X
تبلیغات
بیوفیزیک

بیوفیزیک

یافته های بیوفیزیک

هيدروژن باندها در ساختار دوم پروتئين ها

انواع پیوندهای هیدروژنی در ساختار پروتئینها

پیوندهای هیدروژنی یکی از مهمترین انواع پیوندهای غیر کووالانی درون مولکولی و بین مولکولی در ساختمان پروتئینها می باشند. معمولا این پیوندها را از نظر انرژی مورد نیاز جهت تشکیل پیوند به سه دسته تقسیم می کنند:

1-      پیوندهای هیدروژنی قوی یا کوتاه برد: که انرژی پیوند آن تقریبا -15kcal/mol می باشد و بین اتمهایی با الکترونگاتیویته بسیار بالا و اتمهایی باچگالی الکترون بالا تشکیل می گردد. طول پیوند در این نوع بین   1.4- 1.7 Åمی باشد.

2 - پیوندهای هیدروژنی میان برد: که انرژی پیوند آن بین -4kcal/mol  تا -15kcal/mol می باشد و بین گروههای دهنده وگیرنده تقریبا خنثی تشکیل می گردد. طول پیوند در این نوع بین 1.7- 2.0 Åمی باشد.

3-      پیوندهای هیدروژنی ضعیف یا بلند برد: که انرژی پیوند آن بیش از -4kcal/mol  می باشد. در این نوع الکترونگاتیویته اتم گیرنده بسیا کم می باشد. طول پیوند در این نوع بیش از   2.0 Åمی باشد.

%1/68 از پیوندهای هیدروژنی بین اکسیژن گروه کربونیل زنجیره اصلی و هیدروژن آمید رخ می دهند. %6/10 بین دو زنجیره جانبی رخ می دهد که اغلب دور برد هستند و %3/21 بین زنجیره اصلی و شاخه های زنجیره های جانبی ایجاد می شود که نیمی  از آنها از طریق ایجاد پیوند گروه کربونیل زنجیره اصلی با اتمهای زنجیره های شاخه های جانبی است و نیمی دیگر اتصال گروه آمیدی با اتمهای زنجیره های جانبی است. تقسیم بندی پیوندهای هیدروژنی بر اساس تعداد زنجیره های بین آنها بدین صورت می باشد (D= Donor and A= Acceptor)

پیوند هیدروژنی برد کوتاه     |D-A|≤4

پیوند هیدروژنی برد متوسط 5 ≤|D-A|≤9

پیوند هیدروژنی دور برد    |D-A|>9     

پیوندهای هیدروژنی در ساختارهای آلفا هلیکس مابین موقعیتهای i+4 وi ویا i+3 وi در مارپیچ آلفا ایجاد می گردد و صفحات بتا با ایجاد پیوندهای هیدروژنی متوسط بین صفحات موازی و یا نا موازی پایدارتر می شوند.در هلیکس ها بسته به اینکه اتم های دهنده و گیرنده هیدروژن در چه فاصله قرار می گیرند نوع پیوند هیدروژنی را مشخص می کنند. همچنین در مورد پایداری ساختار های بتا موازی ناهمسو از نوع همسو بیشتر است. زیرا در نوع موازی ناهمسو پیوند هیدروژنی عمود بر امتداد زنجیره های بتا هستند و نسبت به حالت موازی همسو که اندکی مایل هستند قوی تر هستند. چرخش های بتا دو نوع دارد که بسته به اینکه صفحه آمیدی از آمینواسد های شرکت کننده با چه زاویه ای نسبت به هم قرار گیرند. در نوع اول چرخش های بتا دهنده و گیرنده هیدروژن در یک راستا هستند که باعث می شود از نوع دوم قوی تر باشد.  پیوندهای هیدروژنی در ساختمان سوم نیز وجود دارند که در اثر برهمکنش بین زنجیره های جانبی با گروههای قطبی از ساختارهای آلفا و صفحات بتا ایجاد می گردد و باعث می شود تا پاکت هیدروفوبی پروتئین ایجاد گردد. پیوندهای هیدروژنی که زنجیره های جانبی در ساختار سوم ایجاد می- کنند معمولا عامل فعالیت آنزیمی و تشخیص ملکولی پروتئین نسبت به لیگاند خود است. بیشتر پیوندهای هیدروژنی در جایگاه فعال آنزیمها از نوع پیوندهای هیدروژنی کوتاه برد هستند. پیوندهای هیدروژنی کوتاه برد در ساختمانهای دوم و سوم در قسمتهای مختلفی از مولکول پروتئین ایجاد می گردند. بطور تقریبی %37-30 پیوندهای هیدروژنی، کوتاه برد، %11-8 متوسط برد و %59-54 دور برد هستند. قسمت اعظم پیوندهای هیدروژنی کوتاه برد در زنجیرهای آلفا هلیکس وجود دارند. در سطح پروتئین اتمهای با قابلیت ایجاد پیوند هیدروژنی، با مولکولهای آب پیوند برقرار می کنند. در گذشته در خصوص نقش و اهمیت پیوندهای هیدروژنی در فولد شدن پروتئینها نظر بر این بود که نقشی ندارند ولی دکتر Pace و همکارانش در مطالعات ترمودینامیک فولد شدن پروتئین نشان دادند که در انتهای صفحات بتا و آلفا هلیکسها پیوندهای کلیدی مابین صفحات و زنجیره ها ایجاد می شوند که از نوع دور برد بوده و نقش کلیدی در فولد شدن دارند چنانچه با حذف این باندها پروتئین فولد نخواهد شد.

 

 

اندازه پیوند (Å)

نوع پیوند هیدروژنی

نوع ساختار دوم پروتئین

 

7/1

کوتاه برد

(الفا هلیکس)Helix 3.613

 

6/1

کوتاه برد

Helix 310

 

4/1

کوتاه برد

(هلیکس ریبون)Helix 2.27

 

9/1

 میان برد

(پای هلیکس)Helix 4.416

 

7/1

کوتاه برد

β- Sheet anti-parallel

 

9/1

میان برد

β- Sheet parallel

 

5/2

بلند برد

Loop

 

9/1

میان برد

β- turn type II

 

7/1

کوتاه برد

β- turn type I

 

0/2

میان برد

Coil

 

5/2

بلند برد

Random coil

 

3/2

بلند برد

Super coil

 

 كلاس درس مباحثي در شيمي فيزيك پروتئين ها-آقاي دكتر موسوي موحدي-زمستان ۱۳۸۹

+ نوشته شده در  شنبه هجدهم دی 1389ساعت 11:34  توسط دانشجویان دکترای ورودی 1389  | 

بررسی دناتوراسیون پروتئین تحت فشار

 

تاثیرات فشار بر روی پروتئین، علاوه بر وابستگی به فشار به شرایطی که در آن فشار اعمال می شود نیز بستگی دارد.

تجربه اثر فشار بر روی حالت مولتن گلبول آنزیم کولین استراز نشان داده است که فشار باعث تجمع (aggregation) می شود که باعث می شود گروه های هیدروفوبیک در معرض حلال قرار گیرند. تمایل به تجمع، وابسته به غلظت آنزیم و زمان اعمال فشار است. در این آزمون حالت تجمعی در غلظت های بالا و زمان بیش از 30 دقیقه تحت فشار بودن ایجاد شد. نتایج حاصل نشان داد که دناتوراسیون این آنزیم یک فرآیند چند مرحله ای است که این فرضیه را که فشار ملایم، دو درجه حالت fold  را به سوی واسطه های عقب تر از آن می برد که ممکن است حالت مولتن گلبول باشد، را تقویت می نماید. این مواد واسطه دارای شعاع هیدوفوبیکی 10 تا 20 درصد بزرگ تر از حالت native هستند. اگر چه آن ها اغلب ساختار دوم خود را نگه می دارند، اما ساختار سوم خود را از دست می دهند و دسته های هیدروفوبیک در معرض حلال قرار می گیرند. فشار هیدرواستاتیک، یک دناتوره کننده ملایم است. زیر 3 تا 4 کیلو بار فشار تغیر ساختار شدیدی در پروتئین ایجاد نمی کند. فشار در محدود 1 تا 5/3 کیلو بار این آنزیم را غیر فعال و تا حدی unfold نمود. اما دناتوراسیون با اعمال فشار زیاد تر، حالت unfold   تری ایجاد می کند و مشاهدات اسپکتروسکوپی نشان می دهد که unfold  شدن در فشارهای بالا باعث کاهش حجم پروتئین نسبت به حالت fold  می شود.

    پروتئین ها درحالت fold  به شدت، متراکم هستند. با این حال در داخل پروتئین حجم های تهی وجود دارد. نقص در فشردگی( packing) پروتئین عامل اصلی تغییر حجم در حالت unfold است. تغییرات حجم اصولا به علت حذف حجم تهی و حفرات و نقص در فشردگی پروتئین اتفاق می افتد. Unfold  شدن به وسیله فشار باعث نفوذ مولکول های آب به درون پروتئین می شود. این عوامل باعث کاهش حجم در اثر دناتوراسیون پروتئین به وسیله فشار خواهد شد. دناتوراسیون با فشار همراه با بلعیدن آب است.

همچنین فشار باعث جدا شدن پروتئین های الیگومریک می شود که این امر نیز باعث کاهش حجم می شود. تخریب یا به هم زدن میان واکنش های الکترواستاتیک که توسط electrostriction  مولکول های آب اطراف residues بار دار جفت نشده ایجاد می شود و همچنین حلال پوشی (solvation)  گروههای هیدروفوبیک و قطبی، باعث کاهش حجم مولکول آب می شود. فشردگی پروتئین در اثر فشار را به رفتار آنتروپی آب نیز نسبت می دهند.

برای تعداد زیادی از پروتئین ها دناتوراسیون به وسیله فشار برگشت پذیر است و اغلب، دناتوراسیون با استفاده از فشار گاهی مطلوب تر از دناتوراسیون با استفاده از مواد شیمیایی است زیرا مواد خارجی به پروتئین اضافه نمی شود. 

کلاس درس مباحثی در شیمی فیزیک پروتئین ها- آقای دکتر موسوی موحدی- آذر 1389

+ نوشته شده در  شنبه بیست و هفتم آذر 1389ساعت 15:33  توسط دانشجویان دکترای ورودی 1389  | 

ساختار های دوم پروتئین

 
+ نوشته شده در  چهارشنبه دهم آذر 1389ساعت 9:39  توسط دانشجویان دکترای ورودی 1389  | 

+ نوشته شده در  سه شنبه نهم آذر 1389ساعت 9:28  توسط دانشجویان دکترای ورودی 1389  | 

 
+ نوشته شده در  سه شنبه نهم آذر 1389ساعت 8:34  توسط دانشجویان دکترای ورودی 1389  | 

تا خوردگی پروتئین و معمای لوینتال

چگونه ساختار تا خورده پروتئین با وجود بی شمار تزاحم بین ساختارها ی دیگر مسیر خود را می یابد و در کمترین زمان تشکیل می شود.

یکی از مباحث جالب در folding پروتئین، مسئله زمان folding است. مدت زمان لازم برای این فرایند در درون سلول از مرتبه ثانیه ‌است. نخستین بار لوینتال با محاسبه پارامتر سرعت واکنش از رابطه آرنیوس مدت زمان لازم برای folding  پروتئین را محاسبه کرد. وی این زمان را با در نظر گرفتن تمامی مسیرهای ممکن انرژی انجام داد و جوابی که بدست آورد یک عدد نجومی بود. لوینتال نتیجه گرفت که در فرایند folding پروتئین، همه مسیرهای ممکن طی نمی‌شوند و مسیر ویژه‌ای برای folding وجود دارد.  او مثالی از یک میمون را بیان می دارد که در پشت صفحه کیبورد قرار گرفته است و قرار است که یک جمله کوتاهی را ماشین نویسی نماید. با توجه به عدم شعور و فهم حروف توسط او، سال ها زمان می برد تا آن جمله خاص به طور صحیح توسط او ماشین نویسی شود و تنها در صورت وجود آگاهی و علم به حروف، ماشین نویسی آن جمله در مدت کوتاه امکان پذیر است.  پارادکس لوینتال به شرح زیر مطرح شد:

How achieving the global minimum and doing so quickly?

 قبل از لوینتال، Anfinsen ، فرآیند folding را در پروتئین یک فرآیند دو حالته ترمودینامیکی بیان کرده بودکه بر اساس آن پروتئين به سمتي مي رود كه به پايدارترين ساختار فضایی از ميان تعداد بی شمار ساختار فضایی دسترسي پيدا كند. پارادوکس لوینتال در واقع  این موضوع است که چگونه یک سیستم بیولوژیکی که طبق نظر Anfinsen تحت کنترل ترمودینامیکی است، در یک زمان قابل اندازه گیری به حالت پایدار خود می رسد.  طبق پارادوکس لوینتال folding پروتئین در یک مسیر خاص اتفاق می افتد و این فرآیند تحت کنترل سینتیک بوده و تابع مسیر می باشد. در این مسیر حالات انتقالی و واسطه های زیادی وجود دارد. اما فرآیند folding بسیار سریع اتفاق می افتد. همچنین لوینتال بیان می کند که لازم نیست که حالت native دارای کمترین سطح انرژی باشد بلکه می تواند به صورتی باشد که در یک چاه انرژی عمیقی قرار گرفته است. بر این اساس مدل folding funnel مطرح شد. دارا بودن حداقل سطح انرژی و قرار گرفتن در یک چاه عمیق انرژی خود یکدیگر را نقض می کنند. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک پروتئین در حالت native باید به حداقل انرژی برسد تا حالت پایدار ایجاد شود. به نظر می رسد که مسئله بیشتر ترمودینامیکی است زیرا پروتئین به پایدارترین حالت و حداقل انرژی می رسد با این که لوینتال بیان شعور و علم را در مسیر folding پروتئین یک اصل می داند اما بیان وی در مورد کنترل سینتیکی فرآیند folding پروتئین نمی تواند پاسخگوی این فرآیند و پذیرفتن آرایش طبیعی و پایدار باشد.

هر چند علم ترمودینامیک در باره توجیه مسیر این فرآیند  نظری را ارائه نمی کند اما مسیر کلی آن را که حرکت به سوی حالت پایدار  با کمترین انرژی است با این علم در بطن folding پروتئین گنجانده شده است و هدف نهایی foldingبه روش ترمودینامیکی مشخص می شود. به نظر می رسد علم اولیه ای در پروتئین برای حرکت به سوی حالت طبیعی  فعال و پایدار در محیط بیولوژیک وجود داشته است که لوینتال با مثالی که در باره میمون بیان کرده است به آن اشاره نموده است. پس زمان کوتاه  folding به ادبیات آن مربوط است که  از آن به عنوان نیروهای ماورائی یاد می شود. طبیعت دارای شعوری است که به اسیدهای آمینه القا می شود. پس مسئله folding ترکیبی از ترمودینامیک و meta science  می باشد.

مباحثه کلاس درس "مباحثی در شیمی و فیزیک پروتئین ها-آقای دکتر موسوی موحدی"

پاییز 1389

+ نوشته شده در  سه شنبه نهم آذر 1389ساعت 8:29  توسط دانشجویان دکترای ورودی 1389  |