denaturácia a renaturácia rnázy a nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní...

44

Upload: junior-richards

Post on 20-Jan-2016

223 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 2: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Denaturácia a renaturácia RNázy A

Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Page 3: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 4: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Anfinsen Experiment

• Denaturation of ribonuclease A (4 disulfide bonds), with 8 M Urea containing-mercaptoethanol, leads to random coil and no activity

Page 5: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Anfinsen Experiment

• After renaturation, the refolded protein has native activity, despite 105 ways to renature the protein.

• Conclusion: All the information necessary for folding into its native structure is contained in the amino acid sequence of the protein.

Page 6: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Anfinsen Experiment• Remove -mercaptoethanol only,

oxidation of the sulfhydryl group, then remove urea → scrambled protein, no activity

• Further addition of trace amounts of -mercaptoethanol converts the scrambled form into native form.

• Conclusion: The native form of a protein has the thermodynamic-ally most stable structure.

Page 7: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Models of Protein Folding

Page 8: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Framework model of protein folding

Supported by experimental observation of rapid formation

of secondary structure during protein folding process

N C

Page 9: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Framework model of protein folding

N

C

Formation of individual secondary structure elements

Page 10: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Framework model of protein folding

N

C

Coalescence and rearrangement of

individual secondary structure elements

Page 11: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Nuclear condensation model

N C

Supported by protein engineering studies

and various theoretical calculations

Page 12: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Nuclear condensation model

NC

Formation of a nucleus of hydrophobic residues

Page 13: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Nuclear condensation model

N

C

Expansion of nucleus

Page 14: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Steps of Folding

Unfolded bury core 2o Molten globule 3o 4o

protein HB aa (loose 3o) (breathing)

< ms Up to 1s

Page 15: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 16: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Levinthal & Landscapes

• Structure space3100 conformations

• Sequence space20100 sequences

Figure from Englander & co-workers,Proc Natl Acad Sci 98 19104 (2001)

Page 17: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 18: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Why won’t it fold?

Most common obstacles to a native fold:

• Aggregation

• Non-native disulfide bridge formation

• Isomerization of proline

Page 19: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 20: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Folding landscapes and the Levinthal paradox

Flat landscape(Levinthal paradox)

Tunnel landscape(discrete pathways)

Realistic landscape(“folding funnel”)

Page 21: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Escherichia coli chaperonin (GroE)

Page 22: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Chaperonins / Heat Shock Proteins HSPs help proteins fold by preventing aggregation

• Recognize only unfolded proteins– Not specific– Recognizes exposed HB patches– Prevent aggregation of unfolded or misfolded proteins

• HSP70– Assembly & disassembly of oligomers– Regulate translocation to ER

• HSP60 (GroEL) & HSP10 (GroES)– Work as a complex

Page 23: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

• Each subunit– Apical ( motif)

• Opening of chaperone to unfolded protein

• Flexible• HB

– Intermediate ( helices)• Allow ATP and ADP diffusion• Flexible hinges

– Equatorial ( helices)• ATP binding site• Stabilizes double ring structure

– Central cavity up to 90Å diam.

• 7 subunits in one ring• 2 rings back to back

GroEL

Page 24: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

• Cap to the GroEL

• Each subunit– sheet– hairpin (roof)– Mobile loop (int w/ GroEL)

• 7 subunits in functional molecule

GroES

Page 25: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

GroEL+ GroES work together

• GroEL makes up a cylinder– Each side has 7 identical subunits– Each side can accommodate one unfolded

protein

• 1 GroES binds to one side of GroEL at a time– Allosteric inhibition at other site

• One side of cylinder is actively folding protein at a time

Page 26: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

1. GroEL/ATP complex at side A2. Bind GroES on this side

7 ATP7 ADP this side has a wider cavity but closed topother side has smaller cavity and open top

3. Side B ring binds unfolded proteinGroES falls off of side AADP falls off of side A

4. Side B ring binds 7 ATPs5. GroES binds GroEL/ATP

7 ATP7 ADP protein folding occurs

6. Side A ring binds 7 ATPsprotein folding occurs

7 ATP7 ADP (side A) 7 ADP & GroES (side B) falls off

7. Side A ring binds next unfolded protein

Page 27: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

• Switch side of ATP binding each time• Switch side of GroES binding for each folding rxn• Switch side of protein docking for each folding rxn

Fink, Chaperone Mediated Folding, Physiological Reviews, 1999

Mechanism of Chaperonin Function

Page 28: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 29: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

EC 3.6.1.1

EC 2.6.1.2

EC 1.1.1.27

Page 30: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

EC 6.3.1.2

EC 5.1.1.1

EC 4.1.1.1

www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

Page 31: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 32: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Analóg tranzitného stavu v aktívnom mieste

adenozíndeaminázy

Page 33: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 34: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 35: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 36: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 37: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

How DNA Sequence Is Determined?

Polyacrylamide Gel Electrophoresis

ATC32PAT32PA32P

T A G C

T

A

CG

ATCG32P

ATCGA32P

ATCGAT32P

ATCGATC32P

ATCGATCG32PATCGATCGA32P

ATCGATCGAT32P

DNA fragments having a difference of one nucleotide can be separated on gel electrophoresis

But these bands can’t tell usthe identity of the terminal nucleotides

If those band with the sameterminal nucleotide can begrouped, then it is possible to read the whole sequence

Juang RH (2004) BCbasics

Page 38: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Sanger's Method:

Maxam-Gilbert's Method:

How to Obtain DNA Fragments

32P32P ATCGATCG

32P ATCG

AT

ATCGAT

ATCG

TAGCTAGCTA

TAGCTAGCTA

TAGCTAGCTA

ATCGA

32P

Specific Reaction to G

ATCG

STOP

A

Terminated

Keep on goingBiosynthetic method

Chemical method

Template

or

Non-radioactive(invisible)

32P A,T,C,G A

Analogue

Destroy → Cleavage

Destroy → Cleavage

ATCGATCGAT

Producing various fragments

Juang RH (2004) BCbasics

Page 39: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Phosphodiesterbond

P R P R P R P R P R P R

OH

5’

3’

1

3’

5’

A

1

2

3

4

5

6

APO4

2-

H3’

5’

2

Hdideoxynuceotide

TerminatedTerminatedddNTP

Sanger’s M

ethod: How

Term

inated

Normal

Linking

Can not reactJuang RH (2004) BCbasics

Page 40: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov

Structure of the reversible terminator 3'-O-azidomethyl 2'-deoxythymidine 5'- triphosphate labeled with a removable fluorophore.Source: Bentley et al. (2008). Nature 456: 53–59.

Page 41: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 42: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 43: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov
Page 44: Denaturácia a renaturácia RNázy A Nobelova cena z chémie v roku 1972 za práce o zvinovaní proteínov