univerza v ljubljani, fakulteta za farmacijo, 2016/17 program:...
TRANSCRIPT
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo, 2016/17Program: Laboratorijska biomedicina
Predmet:
MOLEKULARNA ENCIMOLOGIJA
Jure Stojan in Marko GoličnikMedicinska fakulteta
Prof. dr. Matjaž Zorko – do generacije 2013/14
Struktura predmeta:
predavanja vaje seminarji
UrnikProgramVajeSeminarjiKolokvijiIzpit
http://ibk.mf.uni-lj.si/teaching/lab_medicina
FFA: LABORATORIJSKA MEDICINA, 2. stMOLEKULARNA ENCIMOLOGIJA
PROGRAM PREDAVANJ 2016/17
VAJE
VAJE
S
IZPIT
K
K
DATUM OBLIKA POUKA (P = predavanje, V = vaje) PROSTOR
6. 10. / 15.00četrtek
P1 (MG): proteinska narava encimov, struktura, stabilnost in fleksibilnost, konformacijske spremembe, koncept aktivnega mesta, klasifikacija
MF:LP
13. 10. / 15.00četrtek
P2 (JS): encimska kataliza (kovalentna, acido-bazna, s približanjem in orientiranjem), termodinamične osnove encimske katalize, časovni potek encimske reakcije, začetna hitrost
MF:LP
18. 10. / 08.00torek
V1 (JS+MG): specifična aktivnost alkalne fosfatazerazdelitev seminarjev
MF:IBK vajalnica
20. 10. / 15.00četrtek
P3 (MG): vplivi na hitrost encimske reakcije, vpliv substrata na hitrost encimske reakcije (Michaelisova kinetika), ravnotežno in stacionarno stanje
MF:LP
25. 10. / 8.00torek
V2 (JS+MG): začetna hitrost, Km, Vmax, kkat MF:IBK vajalnica
27. 10. / 15.00četrtek
P4 (JS): hitra kinetika in nastajanje ravnotežnih in stacionanih stanj, vrste inhibicije (reverzibilna, ireverzibilna), matematično modeliranje encimskih reakcij (holinesteraza in tubokurarin oz. eserin)
MF:LP
10. 11. / 15.00četrtek
Integracija 1 + kolokvij 1 (MG) MF:LP
15. 11. / 8.00torek
V3 (JS+MG): hitra kinetika in modeliranje - demonstracija MF:IBK vajalnica
17. 11. / 15.00četrtek
P5 (JS): molekulski mehanizem encimske reakcije (kimotripsin, acetilholinesteraza), alosterični pojavi, alosterija, kooperativnost, kinetika, matematične osnove, molekulski modeli, pseudokooperativnost
MF:IBK vajalnica
24. 11. / 15.00četrtek
P6 (JS): primeri alosteričnih encimov (PFK, CAT, ATC) MF:LP
1. 12. / 15.00četrtek
P7 (MG): klasifikacija encimov in primeri delovanja značilnih predstavnikov posameznih encimskih razredov
MF:LP
8. 12. / 15.00četrtek
P8 (MG): uporaba encimologije v kliniki (diagnostika, terapija, encimi kot tarče zdravil) in biotehnologiji (mikroorganizmi, imobilizirani encimi, kat. protitelesa)
MF:LP
15. 12. / 15.00četrtek
Integracija 2 + kolokvij 2 (JS) MF:LP
20. 12 / 15.00 torek
S1 (JS+MG) MF:LP
22. 12. / 15.00 četrtek
S2 (JS+MG) MF:LP
januar 2015 izpit (1. rok) po razporedu MF:IBKfebruar 2015 izpit (2. rok) po razporedu MF:IBKjunij 2015 izpit (3. rok) po razporedu MF:IBKseptember 2015 izpit (4. rok) po razporedu MF:IBK
VAJE
VAJE PREDAVANJA, SEMINARJIKJE JE KAJ:
VAJE
Predavanje 1:STRUKTURA PROTEINOV IN NJEN POMEN ZA
DELOVANJE ENCIMOV
Marko GoličnikMedicinska fakulteta
GLEJ: http://ibk.mf.uni-lj.si/teaching/lab_medicina/default.html
MOLEKULARNA ENCIMOLOGIJA Encimi so biološki katalizatorji:• Skrbijo za dovolj veliko hitrost kemičnih reakcij.
• Pomembno sodelujejo pri regulaciji bioloških procesov.
MOLEKULARNA ENCIMOLOGIJA Encimi so biološki katalizatorji:• Omogočajo črpanje energije in njeno porabo v organizmih.
• V klinični biokemiji so pomembni markerji in reagenti.
MOLEKULARNA ENCIMOLOGIJA Encimi so biološki katalizatorji:Po kemijski strukturi: PROTEINI in RNA (klasični encimi in ribocimi).Ribocimi so izredno pomembni pri zorenju mRNA in pri sintezi proteinov Vse druge procese (reakcije) katalizirajo klasični encimi – več 10.000 različnih PROTEINOV (~75.000 v človeku).
ZATO MORAMO POZNATI STRUKTURO PROTEINOV!
PAZI: več 100 nestandardnih AK (post-transl. modif. & D-AK)!
C-atom
PROTEINE SESTAVLJAJO L-AMINOKISLINE (AK)
Glavne lastnosti (20 standardnih) aminokislin
- klasifikacija AK
- velikost
- naboj
- polarnost
- hidrofobnost
- aromatske AK
- 3D-konfiguracija AK in optična aktivnost
Le po R se razlikujejo!
Klasifikacija proteinogenih aminokislin
Kislinsko-bazne lastnosti aminokislin
N CR3
R1-COOH + H2N-R2 ↔ R1-CONH-R2 + H2O
AMINOKISLINA (AK)
R = AK radikal (stranska veriga)
AK ostanek (residue) = AK – H2O
PROSTA AMINOKISLINA
AMINOKISLINA V PROTEINU
R
NABOJ:Odvisen od pKa vrednosti (25°C) in pH
Aminokislina -COOH -NH3+ R
Alanin 2.3 9.9Glicin 2.4 9.8Fenilalanin 1.8 9.1Serin 2.1 9.2Valin 2.3 9.6Asparaginska k. 2.0 10.0 3.9Glutaminska k. 2.2 9.7 4.3Histidin 1.8 9.2 6.0 !Cistein 1.8 10.8 8.3Tirosin 2.2 9.1 10.9 !Lizin 2.2 9.2 10.8Arginin 1.8 9.0 12.5
Samo R, N- and C- konci so pomembni pri proteinih
N CR3
Aromatske AK (Phe, Tyr, Trp)• velike
• resonanca: -OH v Tyr bolj ‘kisla’
• polarnost: posebne interakcije (kation – )
• absorbirajo UV svetlobo
D,L-sistem
3D STRUKTURA AK DOLOČA 3D STRUKTURO PROTEINOV
POMEMBNO ZA PREPOZNAVANJE: E-S, E-I, R-H, Ag-Ab
rotacija linearno polarizirane svetlobe
( = [].l.c)
STANDARD!Posebne funkcije!
STANDARD!
Shema sinteze proteinov
Transkripcija(prepis DNAmRNA)nukleotidi v nukleotide
Translacija (prevod mRNAprotein)Nukleotidi v aminokisline
Zorenje mRNAPostranslacijske modifikacije AK (samo evkarionti)
R1-COOH + H2N-R2 ↔ R1-CONH-R2 + H2O
Nastanek peptidne vezi:
pre-mRNA
mRNA
Primarna struktura = sekvenca aminokislin
1 2 3 4 5
Sekvenco lahko določimo neposredno iz proteina ali posredno iz mRNA ali DNA.
PO43-
peptidne vezi
Oštevilčenje od N-konca do C-konca!
Ser Gly Tyr Ala LeuS G Y A L
Post-translacijske modifikacije spremenijo sekvenco, ali odstranijo ‘nezaželene dele proteina, vpeljejo nove
funkcionalne skupine in imajo tudi regulatorno vlogo.
Pomembne modifikacije:
• proteolitično procesiranje = izrezovanje delov proteinske verige
• spremembe N- in C-koncev
• glikozilacija (pripenjanje sladkorjev)
• pripenjanje lipidov
• sulfatiranje
• -karboksi-glutaminska kislina
• hidroksilacija
• fosforilacija
• ADP-ribozilacija
• disulfidni mostički
pripenjanje funkcionalnih skupin
Proteolitično procesiranje: ‘aktivacija’ encimov
Namen: encim postane aktiven tam kjer deluje in ne na mestu sinteze! Značilno predvsem za prebavne encime.
Pripenjanje lipidov: interakcija z membrano, 3D struktura
Pripenjanje malih funkcionalnih skupin vodi v spremembo 3D strukture in aktivnosti
• fosforilacija
• -karboksi-glutamat
• metilacija
• sulfatiranje
• hidroksilacija
Nastanek disulfidne vezi: stabilizacija 3D-strukture
Samosestavljanje polipeptidne verige: od primarne do terciarne (kvartarnarne) strukture
ŠIBKE INTERAKCIJE
• odboj pri dotiku
• van der Waalsove interakcije
• elektrostatske interakcije
• vodikova vez
• hidrofobne interakcije
• ion - interakcije (aromatske AK)
| | | | |
R1-COO- H3N+-R2
CH3-CH2-CH3
CH3-CH2-CH3
Vse te šibke interakcije so med AK radikali, H-vezi pa tudi med –CO in HN- v peptidni vezi.
Peptidna vezR1-COOH + H2N-R2 ↔ R1-CONH-R2 + H2O
Velika večina peptidnih vezi je v trans konfiguraciji.
IZJEMA: v zavojih ob Pro je približno 6% peptidnih vezi cis
Delna dvojna vez, zato 6 atomov v isti ravnini!
Dihedralna kota Φ (fi) in Ψ (psi)
Začetni položaj:
Φ = Ψ = 0 stopinjTa položaj je le teoretičen in v resnici ni mogoč!
desnosučna -vijačnica
C
H
N
O
vodikova vez med AKi in AKi+4
RADIKALI (niso prikazani) MOLIJO VEN!
C=O in N-H, ki sta povezana z vodikovo vezjo, sta udeležena v dveh različnih
peptidnih vezeh 5 AK narazen.
struktura (antiparalelna)
struktura (paralelna)
N-t.
N-t.C-t.
C-t.
Delež sekundarnih struktur je lahko različen / Nagubani list je pogosto zvit in
podprt z vijačnicami.
Povezave verig v nagubanem listu
ANTIPARALELNA PARALELNA
zavoj
β-zavoji
RAZLIKA!
Zanke: Ω zanka je navadno iz 40 do 54 AK (citokrom c)
Ω
Ni nujno, da so vsi deli proteina v eni od teh II. struktur NEUREJENA II. STRUKTURA
TERCIARNA STRUKTURA GLOBULARNIH PROTEINOV
Vsi encimi so globularni proteini.
Pet različnih prikazov terciarne strukture mioglobina.
Fotografija lis na filmu po uklonu rentgenskih žarkov skozi kristal Mb.
Protein moramo najprej očistiti, nato kristalizirati in skozi kristal spustiti rentgenske žarke, ki se na atomih zaradi elektronov uklonijo. Analiza uklonskih slik nam da elektronsko gostoto na določeni globini kristala. Iz tega določijo položaj vsakega atoma v proteinu.
‘Zemljevid’ elektronske gostote proteina z AK ostanki.
Ena podenota encima gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaze iz Bacillusa stearothermophilusa.
POZOR: Kombinacija različnih II. struktur. Jasno se vidita dve domeni (ena rdeče in druga zelene barve), ki ju lahko ločimo s prekinitvijo ene vezi v verigi, ki povezuje domeni (glej puščico).
Kvartarna struktura hemoglobina.
ZAKAJ KVARTARNA STRUKTURA?
- VARNOST (Hb: 2+2, 2 različna gena)
- ALOSTERIČNI EFEKTI (regulacija – Hb, alosterični encimi)
- POVEČANA & LOKALIZIRANA KONCENTRACIJA AKTIVNIH MEST (AChE)
- MULTIFUNKCIONALNI PROTEINI:
maščobnokislinska sintetaza: 7 aktivnih mest z različnimi funkcijami:
bakterija
gliva
človek
Voda je integralni del proteinske strukture in pomembno prispeva k njeni stabilnosti.
Zvijanje proteinov preučujemo tako, da jih razvijemo (denaturiramo), nato pa opazujemo ponovno zvijanje.
Denaturanti, pH, T in visok P porušijo strukturo. Proces je lahko reverzibilen.
Zakaj denaturacija:
• toplota (visoka temperatura): neposreden vnos energije
• ekstremni pH: ionizacija le v razvitem stanju (premik ravnotežja); elektrostatski odboji na površini proteina; porušenje ionskih interakcij.
• denaturanti (urea, gvanidinijev klorid): preferenčna vezava – deli proteina se raje vežejo z denaturantom kot med seboj (vpliv na H-vezi in hidrofobne interakcije!)
Prerez skozi 3D energijski profil zvijanja proteina. Nativna struktura ima najmanjšo energijo (prosto entalpijo G), povsem razvit protein pa ima največjo energijo (G) in tudi največjo entropijo (S), ker je ta struktura najbolj neurejena.A POZOR, TOPILO!!!
G=H-TS Gminimalna , Sminimalna
prispevek vezi Prispevek (ne)urejenosti
G
Gmaksimalna , Smaksimalna
Šaperoni pomagajo proteinom pri zvijanju in skušajo ponovno zviti razvite proteine.
Premikanje domen v plašču šaperona pomaga pri zvijanju proteinske verige, ki je v notranjosti.
Konformacijske spremembe omogoča hidroliza ATP.
Nekateri proteini so ‘namerno’ nestabilni (vsaj lokalno); to omogoča:
• konformacijske spremembe
• prilagoditve pri vezavi na druge molekule (interakcije protein - protein in protein -nukleinska kislina)
transkripcijski faktor (P. Wright, Scripps)
Metabolično ‘obračanje’ proteinov:
Proteini ‘živijo’ v celici različno dolgo.
Npr.: razpolovni čas encimov v jetrih je od 0.2 do 150 ur.
Pravilo N-konca: Razpolovni čas proteinov je povezan s strukturo N-terminalne AK:
Za proteine z N-terminalnimi Met, Ser, Ala, Thr, Val ali Gly je razpolovni čas večji od 20 ur.
Za proteine z N-terminalnimi Phe, Leu, Asp, Lys ali Arg je razpolovni čas 3 min ali manj.
Pravilo PEST: proteini, ki imajo veliko Pro (P), Glu (E), Ser (S) ali Thr (T) se hitreje razgradijo kot drugi proteini.
Selektivno razgradnjo proteinov uravnavajo znotrajcelični in zunajcelični signali.
Eden od njih je vezava ubikvitina (majhen protein) na za razgranjo namenjen (predvsem delno razvit) protein. Razgradnja ubikvitiniranih proteinov poteka v proteasomih.
ubikvitin PDB 1TBE
H2N COO
signalna sekvenca
veriga ubikvitinov
Primarna struktura za razgradnjo namenjenega proteina
Veriga 4 ali več ubikvitinov usmeriprotein v razgradnjo.
Proteasom je velik kompleks. Jedro ima 4 obroče (2 α in 2 β), vsak je iz 7 proteinov, znotraj pa je votlina kjer se razgrajujejo ubikvitirani proteini. Po 3 podenote v β obročih so proteolitični encimi.
20 S Proteasom (kvasovka) v zaprtem stanju
dva pogleda PDB 1JD2
• Proteasomi prepoznajo in razgrajujejo poli-ubikvitinirane proteine, ki so celici lastni.
• Nekateri celici lastni proteini se le mono-ubikvitinirajo; ti verjetno doživijo razgradnjo v lizosomih.
• Lizosomi so organeli, ki vsebujejo proteolitične encime (katepsine); namenjeni so razgradnji predvsem izvenceličnih proteinov (v celico pridejo z endocitozo).
• Oba sistema sta potrebna za odstranjevanje ‘izrabljenih’ in napačno zvitih ali razvitih proteinov.
• Okrog 50 % vseh sintetiziranih proteinov se takoj razgradi!
Kontrola kvalitete proteinske sinteze
VSE KAR SMO POVEDALI O ZGRADBI, ZVIJANJU IN RAZGRADNJI PROTEINOV VELJA SEVEDA TUDI ZA ENCIME IN JIM OMOGOČA NJIHOVO DELOVANJE!
encimsko katalizirana reakcija
E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P
nekatalizirana reakcija
S ↔ P substrat produkt
Kako encimi delujejo?
E – encimS – substrat, P – produkt ES – kompleks encim-substratEP – kompleks encim-produkt
POZOR, nista aktivirana kompleksa!
Med katalizo encim E specifično veže substrat S, ga pomaga spremeniti v produkt P, encim pa se nespremenjen odcepi. Tako se lahko ponovno in večkrat uporabi. Med tem procesom se tvori kratko živeči kompleks ES (in drugi kompleksi, npr. EP).
Encimi so bio-katalizatorji, ki zmanjšajo aktivacijsko energijo reakcije
S ↔ P E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P
ΔGo = ΔGo = - RT ln K
ΔG# < ΔG# v > v
ENCIMI
Encimi so visokospecializirani proteini z veliko katalitično močjo (učinkovitostjo – do 1020) in veliko substratno specifičnostjo.
katalitično mesto je čimbolj komplementarno PS
katalitično mesto lahko loči med funkcionalnimi skupinami
(pro)kiralnih molekul
Za razlikovanje enantiomerov mora imeti encim vsaj tri
specifična mesta za vezavo substrata.
Fischerjev koncept: encim popolnoma (ključ-ključavnica) ustreza substratu, a ... ???
KATALITIČNA MOČ ENCIMOVAktivno mesto encimov predstavlja le majhen predel proteinske strukture. Encimi so veliki, da lahko vzdržujejo primerno konformacijo na katero se lahko z dovolj veliko vezavno energijo veže substrat v prehodnem stanju (PS). Substrat/encim se z vezavo inducirano prilagodita drug drugemu (induced fit).
Znižanje aktivacijske proste entalpije za 5,7 kJ/mol zadošča za 10x povečanje hitrosti.
Šibke interakcije: vodikove, elektrostatske, hidrofobne, van der Waalsove interakcije.
*
* - substrat v PS
*
Peptidaza veže substrat (dipeptid) s tremi šibkimi vezmi, vsili substratu novo konformacijo, kar destabilizira peptidno vez
(prehodno stanje!)ENCIM
SUBSTRAT (S1)
VODA (S2)
S1 + S2 P1 + P2
Koshlandov koncept: encim le delno ustreza substratu, a se oba prilagodita – pri tem encim vsili substratu konformacijo prehodnega stanja v kateri se ta najbolje veže na encim in se zaradi tega laže (in tudi hitreje) pretvori v produkt!
Struktura tripsina
Ser 1952451 7
His 57 Asp 102
Katalitična triada
Namen: ‘aktivacija’ Ser (OH)
V aktivnem mestu pridejo zaradi III. strukture skupaj AK, ki so navadno v I.strukturi med seboj precej oddaljene.
N C
KATALITIČNA MOČ ENCIMOVRazlične oblike katalize potekajo s funkcionalnimi skupinami aminokislinskih radikalov, pri tem pa lahko sodelujejo tudi različni kofaktorji (kovinski ioni, koencimi ali prostetične skupine). Aktivni encim s kofaktorjem imenujemo holoencim, sam neaktiven proteinski del pa apoencim (ali apoprotein).
HOLOENCIM = APOENCIM + KOFAKTOR ALI KOENCIM aktiven encim proteinski del neproteinski del molekule
KOENCIMI PROSTETIČNE SKUPINE
• Se sprehajajo med encimi in nanje niso trajno vezani
• Na enem E sprejmejo neko skupino ali molekulo, na drugem jo oddajo
• Tako povezujejo različne encime v kompleksne večstopenjske procese in prenašajo skupine ali molekule med različnimi substrati
• So trajno vezani na določen encim, ki ga nikoli ne zapustijo
• Na istem E sprejmejo neko skupino ali molekulo od enega S in jo oddajo drugemu S
• Tudi povezujejo večstopenjske procese, a običajno sodelujejo z omejenim številom substratov
A-x
A CoE-x
CoE
B
B-x
E1E2
A-x
A
PSk
B
B-xE
PSk-xE
Kofaktorji so lahko tudi le ustrezni kovinski ioni (cink, magnezij, baker itd)
KOFAKTORJI
x = skupina, ki se prenaša
KOENCIMI IN PROSTETIČNE SKUPINE (nastanejo iz vitaminov), ZAGOTOVIJO DODATNE FUNKCIONALNE SKUPINE
PREKURZOR (VITAMIN) SKUPINA PRENOSA KOENCIM/PROST. SK.
tiamin (vitamin B1) aldehidna skupina tiamin pirofosfat
riboflavin (vitamin B2) elektroni in protoni flavin mononukleotid FMN, FAD
nikotinska kislina (niacin)
hidridni ion (H-) nikotinamid adenin dinukleotid NAD
pantotenska kislina in druge molekule
acilne skupine koencim A
piridoksin (vitamin B6) amino skupine piridoksal fosfat
vitamin B12 H-atomi in alkilne skupine (ciano)kobalamin
biotin CO2 (-COOH) biocitin
folna kislina skupine z enim C-atomom tetrahidrofolna kislina
lipojska kislina elektroni in acilne skupine lipojska kislina
6. Tetrahydro folate
2. predavanje
termodinamske in kinetične osnove katalizeencimska katalizačasovni potek encimske reakcijezačetna hitrost