Funkcije proteinov Transport/skladiščenje določenih molekul (ligandov, npr. Hb, Mb) Uravnavanje procesov (DNA-vezavni proteini) Oporna funkcija (strukturni proteini, npr keratini, kolagen ...) Kontraktilni proteini Membranski proteini, vključeni v transport molekul/ionov preko membrane Proteini, vključeni v prenos signala (receptorji, G-proteini, kinaze ...) Obramba pred tujki/invazivnimi organizmi (Ig) Kataliza biokemijskih reakcij (encimi)

Fibrilarni proteini Sestavljeni v glavnem iz ene vrste sekundarne strukture (npr. α-vijačnice, -strukture) Netopni v vodi zaradi hidrofobnih ak ostankov na zunanjosti Polipeptidne verige se povežejo s hidrofobnimi interakcijami v kvartarno strukturo Supermolekulski kompleksi iz fibrilarnih proteinov so trdne, čvrste strukture Strukturna/oporna funkcija

Sekundarno strukturo proteinov pogojujejo: Številni atomi kisika (O) Številni atomi vodika (H) in dušika (N) Možnost nastanka vodikovih vezi – samo določene so stabilne - vodikove vezi znotraj polipeptidne verige (-vijačnica) - vodikove vezi med sosednjimi polipeptidnimi verigami (-struktura) -vijačnica -struktura

Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov sekundarna struktura značilnosti primer -vijačnica, peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički čvrsta netopna struktura -keratin lasje, nohti, perje, kopita, kremplji, intermediarni filamenti citoskeleta β-konformacija, peptidne verige povezane s H-vezmi mehka, upogljiva vlakna fibroin svila kolagenska vijačnica, peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi preko -OH ak visoka natezna moč, ni raztegljiv kolagen kite, hructanec, organski matriks kosti, koža, roženica

Primer fibrilarnih proteiniv: -keratini osnovna struktura polipeptida: desnosučna -vijačnica s pogostimi hidrofobnimi ak ostanki Ala, Val, Ile, Met, Phe kvartarna struktura: dve desnosučni α-vijačnici, povezani s hidrofobnimi interakcijami v levosučno spiralo/vijačničo (“coiled coil”) -keratini so strukturni proteini - proteini, ki sestavljajo lase, dlako, nohte, kremplje, perje, rogove, kopita - proteini citoskeleta - družina intermediarnih filamentov

Struktura lasu: -keratin osnovna polipeptidna veriga: desnosučna α-vijačnica kvartarna struktura: levosučna spirala iz 2 desnosučnih α-vijačnic (protofilament) protofibrila (supermolekulski kompleks) Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Prečni prerez lasu Pogled s strani Pogled v prerezu α-keratin α-vijačnice med seboj povezane s hidrofobnimi interakcijami in disulfidnimi mostički najtrši α-keratin – nosorogov rog vsebuje 18% cys α-vijačnica Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Redukcijsko-oksidacijska sprememba 3D strukture lasu – trajno kodranje las cistin cistein cistein Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Oksidoredukcijska reakcija cistein cistin Cistein (Cys, C) Cistin

Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov sekundarna struktura značilnosti primer α-vijačnica, peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički čvrsta netopna struktura -keratin lasje, nohti, perje, kopita, kremplji, intermediarni filamenti citoskeleta β-konformacija, peptidne verige povezane s H-vezmi mehka, upogljiva vlakna fibroin svila kolagenska vijačnica, peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi preko -OH ak visoka natezna moč, ni raztegljiv kolagen v kitah, v kostnem matriksu, v koži

Shematični prikaz evkariontske celice

Evkariontska celica v prerezu Mikrofilamenti: 2 zviti verigi proteina aktina; funkcija: oblika celice, mišična kontrakcija, gibanje citoplazme Intermediarni filamenti: protein -keratin funkcija: oblika celice, interakcija s sosednjimi celicami Mikrotubuli: cevke, nastale iz dimernih podenot tubulina; funkcija: gibanje organelov, gibanje bičkov in migetalk, gibanje kromosomov Citoskelet: mreža proteinskih vlaken v citoplazmi, ki daje celici obliko, umešča in giblje organele ter sodeluje pri celičnem gibanju

Proteini citoskeleta epitelijskih celic mikrotubuli ~ 24 nm aktinski filamenti ~ 7 nm Intermediarni filamenti ~ 8-12 nm

Proteini v membrani eritrocita, ki povezujejo citoskelet z zunanjostjo spektrin Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Model ogrodja eritrocita – pomembno strukturno vlogo ima spektrin (-keratinska vijačnica) Prečni prerez spektrin Pogled od zgoraj Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Model strukture distrofina (-keratinska vijačnica) v miocitu B B antiparalelni heterodimer A – domene v strukturi B – distrofin in drugi proteini v sarkolemi Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Mišični distrofin soroden spektrinu v eritrocitih 3684 ak – največji čoveški strukturni gen 2 antiparalelni verigi v vseh vrstah mišic (skeletni, srčni, gladki) v skeletni mišici 0,002%, če ni distrofina → Duchenne-ova mišična distrofija (pospešeno slabenje mišic, izguba mišične mase) bolezen se prične po 1. letu, bolniki umrejo stari ~20 let (odpoved srca, oslabljenje dihalnih mišic) vzrok: delecija v genu za distrofin

Keratini v epitelijskih celicah - domene strukture -keratina v epitelijskih celicah Keratini tvorijo roževinasto plast kožne povrhnjice (struktura polipeptidne verige podobna α-keratinu v laseh in nohtih) znanih vsaj 15 različnih molekul keratina v koži Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Plasti človeške kože epidermis roževinasta plast glanularna spinocelularna bazocelularna keratin K1/K10 keratin K5/14 bazalna lamina dermis Celice povrhnjice povezujejo desmosomi, nanje so pripeti keratinski filamenti Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Bolezni kože kot posledica nenormalnosti keratina Epidermolysis bulosa – genska bolezen točkovna mutacija v genu za K14 ali K5 okvarjene bazolateralne celice epidermisa strižne napetosti ob mehanskem pritisku – celice niso čvrste → mehurji na koži Epidermolitična hiperkeratoza – genska bolezen točkovna mutacija v genu za K1 in K10 mehurjenje kože, razpoke v koži

Nekaj informacij o keratinih (ponovitev) vrsta molekule nahaja se v bolezen α-keratin lasje, nohti - spektrin citoskelet eritrocov distrofin citoskelet mišice Duchenova mišična distrofija keratini keratini kože Epidermolysis bulosa Epidermolitična kiperkeratoza

Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov sekundarna struktura značilnosti primer -vijačnica, peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički čvrsta netopna struktura -keratin lasje, nohti, perje, kopita, kremplji, intermediarni filamenti citoskeleta β-konformacija, peptidne verige povezane s H-vezmi mehka, upogljiva vlakna fibroin svila kolagenska vijačnica, peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi preko -OH ak visoka natezna moč, ni raztegljiv kolagen kite, hrustanec, organski matriks kosti, koža, roženica

Primer fibrilarnih proteinov: fibroin - svila Sekundarna struktura: -struktura Sosednje polipeptidne verige so povezane z vodikovimi vezmi Visoka vsewbnost Ala in Gly Netopni v vodi Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Vrste sekundarne strukture in lastnosti fibrilarnih proteinov sekundarna struktura značilnosti primer -vijačnica, peptidne verige povezane s hidrofobnimi interakcijami, -S-S- mostički čvrsta netopna struktura -keratin lasje, nohti, perje, kopita, kremplji, intermediarni filamenti citoskeleta β-konformacija, peptidne verige povezane s H-vezmi mehka, upogljiva vlakna fibroin svila kolagenska vijačnica, peptidne verige povezane s kovalentnnimi vezmi preko -OH ak visoka natezna moč, ni raztegljiv kolagen kite, hrustanec, organski matriks kosti, koža, roženica Vsi fibrilarni proteini so netopni v vodi; vzrok: visoka vsebnost hidrofobnih ak ostankov

Fibrilarni proteini: kolagen Model prepletanja filamentoznih struktur v notranjosti in zunanjosti celic kolagenska vlakna in elastinska vlakna - trdnost in elastičnost proteoglikani, hialuronska kislina - amorfna osnovna substanca Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Proteinske molekule na obeh straneh plazemske membrane kolagen Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Kolagen – najpomembnejši protein ekstracelularnega matriksa EM Delež kolagena v različnih organih organ/tkivo delež kolagena (%) jetra 4 pljuča 10 aorta 12-24 hrustanec, kite 50 - 90 roženica 64 kosti 23 koža 74 kolagen se nahaja v vseh tkivih/organih, celicam daje oporo/trdnost 25% proteinov odraslega človeka, 14-20% otroka

Struktura kolagenskih vlaken (fibril) Struktura in medsebojna povezava polipeptidnih verig ( verig)  veriga kolagena – ponavljajoči se triplet Gly-X-Pro ali Gly-X-Hyp; levosučna vijačnica (b) Prostorsko zapolnjen model iste  verige (c) Tri polipeptidne verige zvite v desnosučno vijačnico (superheliks) (d) Prečni prerez superheliksa pod (c): v nitranjosti ostanki Gly (rdeče kroglice) Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005

Organizacija kolagenskega vlakna tropokolagen (300 x 1,5 nm), sestavljen iz 3 α-verig organizacija tropokolagena v kolagenske fibrile – H-vezi kovalentne vezi OH-ak potrebne za kovalentne prečne povezave, nastanejo posttranslacijsko Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Kolagen sekundarna struktura: levosučna kolagenska vijačnica, α-veriga, 3 ak/zavoj ak sestava: 35% Gly, 11% Ala, 21% Pro in 4-Hyp ak zaporedje (nekaj 100 ponovitev) ponavljajoči se triplet Gly-Pro-X in Gly-X-Hyp kvartarna struktura: desnosučna trojna vijačnica iz α-verig (tropokolagen), povezava med polipeptidnimi verigami preko OH-Pro, OH-Lys; Hidroksilacija ak – posttranslacijsko, potreben vitamin C supermolekulski kompleks – kolagenska fibrila 20 različnih molekul kolagena (I – XX); I, II, III, IV, VI, XI – fibrilarni) denaturiran kolagen – želatina, nima hranljive vrednosti

Posttranslacijsko zorenje molekul kolagena preprokolagen s propeptidi hidroksilacija, glikozilacija ak prokolagen ---------- --------- tropokolagen → fibrile v EM Meisenberg H, Simmons WH, Principles of Medical Biochemistry,1998

Lastnosti kolagenskih vlaken fibrila vsebuje od 100 do 1000 molekul tropokolagena debelina od 10 do 300 nm paralelno organizirane fibrile (kite) prereza 1mm nosijo težo 10 kg dolga življenjska doba: nekaj tednov (žile, brazgotine) do nekaj let (kosti) razgradnja kolagena - EC kolagenaze → razvije se trojna vijačnica → običajne proteinaze

Hidroksilacija Pro s prolil-hidroksilazo Nelson DL, Cox MM, Lehninger Principles of Biochemistry, 2005 Za hidroksilacijo Pro potreben encim prolil-hidroksilaza (Fe2+), za ohranjanje encima v Fe2+ redoks stanju potreben vitamin C (askorbat)

Metabolizem kolagena se spreminja s staranjem in boleznimi staranje: naraste količina kolagena, nastane več prečnih povezav med molekulami tropokolagena – krhkost vezivnega tkiva sinteza kolagena poraste po poškodbi – brazgotine vsebujejo veliko kolagena v jetrih se ob boleznih parenhimske celice nadomestijo s fibroznim vezivnim tkivom (ciroza jeter) nekatere patogene anaerobne bakterije (Clostridium histolyticum) vsebujejo kolagenaze → gas gangrena (plinska gangrena) → nekroza tkiva

Primeri bolezni, ki izvirajo iz nenormalne sinteze kolagena bolezen vzrok simptomi skorbut pomanjkanje vitamina C krvavenje dlesni, izpadanje zob, degeneracija kosti slabo celjenje ran osteogenesis imperfecta nenormalni gen za kolagen mutacija Gly → Ser ali Cys nenormalen nastanek kosti pri dojenčkih, krhke kosti, deformacija skeleta/smrt Ehlers-Danlos-ov sindrom preobčutljiva lomljiva koža, hipermobilni sklepi, slabo celjenje ran

Primerjava fibrilarnih proteinov keratina in kolagena desnosučna α-vijačnica levosučna prolinska vijačnica kvartarna struktura - levosučni dvojni heliks stabilizirajo hidrofobne in -S-S- interakcije kvartarna struktura - desnosučni trojni heliks stabilizirano Pro/Pro in OH-Pro povezave supramolekulski kompleksi stabilizirajo hidrofobne interakcije supramolekulski kompleksi stabilizirajo povezeve preko 5-OH-Lys strukturna funkcija: citoskelet (intermediarni filamenti), lasje, nohti, keratini v koži strukturna funkcija ekstracelularnega matriksa