BASÅRET KEMI B –
BIOKEMI VT 2012
PROTEINER OCH ENZYMER
174-190 (sid. 140-156)
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Hur lätt blir det fel i strukturen ?
ganska stora skillnader i sekvens - ganska lika strukturer
proteinerna är bara identiska i 27 av ca 145 positioner
Myoglobin
Hemoglobin
Många byten är “konservativa” och de viktigaste krafterna
för att bilda en viss struktur finns kvar
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
SICKEL-CELL ANEMI – bara en polär aminosyra fel !!!
hemoglobin
friska normala
blodkroppar
glutaminsyra (E)
-(CH2)2 -COOpolär
valin (V)
-CH-(CH3)2
opolär
klumpar ihop sig till
långa kedjor
proteinmolekylerna
aggregerar och
vilket förstör formen
på den röda blodkroppen
Aminosyrasekvensen bestämmer proteinets 3D struktur,
som i sin tur bestämmer dess biologisk funktion….
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
GALNA KOSJUKAN
- ETT STRUKTUR PROBLEM?
Prion proteinet (PrP)
PrPC, löslig
cellulär form
PrPSc + PrpC ----> 2 PrPSc
PrPSc ,olöslig och
bildar peptide
aggregat “scrapie”
“plack”
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Varför är 3D strukturen, så viktig för de
flesta proteiners funktion ?
Proteiner fungerar genom att binda andra
molekyler. Bindningen är ofta mycket exakt,
som när ett enzym binder till sitt substrat, men
också när ett protein binder till
Kymotrypsins
bindningsställe
antikroppar
binder och märker in “inkräktare”
så att resten av immunförsvaret
kan ta hand om dem
receptorer
binder molekyler med budskap
och förmedlar signalen till cellen
transport
hemoglobin binder syre i lungorna
för transport till andra vävnader
Många proteiner behöver sk ko-faktorer för att kunna fungera
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
HUR FORMAS PROTEINETS 3D-STRUKTUR ?
VAR I PROTEINET HITTAR VI LADDADE, POLÄRA
RESPEKTIVE OPOLÄRA (HYDROFOBA) AMINOSYROR ?
Hemoglobin
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
VATTEN är viktigt !!!!
Vatten är en dipol
väte-bindning
mellan två
vattenmolekyler
Vatten “gillar” att vara
ihop med vatten
Varje vattenmolekyl kan
väte-binda 4 andra.
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Strukturen hos alla makromolekyler
beror på detta !!!!
NaCl löser sig lätt i vatten
Men opolära (hydrofoba)
föreningar gör det inte
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Den hydrofoba effekten
Leder till att polypeptiden veckar sig så att de opolära
grupperna återfinns i det inre av ett protein, avskärmade från
vatten, medan de polära aminosyrorna är på utsidan och
bildar väte-bindingar med vatten
Ett system (en samling ämnen) strävar efter att nå en minskad
entalpi (ΔH, lägre energi) och ökad entropi (ΔS, oordning).
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Polypeptidkedjan antar sin 3D-struktur spontant
Strukturen bestäms helt av aminosyrorna och i vilken ordning,
som aminosyrorna sitter i polypeptiden
Det som driver polypeptiden att vecka sig
är den “hydrofoba effekten”
Myoglobin
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Även integrala membranproteiner hålls i
membranet genom hydrofoba “bindningar”
Mellan lipiderna i membranet och proteinets
hydrofoba domäner t. ex R-grupperna
hos aminosyrorna.
“lika löser lika”
“hydrofoba effekten”
glycophorin
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Denaturering
När rymdstrukturen ändras så förlorar proteinet
sin funktion
det kan hända om man
värmer en proteinlösning
ger ökad rörlighet hos
proteinkedjan
ändrar pH
medför ändrade
laddningar på sura och
basiska R-grupper
gör lösningen mer opolär
ger ökad löslighet hos
opolära R-grupper
koka ägg ?
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Aminosyror är av “dubbel-natur”,
Både bas och syra, men laddningen är beroende
av pH i lösningen
vid lågt pH
vid högt pH
GLYCIN
nettoladdning:
+1
0
-1
pI = 5,9
vid ett visst pH är aminosyrans nettoladdning 0
detta pH-värde kallas isoelektriskpunkt (pI)
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
ÄVEN PROTEINER HAR LADDNING
Proteiners laddning beror bara på R-gruppen
de basiska
de sura aminosyrorna
K, R och H bidrar med
positiv laddning till proteinet
D och E bidrar med negativ
laddning till proteinet
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
men också på pH
vid lågt pH
Nettoladdning:
+1
GLUTAMAT
0
vid högt pH
-1
-2
pI = 3,2
R-grupp
Eftersom laddningen i varje R-grupp uppkommer genom protolys
(protonering eller deprotonering) är ett proteins nettoladdning beroende av pH
en proton (H+) förloras vid deprotonering (vinns åter vid protonering)
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
En dipeptids laddning vid olika pH
Lysin-glutamat
isoelektriska punkten för
lysin-glutamat
7,45
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Vilken nettoladdning har peptiden ?
Vilken är den isoelektriska punkten ?
pH i lösningen = 7.0
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Proteinets isoelektriska punkt
Vid ett visst pH, som är specifikt för
varje protein, är summan av negativa
laddningar lika med summan av
positiva laddningar och proteinets
nettoladdning är då noll.
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
ENZYMER – Livets katalysatorer
Enzym från grekiskan en = i och zym = jäst
Detta namn föreslogs efter den komponent i jäst som
påskyndar, dvs katalyserar jäsnings processen.
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
En spontan kemisk reaktion
A+B
C
För att substraten A och B ska omvandlas till produkten C
när de krockar krävs att de har en viss energi - Aktiveringsenergi
Vad kan vi göra för att A och B snabbare ska bilda C ?
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
En katalysator - kan påskynda en reaktionen
Katalysatorer sänker aktiveringsenergin utan att själva förbrukas
Energi
Aktiverings energi utan katalysator
Aktiverings energi med katalysator
S
P
Vilka egenskaper har en katalysator ?
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Effektiva
dvs bra på att öka hastigheten i en reaktion
Karbanhydras är ett av de mest aktiva
enzymer man känner till. Detta enzym,
som finns i blodet, katalyserar
hydratisering av koldioxid.
CO2 (substrat) + H2O
H2CO3
Tack vare karbanhydras hydratiseras 4 x 107 molekyler koldioxid per minut .
Detta är ungefär 10 miljoner ggr snabbare än den okatalyserade rx!!!
Därför är nästan alla rx i cellen är katalyserade av enzymer
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Specifika
Aktiva centrumet är format så att bara vissa
molekyler “passar”
Kymotrypsin utsöndras i
bukspottkörteln och
katalyserar nedbrytningen
av proteiner, som vi
intar via födan.
primärstruktur
Uppförstoring av det aktiva
centrumet i kymotrypsin
(Ser, His, Asp)
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Enzymreaktioner regleras - regulatorenzym
Cellen nyttjar maximal ekonomi !
Anpassar sin ämnesomsättning efter tillgång
och behov
“nyckelreaktioner”
A
B
C
D
P!
Feedback-reglering
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
ENZYMER verkar genom att
- sänka aktiverings energin
- enzymet ändrar reaktionsvägen
- håller substraten orienterade i förhållande till
varandra, så att reaktionen underlättas
Enzymer är biologiska katalysatorer.
Ribosomen är ett enzym.
Den har två subenheter,
lilla och stora subenheten
Nästan alla enzymer i cellen är proteiner.
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Enzymet är mycket större än substratet
Hela enzymet deltar inte i katalysen.
Katalysen sker i enzymets aktiva centrum.
hexokinas
ex. karbanhydras 30 000g/mol (enzym)
CO2 44 g/mol (substrat)
enzym + substrat
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Två substrat kan binda in till ett enzym
De reaktiva grupperna är då placerade nära varandra
substrat 1
substrat 1+ 2
Ett enzym reagerar mycket snabbare, när ett substrat bundit,
än om de är “fria”
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Aktivt centrum
I ett aktivt centrum finns grupper, som binder
substratet och som katalyserar reaktionen
- dessa grupper är de funktionella
grupperna (R-grupperna) hos
aminosyrorna runt det aktiva centret
- de kan också vara metalljoner eller
andra föreningar t. ex vitaminer
sk kofaktorer
- aktiva centrum har en mycket
väldefinierad rymdstruktur
- i många fall ändras proteinstrukturen
i det aktiva centret, när substratet
binds, så att den “perfekta”
passningen blir möjlig
- sänker övergångstillståndet
“transition state” när enzymet
omvandlar substrat till produkt
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Kofaktorer
Många proteiner behöver kofaktorer (något extra)
för att klara av att göra sitt jobb, ex NAD och FAD
Metalljoner används som kofaktorer av enzymer, men också av
andra proteiner
Cu2+
Fe2+ och Fe3+
Mg2+
Mn2+
Mol
Ni2+
Se
Zn2+
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Ett enzym kan PÅVERKAS
S
E
P
A) Koncentrationen av ett enzym är proportionell
mot reaktionshastigheten.
B) Om koncentrationen av ett substrat ökar, så ökar
reaktionshastigheten tills enzymet är mättat.
C) Om den yttre miljön t.ex. pH eller temperatur ändras,
sker denaturering vid 60°C och pH optimum.
D) tillsats av hämmare - negativ
påverkan av specifika föreningar
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Klassifiering av enzymer enligt katalyserad reaktion
1.
2.
3.
4.
Oxidoreduktaser - oxidationer och reduktioner
Transferaser - överföring av grupper
Hydrolaser - spjälkning mha vatten
Lyaser - addition till dubbelbindning/
bildande av dubbelbindning
5. Isomeraser - isomeriseringar
6. Ligaser - bildande av C-C, C-S, C-O, C-N
i reaktioner som kräver ATP
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
UNDERSÖKNING AV PROTEINER
– kromatografi och elektofores
Proteiner måste isoleras för att kunna studeras
1. Källa, organism
Djur, växt eller bakterie celler
2. Sönderdela celler med tex mortel,
mixer
3. Separera lösliga delar från olösliga
delar d.v.s membranproteiner från lösliga
proteiner. Detta görs genom olika sorters
centrifugeringar.
4. Separera proteiner m.h.a olika typer
av kolonner, som kan binda proteiner
Ett isolerat protein kan studeras på
flera olika sätt
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Proteiner kan separeras ifrån varandra ?
Kromatografimetoder
Vätskekromatografi
(pappers- och tunnskiktsKromatografi)
Kolonnkromatografi
(HPLC, gaskromatografi mfl)
Botanisten Tswett i början av 1900-talet.
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
Tre typer av kromatografi, som är vanlig
vid isolering av proteiner
1. Jonbyteskromatografi
2. Gelfiltrering
3. Affinitetskromatografi
En stationär och en rörlig fas
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
JONBYTESKROMATOGRAFI
Separerar molekyler med
avseende på laddning
Anjonbytare - separerar
proteiner med neg. laddning
Katjonbytare - separerar
proteiner med pos. laddning
Eluering vid ändrat pH eller
med salt.
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
GELFILTRERING
Separerar molekyler med
avseende på storlek
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
AFFINITESKROMATOGRAFI
Separerar molekyler med
avseende på biologisk aktivitet
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
ELEKTROFORES
Lösningen av proteiner vandrar genom en
finmaskig gel i ett elektriskt fält.
För att se proteinerna
måste de färgas.
Används t.ex. för att analysera om man lyckats isolera sitt protein
Kemi B, Biokemi,
och för att bestämma storleken av proteinet.
VT 2012
TACK FÖR I DAG!
Kemi B, Biokemi,
VT 2012
