JAK SE SBALUJÍ PROTEINY Prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc. Katedra radiologie, toxikologie a ochrany obyvatelstva, ZSF JU České Budějovice Průmyslová toxikologie a ekotoxikologie 2018 Kouty nad Desnou 29.-31. 5. 2018

Struktura proteinů Proteiny jsou biomolekuly složené z aminokyselin (AK) Pořadí AK je zakódováno v pořadí nukleotidů v DNA a nazývá se primární strukturou proteinu transkripce translace DNA mRNA protein

Posttranslační modifikace Úprava proteinů po jejich syntéze na ribozomu Fosforylace, glykosylace, ubikvitace Methylace, acetylace, hydroxylace, prenylace Sbalení (folding): proces, při kterém primární lineární struktura proteinu zaujme stabilní prostorové uspořádání (konformaci)

Konformace proteinů Proteinová molekula je sbalena do bloku zvaného sekundární struktura a seskupením několika bloků se vytváří terciární a kvarterní struktura proteinu

Proč se proteiny sbalují? Sbalování proteinů (angl. protein folding) je děj nezbytný k tomu, aby byly proteiny biologicky aktivní Jedině správně sbalený protein může vykonávat svou biologickou funkci Špatně sbalený protein je buď nefunkční nebo toxický

Špatně sbalený protein je nefunkční nebo toxický

Jak sbalování probíhá? Sbalování proteinů je sled konformačních přeměn, který umožňuje polypeptidovému řetězci zaujmout biologicky aktivní strukturu Ke sbalování dochází během translace a také in vitro při renaturaci Malé jednořetězcové bílkoviny se obvykle svinují do své nativní struktury samovolně Větší komplexní bílkoviny někdy potřebují ke správnému svinutí pomocnou bílkovinu tzv. chaperon (šepron)

Chaperony Proteiny které se podílejí na sbalování dalších proteinů Chrání proteiny před vznikem patologických konformací Chaperony jsou ATP-asy Jejich syntéza je zvyšována při buněčném stresu (změnách teploty, chladu, vlivem detergens, změnou pH, iontové síly, účinkem toxických látek) Syntézou chaperonů se buňka brání denaturačním účinkům stresových faktorů

Funkce chaperonů pomáhají proteinům se správně sbalit mohou umožnit bílkovině se i rozbalit zabraňují bílkovinám sbalit se předčasně zabraňují intermolekulárním interakcím ještě nesbalených proteinů a tím i jejich precipitaci a nežádoucímu patologickému účinku

Jak rychle se proteiny sbalují?

Evoluce sbalování Na začátku evoluce se proteiny balily pomalu Přírodní výběr postupně zvýhodňoval proteiny s krátkou dobou sbalení To trvalo až do doby před přibližně 1,5 miliardy let. V té době, skokově narostlo množství proteinů a vyvinuly se složitější, pomaleji se balící proteiny (biologický velký třesk) Poté, co se na Zemi objevily složitější organismy, přestala být doba sbalování klíčová

Čím se sbalování proteinů řídí? Sbalování proteinů se řídí dvěma základními principy Levinthalův paradox Anfinsenův postulát Prof. Cyrus Levinthal Christian N. Anfinsen

Levinthalův paradox Sbalování proteinu je řízeno termodynamicky – protein se sbaluje do energeticky nejvýhodnější konformace Sbalování nemůže probíhat zcela náhodně - možných konformací je ohromné množství Kdyby měl protein postupně procházet všemi možnými konformacemi, trvalo by sbalování mnohem déle, než ve skutečnosti pozorujeme

Než se protein správně sbalí, vystřídá několik konformací

Kolik je možností? U řetězce složeného z 200 aminokyselin existuje přibližně 10190 teoreticky možných výsledných uspořádání Příroda je z tohoto astronomického množství schopna během několika málo milisekund vybrat to jediné správné uspořádání Tato skutečnost bývá označována jako Levinthalův paradox a je předmětem intenzivního výzkumu

Anfinsenův postulát Nativní prostorové uspořádání bílkoviny je určeno samotným pořadím aminokyselin Nejvýznamnější roli hrají hydrofobní interakce mezi aminokyselinami (nukleační centra) Rychlost sbalování odpovídá tomu, jak jsou od sebe vzdálena nukleační centra Interagují-li aminokyseliny, které spolu v řetězci sousedí, probíhá sbalování rychleji

Důsledky patologické konformace proteinů Vznik toxické bílkoviny - Neurodegenerativní onemocnění – (ztráta neuronů, kumulace patologických proteinů a vznik jejich agregátů (Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba, Hungtingtonova choroba). Ztráta funkce: Cystická fibrosa Ukládání: Amyloidosy – fibrily nejsou toxické, ale jsou nerozpustné. Ukládání fibril způsobuje poškození tkání.

Alzheimerova choroba V mozku pacientů s AD se vyskytují minimálně dva různé proteinové agregáty: chybně složený cytoskeletární protein tau Plaky tvořené fragmenty transmembránového proteinu β-APP nejasné funkce Normálně se β-APP štěpí na jiném místě a jeho fragmenty nemají patologickou funkci. Blízko N-konce proteinu se vyskytuje sekvence aminokyselin (je jich 42) zvaná amyloidní β-peptid Právě tento fragment vytváří proteinové agregáty nalézané v mozcích pacientů s diagnózou AD

Priony jsou také špatně sbalené proteiny Scrapie – nemoc ovcí, nejdéle známá prionopatie Bovinní spongiformní encefalopatie – nemoc šílených krav (prionový celulární protein, PrCP) Creutzfeldt – Jakobova nemoc – výskyt i u člověka (1 pacient na milion lidí)

PrCP

Děkuji za pozornost