Felveckning och denaturering av proteiner

Felveckning och denaturering
av proteiner
Niklas Dahrén
Felveckning av proteiner
Strukturen är helt avgörande för proteinets
funktion ü  E# protein är helt beroende av sin struktur för a& kunna fullgöra sina uppgi/er. T.ex. behöver enzymer ha en viss form för a& kunna binda olika ämnen. ü  Exempel: Enzymet ”galaktosidas” behöver n edanstående 3-­‐dimensionella struktur för a& kunna binda si& substrat ”maltos” och spjälka det Ell 2 glukosmolekyler. Bildkälla: "Galactosidase enzyme" by Thomas Shafee -­‐ Own work. Licensed under CC BY-­‐SA 4.0 via Commons -­‐ h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galactosidase_enzyme.png#/
media/File:Galactosidase_enzyme.png Efter translationen får proteinet sin
3-dimensionella struktur genom veckning ü  De flesta proteiner veckas spontant ;ll sin tredimensionella struktur: Aminosyror med hydrofoba sidokedjor kommer vända dessa inåt (bort från det omgivande va&net) medan aminosyror med hydrofila sidokedjor kommer vända dessa utåt (mot va&net). SamEdigt kommer vätebindningar och andra typer av bindningar (disulfidbryggor etc.) skapas mellan olika aminosyror vilket också bidrar Ell den spontana veckningen. ü  Chaperoner hjälper vissa proteiner med veckningen: Det finns en typ av proteiner i cellen proteiner med veckningen. En del chaperoner som heter ”chaperoner” och som hjälper vissa fungerar som ”värmeshockproteiner” och bildas i stora mängder när cellen utsä&s för hög temperatur. Värmeshockproteinerna ser då Ell a& stabilisera proteinets struktur så a& det inte denatureras. Veckning Bildkälla: "Process of DenaturaEon" by Scurran15 -­‐ Own work. Licensed under CC BY-­‐SA 4.0 via Commons -­‐ h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_DenaturaEon.svg#/
media/File:Process_of_DenaturaEon.svg Proteinernas veckning och struktur skapas
och stabiliseras av olika typer av bindningar
Vätebindning Jonbindning H2–– H3+ -­‐ O-­‐CII-­‐C
–– CH2-­‐N
O
Hydrofob Disulfidbrygga interak;on –– CH3 -­‐ -­‐ -­‐ CH3–– –– CH3 -­‐ –– CH2-­‐S––S-­‐CH2–– Proteinernas veckning och struktur skapas
och stabiliseras av olika typer av bindningar
ü  Vätebindningar: Vätebindningar uppstår mellan olika delar i polypepEdkedjans ”ryggrad” (mellan syre-­‐ och väteatomer). Vätebindningar uppstår även mellan olika aminosyrors polära sidokedjor (även här väte-­‐ och syreatomer alt. väte-­‐ och kväveatomer). Vätebindningar uppstår även mellan olika aminosyrors polära sidokedjor och de omgivande va&enmolekylerna vilket också är vikEgt för a& stabilisera den tredimensionella strukturen hos proteinet. ü  Hydrofoba interak;oner: Spontant kommer h ydrofoba sidokedjor vända sig inåt mot centrum av proteinet (bort från det omgivande va&net) och där binda Ell andra hydrofoba sidokedjor. De&a sker delvis p.g.a. a& va&enmolekylerna inte vill samverka med och binda Ell hydrofoba ämnen utan hellre binder Ell andra va&enmolekyler eller andra polära ämnen e/ersom det genererar starkare och stabilare bindningar (vätebindningar). De hydrofoba sidokedjorna binder då istället Ell varandra. ü  Jonbindningar (saltbryggor): Uppstår mellan p osiEvt och negaEvt laddade sidokedjor (R-­‐
grupper), precis som 2 joner i e& salt. ü  Disulfidbryggor: En disulfidbrygga utgörs av 2 svavelatomer, från 2 olika sidokedjor, som binder Ell varandra med en polär kovalent bindning. Obs. enbart aminosyran cystein har svavel i sin sidokedja så det är alltså 2 olika cysteinmolekyler som binder Ell varandra med en disulfidbrygga. Över 30 sjukdomar är orsakade av
felveckade proteiner ü  En felveckning av proteiner i cellerna leder Ell a& de inte får sin korrekta 3-­‐
dimensionella struktur och förlorar därmed sin normala funkEon. ü  Felveckade proteiner kan klumpa ihop sig med varandra och bildar då stora ”proteinaggregat” som kallas för amyloider. Dessa stör de normala funkEonerna i cellen. ü  Amyloiderna leder ;ll flera svåra sjukdomar, t.ex. Alzheimer, Parkinson, Skelle/eåsjukan och ”Galna kosjukan” och Creutzfeldt-­‐Jakobs sjukdom. Totalt orsaker felveckade proteiner över 30 olika sjukdomar. ü  En anledning ;ll a# proteiner veckas felak;gt kan vara a& genen för proteinet har få& en mutaEon vilket leder Ell a& en eller flera aminosyror blir ersa&a av andra aminosyror som omöjliggör en korrekt veckning. Prioner ger upphov till ”galna kosjukan” ü  I nervcellerna förekommer det s.k. prionproteinet (PrPC). Prionprotein kan dock bli felveckat och bli en dödlig prion (PrPSc). Det är alltså samma protein men i en ny form och med helt nya egenskaper -­‐ tyvärr dödliga. Orsaken Ell denna felveckning kan vara en mutaEon i prionproteingenen. ü  Prioner kan ”smi#a” andra friska prionproteiner i cellen. De kan påtvinga sin egen 3D-­‐struktur p å "oskyldiga" normala prionproteiner med en slags självgenererande effekt: 1 PrPC+1 PrPSc=2 PrPSc. Exakt hur det felveckade proteinet får andra, normalt är veckade prioner, a& anta den abnorma formen, forlarande inte känt. och ü  Prioner kan också smi#a mellan olika människor mellan djur och människor. ü  Felveckade prioner förstör hjärncellerna och ger upphov Ell ”Galna kosjukan” hos djur och Creutzfeldt-­‐
Jakobs sjukdom hos människor. Kor som inte klarar av a# resa sig upp kan ha drabbats av felveckade prioner som förstör deras hjärnceller. Diabetes typ 2 verkar ha ett samband
med felveckning av IAPP ü  Amylin, eller ”Islet Amyloid Polypep;de” (IAPP), är e& pepEdhormon som består av 37 aminosyror. Det utsöndras från betacellerna precis som insulin och bidrar Ell ökad blodsockerkontroll genom a& sänka magsäckens tömningshasEghet och öka mä&nadskänslan etc. ü  En felveckning av IAPP leder Ell a& pepEden får fel struktur och därför börjar flera IAPP klumpa ihop sig med varandra. Amyloider (proteinaggregat) bildas även utanför cellerna. Teorin är a& dessa är då först i betacellerna och sedan gi/iga för cellen och a& det så småningom leder Ell a& betacellerna genomgår apoptosis (programmerad celldöd). Bukspo&körtelns förmåga a& producera insulin blir i de&a fall nedsa& vilket ger upphov Ell diabetes (i första hand typ 2, men en del forskare menar a& det även kan finnas en koppling Ell diabetes typ 1). uppstår är a& en mutaEon i IAPP-­‐genen ü  En anledning ;ll a# felveckningen resulterar i a& aminosyran serin ersä&s med glycin vilket gör a& veckningen av hela proteinet blir felakEgt. Mer läsning om de#a: § 
§ 
§ 
h&p://physrev.physiology.org/content/91/3/795 h&p://www.sciencedirect.com/science/arEcle/pii/S0925443901000783 h&p://www.scq.ubc.ca/islet-­‐amyloid-­‐a-­‐culprit-­‐in-­‐type-­‐2-­‐diabetes/ Denaturering av proteiner
Denaturering av proteiner innebär att de
förlorar sin 3-dimensionella struktur ü  Proteiner kan denatureras vilket innebär a& de veckas ut och förlorar sin 3-­‐dimensionella struktur (även DNA, RNA och andra molekyler kan denatureras). Om proteinet förlorar sin 3-­‐
dimensionella struktur innebär det även a& proteinet förlorar sin funkEon. Proteinet fungerar som det ska pH, värme, salt, alkoholer etc. Denaturering Proteinet fungerar ej Bildkälla: "Process of DenaturaEon" by Scurran15 -­‐ Own work. Licensed under CC BY-­‐SA 4.0 via Commons -­‐ h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_DenaturaEon.svg#/
media/File:Process_of_DenaturaEon.svg Olika faktorer som orsakar denaturering av
proteiner Faktorer: Bindningar som bryts: Värme Vätebindningar, hydrofoba interakEoner Syror och baser (förändring i pH) Jonbindningar (saltbryggor), vätebindningar Alkoholer Vätebindningar Salter Vätebindningar med omgivande va&enmolekyler Mekanism: Bindningarna i proteinet (vätebindningar och hydrofoba interakEoner) börjar vibrera så kra/igt a& de Ellslut brister. Sidokedjornas laddningar förändras etc. vilket gör a& jonbindningar och vätebindningar upplöses. Alkoholmolekylerna binder Ell polära sidokedjor i proteinet med vätebindningar vilket bryter existerande vätebindningar mellan olika sidokedjor. De va&enmolekyler som omgärdar proteinet bidrar Ell struktur. Va&enmolekylerna binder med proteinets vätebindningar Ell de polära sidokedjorna vilket stabiliserar proteinets struktur, samEdigt så ser va&net Ell a& de hydrofoba sidokedjorna är vända inåt mot proteinets centrum. Vid hög saltkoncentraEon kommer jonerna i saltet a&rahera de va&enmolekyler som omgärdar proteinet. När va&enmolekylerna lämnar proteinet kommer strukturen inte kunna bibehållas och proteinet denatureras. För lågt eller för högt pH-värde upplöser
jonbindningar (saltbryggor) i proteinet Medelhögt pH-­‐värde (t.ex. fysiologiskt p H-­‐värde på 7,4): Ingen jonbindning mellan sidokedjor H+ Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Cl-­‐ Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Jonbindning mellan sidokedjor Proteinets ryggrad Högt pH-­‐värde (t.ex. ;llsa#s av NaOH): Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Lågt pH-­‐värde (t.ex. ;llsa#s av HCl): H+ + OH-­‐ H2O Ingen jonbindning mellan sidokedjor Proteinets ryggrad Na+ För lågt eller för högt pH-värde upplöser
vätebindningar i proteinet Medelhögt pH-­‐värde (t.ex. fysiologiskt p H-­‐värde på 7,4): Cl-­‐ Ingen vätebindning mellan sidokedjor Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad H+ Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Vätebindning mellan sidokedjor Proteinets ryggrad Högt pH-­‐värde (t.ex. ;llsa#s av NaOH): Proteinets ryggrad Proteinets ryggrad Lågt pH-­‐värde (t.ex. ;llsa#s av HCl): H+ + OH-­‐ -­‐ -­‐
z
H2O Ingen vätebindning mellan sidokedjor Proteinets ryggrad Na+ Sammanfattning över hur pH-värdet
påverkar proteinerna Lågt pH-­‐värde: Proteinet denaturerar och förlorar sin funkEon pH-­‐värde: Medelhögt Många v äte-­‐ och jonbindningar Proteinet bibehåller sin struktur och därmed även sina funkEoner Högt pH-­‐värde: Proteinet denaturerar och förlorar sin funkEon Mer om denaturering av proteiner ü  Primärstrukturen förstörs aldrig även om proteinet denatureras. Det är bara själva veckningen av proteinet som förstörs. ü  Proteiner med disulfidbryggor är mer resistenta mot denaturering e/ersom disulfidbryggor utgöras av starka kovalenta bindningar. De proteiner vi får i ü  Saltsyra denaturerar proteiner i magsäcken: oss via födan spjälkas Ell fria aminosyror med hjälp av enzymer i mag-­‐/tarmkanalen (t.ex. pepsin). Spjälkningen av dessa proteiner I magsäcken sker underlä&as om proteinerna först denatureras. denatureringen med hjälp av saltsyra (som s änker pH-­‐värdet). Saltsyra Bildkälla: "Process of DenaturaEon" by Scurran15 -­‐ Own work. Licensed under CC BY-­‐SA 4.0 via Commons -­‐ h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_DenaturaEon.svg#/
media/File:Process_of_DenaturaEon.svg Denaturering av proteinerna i ägg ü  Proteinerna i äggvitan genomgår denaturering när ägget kokas. Värmen bryter de bindningar som håller ihop den 3-­‐
dimensionella strukturen. ü  När bindningarna bryts kommer proteinerna veckas ut och då kommer även lösligheten påverkas negaEvt. Proteinerna kommer nu ”klumpa” ihop sig med varandra istället för a& binda Ell va&enmolekylerna. Man säger a& proteinet ”fälls ut” e/ersom vi kan se proteinerna när det är många proteiner som si&er ihop med varandra. Bildkälla: "Protein DenaturaEon" by RMADLA -­‐ Own work. Licensed under CC BY-­‐SA 3.0 via Commons -­‐ h&ps://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Protein_DenaturaEon.png#/media/File:Protein_DenaturaEon.png Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: h#p://www.youtube.com/Kemilek;oner h#p://www.youtube.com/Medicinlek;oner