Lülitid elusrakkudes:d d :proteiinkinaasid

Koostaja: Darja Lavõgina, PhD

Å

Elusrakk: mõned protsessid...p

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/Signal_transduction_pathways.png2

Meeldetuletuseks

SISSEJUHATUSMeeldetuletuseks

3

Valgud ehk proteiinidValgud ehk proteiinid

• Ül d dhttp://www.pbs.org/wgbh/nova/genes/images/fate‐02.jpg

• Ülesanded:

Toidavad (energiavarud)Transpordivad aineid

Annavad kudedele struktuuri

O l d liik i õi i

Reguleerivad eri protsesse organismis

Osalevad liikumisvõime tagamises

http://www.thefoodguys.com/images/categories/milk‐and‐eggs.jpg

http://criticalbench.com/images/muscle‐fibers.jpg

http://www.animaldefense.com/A_images/chinese_fur%20(36).jpg

4

Valkude keemiline koostisValkude keemiline koostis• Biopolümeerid, koosnevad aminohapetestp p

Mis on pildil valesti?

Aminohape:aluseline rühm,happeline rühm p

Polümeeri teke

http://3.bp.blogspot.com/‐jqyNe0M6Xqs/TZybsJFxWUI/AAAAAAAAALE/ZiDT3JVZtYY/s1600/702px‐AminoAcidball.svg.png5

• Aminohapete kõrvalahelad on olulised, k l b d l d

http://www.neb.com/nebecomm/tech_reference/images/amino.gif

a...

kuna lubavad luua vastasmõjusid:Valgu sees eri aminohapete vahelV lk d h l

usen

a Valkude vahelValkude ja teiste molekulide vahelV lk d j l k lid h l

ärku

Valkude ja veemolekulide vahel

hem

äV

ah

6

Valkude struktuurid

• Polümeeri ahel:2D ahel: primaarne 2D ahel: primaarne

struktuur D ili d 3D ruumilised

paigutused: kõ d kõrgemad struktuurid

S k d • Sekundaarne, tertsiaarne, kvaternaarnekvaternaarne

http://withfriendship.com/images/g/33606/what‐is‐an‐alpha‐helix.gif

http://doctorgrasshopper.files.wordpress.com/2010/10/beta_sheet.jpg7

a...

sena

rkus

emär

Vah

eV

http://i078.radikal.ru/1109/18/996eb226ce20.gifhttp://vyazat.ru/wp‐content/uploads/2011/04/%D0%A3%D0%B7%D0%BE%D1%80‐%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%87%D0%BA%D0%B0.jpg

http://photo‐dict.faqs.org/photofiles/list/4003/5375green_thread.jpg 8

a...

• Kvaternaarstruktuuri näide: Insuliini heksameer: 6 × 5808 Da (g/mol)

sena

nsuliini heksameer: 6 5808 Da (g/mol)rk

usem

ärV

ahe

V

9

1. osa

VALGUD JA JA SIGNALISEERIMINE RAKUS

10

Valkude ruumilise kuju muutus kui elu alus

• Nn konformatsioonilised muutusedKeemiliste sidemete pikkused ei

muutu! M d d d Muutuvad nurgad sidemete

vahel!• Võib kaasneda sekundaarsete • Võib kaasneda sekundaarsete

struktuuride üleminek üksteiseks• Võib kaasneda kõrgemate

struktuuride osaline “lahti põimumine” (unfolding) / primaarstruktuuri korrastumine pkõrgemateks struktuurideks (folding)

https://parasol.tamu.edu/dsmft/images/1bdd.gif11

a...

• Näide*: keemilised sidemed, nurgad, torsiaalnurgad

senag

Aminohape seriin

rkus

emär

Ser.s3d

Vah

eV *Faili avamiseks vajalik programm ACD/Chemsketch 3D Viewer 

(ACD/Labs Freeware)

12

a...

• Valgud võivad ka: Hüdrolüüsuda aminohapeteks

sena

p• Sisuliselt protsess, mis on vastupidine

polümerisatsioonile

rkus Denatureeruda

• Keskkonna mõjul (pH, temperatuur, d d d) d / d

emär detergendid) toimuv pöörduv/pöördumatu

kõrgemate struktuuride kadu st täielik unfolding

Vah

e st täielik unfolding

Koaguleeruda • “Kokku kleepumine” kus primaarstruktuuri V Kokku kleepumine , kus primaarstruktuuri

või kõrgema struktuuriga valgumolekulid moodustavad suuremaid osakesi (agregaate)

13

Valkude paindlikkus: näiteid elustp

• Valk: proteiinkinaas AValk: proteiinkinaas APainduv osa: glütsiini-rikas aas

14

Raku signaaliradadesse põimumineRaku signaaliradadesse põimumine

V l ili k j l • Valgu ruumilise kuju muutuse tulemusena toimub valgu sisselülitumine rakus toimuvatesse protsessidesse toimuvatesse protsessidesse või nendest väljalülitumine

• Miks?Miks?Muutub valgu võime siduda teisi molekuleMuutub tõenäosus selleks, et olla seotud teiste Muutub tõenäosus selleks, et olla seotud teiste

molekulide poolt• N-ö valgu struktuuri “ära tundmine” teiste molekulide

seisukohaltseisukohaltMuutub valgu paigutus rakusMuutub valgu stabiilsusMuutub valgu stabiilsus

http://www.shivacharity.com/images/black‐cat‐animation.gif15

Erijuht: laengu sisseviimine kui lülitiErijuht: laengu sisseviimine kui lüliti• Fosforüleerimisreaktsioon:Fosforüülrühma (-PO3

2-) ülekanne teatud aminohapete* kõrvalahelas paiknevale hüdroksüülrühmale (-OH)

*A i h d ii ii ii• *Aminohapped: seriin, treoniin, türosiinFosforüüli võtab vastu: valk (nn substraatvalk)Fosforüüli annab ära: ATPFosforüüli annab ära: ATP

ATP ADPNH2

ONH2

O

O‐P‐O‐OH =

‐O‐

NH2 OH

OH

2 OH

OHO

Ser Thr

NH

= O

NH2 OH

N

N

N

N

NH2

OOP

O

-P

O

O-

O-

-O

O

P

ATP

OHTyr

16OH

OOO

OH

2. osa

PROTEIINKINAASID2. osa

17

Miks on vaja katalüsaatoreid?j• Energeetiline diagramm

• Elusorganismides katalüüsivad reaktsioone ensüümidMeeldetuletuseks: samuti valgud!

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/CatalysisScheme.png18

Proteiinkinaasid kui katalüsaatoridProteiinkinaasid kui katalüsaatorid

• Proteiinkinaas (PK):Seob ATP-d Seob valku (substraatvalku)“Võtab” ATP-lt ära fosforüüli ja “paneb” valgu

k lkülgeSeejärel dissotsieeruvad ADP ja fosforüleeritud valk

PK molekulistPK molekulist

19

Proteiinkinaasi molekul

• Proteiinkinaas (PK):Proteiinkinaas (PK): Seob ATP-d Seob valku (nn substraatvalk) Võt b ATP lt ä f f üüli j b l kül Võtab ATP-lt ära fosforüüli ja paneb valgu külge Seejärel dissotsieeruvad ADP ja fosforüleeritud valk PK molekulist

20

3.osa

PROTEIINKINAASID 3.osa

INIMORGANISMIS

21

Üldist infotÜldist infot• Inimese organismis on 518 erinevat proteiinkinaasi (PK)g 5 p ( )• PK-d vastutavad mitmete ülesannete (nn radade) eest:Nt raku jagunemine, kasv, rakusisene ainevahetus ning

i e het s keskk s rainevahetus keskkonnaga, surm• Ühte valku võib fosforüleerida mitu kinaasi• Üks PK võib fosforüleerida mitmeid valke Üks PK võib fosforüleerida mitmeid valke • Selleks, et PK-de rajad segi ei läheks, on rakus erinevad

kontroll-mehhanismid: E i d PK d k ii d i j l ( d k kli i • Erinevad PK-d aktiivsed eri ajal (seotud rakutsükliga ning aktiveerivate ainetega) ning raku eri osades

• PK-de kontsentratsioon: Keskmine kontsentratsioon rakus üldiselt madal (kuni 1 M) Teatud rakupiirkonnas (st lokaalselt) võib kontsentratsioon

üsna kõrge ollag

22

• Meeldetuletuseks: rakutsükkela.

..• Meeldetuletuseks: rakutsükkelJagunemine + interfaas (G1, S, G2)

sena Ettevalmistumine

jagunemiseks

rkus

jagunemiseks

emär

Vah

eV

Raku kasv

http://homepage.mac.com/enognog/cell%20cycle.jpg

DNA kahekordistumine23

• Ülesanded ja küsimused

a...

Ülesanded ja küsimusedOletame, et raku ruumala on 1 mm3 (1 L) ja

mingisuguse proteiinkinaasi (PK) k i k M Mi ll PK

sena

kontsentratsioon rakus 1 M. Mitu selle PK molekuli on rakus?

• 6×1011 molekuli

rkus Lisaks eelmisele: oletame, et see PK on

esimeses lähenduses kerakujuline ja kera raadius on 30 Å. Kui suure protsendi raku

emär

3 pruumalast võtavad enda alla kõik selle PK molekulid?

• Vk = 4/3 R3

Vah

e Vkera = 4/3 R• 1 Å= 10-10 m• Ühe molekuli ruumala on 10-16 mm3, järelikult ühe

PK molekulide koguruumala on 6×10-5 mm3 ning V PK molekulide koguruumala on 6×10 mm ning suhe raku ruumalasse on 6×10-3 %

• Kui oletada, et kõigi PK-de kontsentratsioon oleks nii suur, siis kõigi PK-de molekulid võtaksid raku , gruumalast 518×6×10-3 % = 3 %

24

Proteiinkinaasid rakusDi Benedetto G et al. Circulation Research 2008;103:836-844

Helesinine: proteiinkinaas PKA

10 M

Roheline: Aurora A(kollane: aktiivne vorm)Si i äid d k DNA

Roheline: proteiinkinaas EGFRSi i äid t d k DNA Sinisega näidatud raku DNASinisega näidatud raku DNA

50 M

Irwin M E et al. Journal of Cellular Physiology 2011; 226:2316-2328

25

Proteiinkinaasid ja haigusedj g

http://www.youtube.com/watch?v=jceNvrDTxKo

• Elusrakkudes on lisaks valgu aktiveerimisele alati oluline ka õigeaegne aktiivsuse alati oluline ka õigeaegne aktiivsuse mahavõtmine

k d l k d • Proteiinkinaaside liigne aktiivsus on seotud mitmete haigustega!Vähkkasvajad, Alzheimeri tõbi, diabeedid,

südame-veresoonkonna haigused, põletikud, jne.g , p , j

26

• Fosforüleerimise puhul:pTuleb lõpetada katalüsaatorite

(proteiinkinaaside) tootminea... p

• St lõpetada PK-de ekspressioon

Tuleb lõpetada proteiinkinaaside tegevussena

• St teostada PK-de lagundamine

Tuleb teostada fosforüüli äravõtmine lk d l rk

us

valkudelt • katalüüsivad fosfataasid

emär

PK

Vah

e ATP ADP

fosfataas

V

O‐P‐O‐OH = O

‐O‐

O

27

• Küsimused ja ülesanded:a.

..j

Kuidas toimub valgu ekspressioon DNA-lt (st geneetilise info avaldumine)?

Mi lk k d i i i i l?

sena

Mitu valku kodeerivat geeni on inimesel? • 20.000 kuni 25.000

Mitu protsenti valke kodeerivast genoomist

rkus

p gmoodustavad PK-d?

• 2,0 % kuni 2,5 %• Võrrelge saadud numbrit eelmiste ülesannete vastustega

emär Võrrelge saadud numbrit eelmiste ülesannete vastustega ja otsustage, kas raku sisu on niiväga vedel

Transport

Vah

e Transkriptsioon,RNA töötlemine

Transport,translatsioon,

folding

V

DNA

tuumas Ribosoomidel tsütoplasmas

valk

http://www.ucmp.berkeley.edu/glossary/gloss3/DNA2.gif http://blog.dearbornschools.org/renkomapbio/files/2010/10/mrna4.png

mRNAvalk

28

KOKKUVÕTE

29

Kokkuvõte loengustKokkuvõte loengust

l k k l l ll l• Palun kirjutage kolm lauset selle loengu kohta: mida uut saite teada?Või kolm küsimust loengu põhjal: mida veel

tahaksite teada saada?t k t t d d ?

5 min

30

31

AITÄH TÄHELEPANU EEST!

32http://www.blackcatprinters.co.uk/assets/logo/Black_Cat_Animation.gif

Viited ja kasulikud lingidViited ja kasulikud lingid

h // db / db/h /h d• http://www.pdb.org/pdb/home/home.doAndmebaas valkude kristallstruktuuridega

• Antud ettekandes on illustratsioonidena kasutatud järgmised kristallstruktuurid: 1ATP, 1BKX, 1CDK, 1FD6, 1FMO, 1J3H, 1JBP, 1JLU, 1L3R, 1RGS, 1U7E, 2GFC, 2OMI, , J3 , J , J , 3 , , 7 , , ,2QCS, 2QVS, 3IDB, 3IDC

• http://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/Vabavara keemiliste struktuuride joonistamiseks

ning vastavate 3D struktuuride tekitamiseks ja vaatamiseks

33