомика • В 1972г. совместно с С. Муром и У. Стайном присуждена Нобелевская премия по химии за работу по «установлению связи между аминокислотной последовательностью рибонуклеазы А и ее биологически активной конформацией» Кристиан Бемер Анфинсен • Основоположник теории фолдинга белка – «аминокислотная последовательность уникальным образом определяет трёхмерное строение белковой молекулы» Структурная протеомика Общемировая цель структурной протеомики – получение как можно большего числа трёхмерных структур белков. Информация получаемая при секвенировании организмов растет с каждым днём Количество выявляемых генов и кодируемых ими белков соответственно База данных Gene - Всего организмов - 10’069; Всего генов - 11’468’785 Неописанных не зарегистрированных генов – миллиарды… Что делать? Структурная протеомика функцию, структуру и многие другие свойства белка/ДНК определяет последовательность родственные белки имеют похожие свойства молекулы, похожие по последовательности, похожи и по свойствам свойства можно предсказать, анализируя изученные последовательности, похожие на данную Гомологичные белки Гомологичные белки Гомологичные последовательности – последовательности, имеющие общее происхождение (общего предка) Признаки гомологичности белков • сходная 3D-структура • в той или иной степени похожая аминокислотная последовательность • аналогичная функция • разные другие соображения… Гомологичные белки Ортологи — последовательности, возникшие из одного общего предшественника в процессе видообразования. Ортологи, как правило, имеют одну и ту же функцию Паралоги — последовательности, возникшие из одного общего предшественника в результате дупликации одного гена в одном организме. Паралоги, как правило, имеют разные функции. Гомологичные белки Рассчитано, что, если задаться оптимальной стратегией выбора «мишеней» для экспериментального определения структуры (такой, чтобы в результате для >90% практически значимых белков был доступен хотя бы один гомолог с уровнем идентичности аминокислотной последовательности >30%), потребуется всего около 16000 структурных экспериментов Программа по структурным исследованиям белков PSI - Protein Structure Initiative Этапы Общее число Выбрано Клонировано Выделено Структуры в PDB Неудачи 154 143 106 932 26 868 5 321 27 841 Автоматическая система для кристаллизации белков: Диапазон температур – от 4С до 20С Срок кристализации - 28 дней Варианты буферов - 96 штук Одна последовательность — больше одной структуры • Более 15% эукариотических белков не имеют чётко заданной структуры — они либо слабо упорядочены, либо содержат довольно большие неупорядоченные области • Классификация слабо упорядоченных белков показала, что они принимают участие во многих регуляторных процессах, связанных с транскрипцией и передачей сигналов. Одна последовательность — больше одной структуры Лимфотактин — небольшой белок семейства хемокинов, стимулирующий хемотаксис Т-лимфоцитов Структура Ltn10 состоит из трёхлопастного β-листа и C-концевой α-спирали, мономер. Структура Ltn40 образована четырёхлопастным β-листом и функционирует в виде димера (один показан серым, другой — синим) Физиологическая форма лимфотактина образуется двумя примерно равновероятными, но при этом совершенно структурно отличными конформациями, динамически переходящими одна в другую Одна последовательность — больше одной структуры • Хоризматмутаза (mMjCM) —фермент катализирующий превращение хоризмовой кислоты (важного метаболита растений и микроорганизмов) в префеновою кислоту. • Отсутствует третичная структура, находится в состоянии «расплавленной глобулы» • В несвязанном с лигандом состоянии определить структуру mMjCM не удаётся из-за высокой подвижности, но с молекулой переходного состояния реакции (которая не расщепляется) удалось изучить её структуру. • Стабилизация неупорядоченной белковой цепи при взаимодействии со специфической мишенью или лигандом — фолдинг, происходящий одновременно со связыванием с другой молекулой Одна последовательность — больше одной структуры Прионы - белки, обладающие аномальной трёхмерной структурой, способные катализировать структурное превращение гомологичного им нормального клеточного белка в себе подобный (прионный), присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. • Прионы - образовано от английского «proteinaceous infectious particles». • Вызывают тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных • Прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои • Единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот. Часть 2. Функции белков Доменная структура белков • Структура определяет функцию белка • Домен – независимая глобулярная единица в белке, обладающая активностью • На сегодняшний день зарегистрировано 173536 доменов • Белки – можно утрированно представить в виде некого набора доменов, комбинация которых определяет их функцию. Функции белков Белки являются самым функционально разнообразным классом биологических молекул • • • • • • • • Структурная Регуляторная Транспортная Защитная Каталитическая Сигнальная Рецепторная Резервная Структурные белки • Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. • Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др. • Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток. Структурные белки • Коллагены — семейство белков, в теле человека составляют до 25 — 30 % общей массы всех белков. Кроме структурной функции коллаген выполняет также механическую, защитную, питательную и репаративную функции. • Молекула коллагена представляет собой правозакрученную спираль из трёх αцепей. • Всего у человека имеется 28 типов коллагена. Все они сходны по структуре. Структурные белки • Помимо коллагена внеклеточный матрикс содержит белок эластин, способный довольно в широких пределах растягиваться и возвращаться в исходное состояние. • Эластин широко распространён в соединительной ткани, особенно в коже, легких и кровеносных сосудах. • Общими характеристиками для эластина и коллагена являются большое содержание глицина и пролина. В эластине значительно больше валина и аланина и меньше глутаминовой кислоты и аргинина, чем в коллагене. • Эластин нерастворим в водных растворах (как и коллаген), в растворах солей, кислот и щелочей даже при нагревании. • В эластине большое количество аминокислотных остатков с неполярными боковыми группами, что, по-видимому, обусловливает высокую эластичность его волокон. Структурные белки • Кератины — семейство фибриллярных белков, обладающих механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь хитину. • В основном из кератина состоят мертвые клетки ороговевающего эпителия и их производные (волосы млекопитющих, рога, копыта, когти, перья птиц, чешуя рептилий и др.). • В живых клетках эпителиальных тканей кератины образуют промежуточные филаменты. • Кератины разделяются на две группы: αкератины и β-кератины. • Характерной особенностью кератинов является их полная нерастворимость в воде при pH 7,0. • Отличаются от других фибриллярных структурных белков (например, коллагена) в первую очередь повышенным содержанием остатков цистеина. • Первичная структура полипептидных цепей a-кератинов не имеет периодичности. Структурные белки • Двигательные, сократительные белки • Актин —филаментозный белок, из его мономеров при полимеризации образуются тонкие филаменты мышц и микрофиламенты немышечных клеток. Миозин входит в состав постоянных структур в скелетных и сердечной мышцах, образуя толстые филаменты. Ферменты Ферменты, или энзимы (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον — закваска) —белки илиих комплексы, катализирующие химические реакции в живых системах Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Классификация ферментов 1. Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа. 2. Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Пример: киназы, переносящие фосфатную группу. 3. Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза. 4. Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов. Пример: лактат алдолаза, ванилин синтаза 5. Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата. Пример: хорисмат мутаза, лизолецитин ацилмутаза 6. Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счёт гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза. Ферменты • На январь 2013 года зарегистрировано 5858 типов ферментов, классифицирующихся по 6 основным классам • Энзимология раздел биохимии, изучающий ферменты и катализируемые ими реакции Транспортные белки Перенос веществ через клеточную мембрану Перенос веществ по организму Перенос веществ внутри клетки Транспортные белки Перенос веществ через клеточную мембрану • Ионные каналы — порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны • Через ионные каналы проходят ионы Na+ (натрия), K+ (калия), Cl− (хлора) и Ca++ (кальция). Транспортные белки Ионные каналы Неуправляемые (независимые) ионные каналы пассивный транспорт за счёт диффузии Потенциал-зависимые ионные каналы открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала Лиганд-зависимые ионные каналы активируются медиатором, который связываясь с их наружными рецепторными участками, меняет их конформацию Транспортные белки Перенос веществ внутри клетки • Ядерныe поры — транспортные каналы, пронизывающие двухслойную ядерную оболочку • Представляют собой многофункциональные регулируемые структуры, организованные приблизительно 30 белками — нуклеопоринами • Осуществляют как пассивный транспорт, так и активный Транспортные белки Перенос веществ внутри клетки NLS (от англ., Nuclear Localization Signal) Классический NLS K-K/R-X-K/R Неклассический NLS PY-NLSs Транспортные белки Перенос веществ по организму Гемоглобин Транспортные белки Перенос веществ по организму Альбумины - простые растворимые в воде белки, с небольшим молекулярным весом около 65000. • Наиболее известный вид альбумина — сывороточный альбумин, содержащийся в сыворотке • Альбумин является самой большой фракцией белков плазмы крови человека - 55 - 65 процентов • Осуществляет транспорт жирных кислот, гормонов, лекарств, неорганических ионов Транспортные белки Перенос веществ по организму • Глобулин составляет около 40 процентов всех белков сыворотки крови человека. • Глобулины делятся на: • Alpha 1 globulins • Alpha 2 globulins • Beta globulins • Gamma globulins (одна из групп «gamma globulin» является иммуноглобулинами, антителами Клеточные рецепторы Регуляторная, сигнальная функция Клеточные рецепторы белковые молекулы находящиеся на поверхности мембраны клеток и служащие для восприятия и преобразования различных сигналов, поступающих в клетку, как от окружающей среды, так и от других клеток. Клеточные рецепторы • Лауреатами Нобелевской премии за 2012 год по химии стали два американских ученых — Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка за изучение серпентинов — клеточные рецепторы (GPCR-рецепторы), и их взаимодействие с G-белком. • Данные рецепторы являются посредниками в передаче сигналов между клетками организма: они отвечают за обоняние, вкус и чувствительность к свету. • У человека насчитано несколько сотен генов, кодирующих GPCR-рецепторы. Гормоны Регуляторная, сигнальная функция • Слово «гормоны» произошло от др.-греч. ὁρμάω — возбуждаю, побуждаю • Представляют собой биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. • Гормоны служат гуморальными (переносимыми с кровью) регуляторами определённых процессов в различных органах и системах. • Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. • Некоторые гормоны являются производными аминокислот. Гормоны Инсулин Инсулин увеличивает проницаемость плазматических мембран для глюкозы, активирует ключевые ферменты гликолиза, стимулирует образование в печени и мышцах из глюкозы гликогена, усиливает синтез жиров и белков. Гормоны Глюкагон • Глюкагон связывается со специфическими глюкагоновыми рецепторами клеток печени, активируя наработку глюкозы из гликогена • Глюкоза поступает в кровь, увеличивая секрецию инсулина Защитные Иммунная система, антитела Антитела (иммуноглобулины, ИГ, Ig) — это особый класс гликопротеинов, присутствующих на поверхности Вклеток лимфоцитов в виде мембраносвязанных рецепторов и в сыворотке крови и тканевой жидкости в виде растворимых молекул Иммунология…. Резервные белки Питательная (резервная) функция • Эту функцию выполняют резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). • Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию. • Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма. • При длительном голодании у животных начинают использоваться белки мышц, лимфоидных органов, эпителиальных тканий, печени Часть 3. Дизайн белков с заданными функциями Дизайн белков Первичная структура Первичная структура предсказание дизайнирование Третичная структура Плохо …. Третичная структура Хорошо ! Дизайн белков содержащих цинковые пальцы Дизайн белков TALEN - Transcription activator-like effector nucleases – исскуственные ферменты рестрикции образованные слиянием «TAL effector DNA binding domain» с «DNA cleavage domain» TAL effectors - белки выделенные из Xanthomonas bacteria. Дизайн белков • Технология применима как для фундаментальных исследований так и для прикладных. • ГМО – не уязвимо! Дизайн белков Разработан метод дизайна белков, способных к самосборке в заданные симметрические структуры. Авторами были созданы два белковых комплекса размерами 13 и 11 нанометров. Один из них обладал октаэдрической симметрией и содержал 24 субъединицы, а другой имел тетраэдрическую симметрию и включал 11 субъединиц.
