II. ΣΤΕΡΕΟΔΙΑΤΑΞΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΜΟΡΙΑΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ – ΠΟΛΥΠΕΠΤΙΔΙΚΕΣ ΑΛΥΣΙΔΕΣ

Από πολλές απόψεις είναι σημαντικό να ξέρουμε την τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης. Ο καθορισμός της όμως είναι μια δύσκολη και κουραστική δουλειά και παίρνει πολύ χρόνο και πειραματικά μέσα. Υπάρχει μια σχολή σκέψης που πιστεύει ότι μπορούμε να προβλέψουμε με θεωρητικούς υπολογισμούς τη δομή μιας πρωτεΐνης και η εργαστηριακή αυτή άσκηση έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να δείχνει τα πρώτα βήματα που έγιναν προς αυτή την κατεύθυνση.

Μια πρωτεΐνη είναι ένα πολύπλοκο συγκρότημα αμινοξικών καταλοίπων. Παρ' όλ' αυτά, μπορούμε να απλοποιήσουμε το πρόβλημα αρχίζοντας με την υπόθεση ότι έχουμε ένα πολυ-αμινοξύ π.χ. πολυαλανίνη

Αλανίνη

Πολυαλανίνη

H πεπτιδική ομάδα είναι ένα σταθερό συγκρότημα ατόμων, περίπου επίπεδη (και συνήθως trans), αφού ο χαρακτήρας μερικού διπλού δεσμού του N = C' δεσμού εμποδίζει περιστροφή γύρω απ' αυτόν.

Έτσι, οι μοναδικοί βαθμοί ελευθερίας είναι οι περιστροφές γύρω από τους απλούς δεσμούς Ν -- C^α και C^α -- C΄. Οι γωνίες στροφής γύρω από αυτούς τους δεσμούς ονομάζονται φ και ψ αντίστοιχα.

Στην πολυαλανίνη (σύμφωνα με την αρχή της στερεοδιαταξικής ισοδυναμίας) δεν υπάρχει λόγος ένα κατάλοιπο να είναι διαφορετικό από ένα άλλο, δηλαδή όλα τα κατάλοιπα πρέπει να έχουν τις ίδιες τιμές γωνιών φ και ψ. Θα μπορούσαμε επομένως να καθορίσουμε τη δομή της πολυαλανίνης αναφέροντας απλώς ένα ζευγάρι γωνιών φ και ψ.

Μια ερώτηση που θα μπορούσε να τεθεί σ' αυτό το σημείο είναι: Eίναι όλες οι δυνατές τιμές των φ και ψ επιτρεπτές;

Θα πρέπει να περιμένουμε ότι ορισμένα ζευγάρια τιμών φ, ψ δεν είναι επιτρεπτά αφού φέρουν άτομα σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους, ώστε να δημιουργείται στερεοχημική παρεμπόδιση.

Η ερώτηση που θα απαντήσουμε στο πρακτικό μέρος της άσκησης είναι:

Ποιές είναι οι επιτρεπτές και ποιές οι μη επιτρεπτές τιμές των φ και ψ;

III. ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

1. Στην άσκηση δίνονται (σκελετικά) μοντέλα υπό μεγάλη κλίμακα (4 cm --> 1 A). Αναγνωρίστε τα άτομα από τον κώδικα των χρωμάτων.

2. Δίνεται επίσης μηχανισμός που επιτρέπει τη μέτρηση των γωνιών φ και ψ. (Η συνθήκη για τον καθορισμό των φ και ψ περιγράφεται στο παράρτημα Ι).

3. Αρχικά το μοντέλο τοποθετείται στη στερεοδιάταξη 0⁰, 0⁰ και εξετάζεται αν υπάρχουν στερεοχημικές παρεμποδίσεις μεταξύ ατόμων. Οι ελάχιστες κανονικά επιτρεπτές αποστάσεις μεταξύ δύο 'αδέσμευτων' ατόμων (ατόμων που δεν είναι συνδεδεμένα με δεσμούς δηλαδή ατόμων που απέχουν τουλάχιστον 3 δεσμούς) δείχνονται στον πίνακα του παραρτήματος ΙΙ κατά προσέγγιση.

> Κατασκευάστε πίνακα με τρεις στήλες. Στις δύο τοποθετούνται τα ζευγάρια τιμών φ, ψ και στην τρίτη δείχνεται αν η στερεοδιάταξη είναι ή όχι επιτρεπτή.

> Αυξάνεται τη γωνία ψ διαδοχικά κατά 45⁰ μέχρι να επανέλθετε στην αρχική στερεοδιάταξη, εξετάζοντας κάθε φορά αν η στερεοδιάταξη είναι ή όχι επιτρεπτή (και κρατώντας την φ=0⁰).

> Αυξάνεται τη φ κατά 45⁰ και επαναλαμβάνετε την ίδια διαδικασία όπως προηγουμένως για την ψ, εξετάζοντας πάλι ποιές είναι οι επιτρεπτές ή όχι στερεοδιατάξεις.

> Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να εξαντληθούν όλα τα δυνατά ζευγάρια φ, ψ. Τα αποτελέσματα μπορούν να αποδοθούν κατασκευάζοντας το λεγόμενο Ramachandran plot (Aναφ. 1).

4. Κατασκευάστε το Ramachandran plot στο χαρτί σχεδίασης που σας δίνεται.

5. Όταν συμπληρώσετε την κατασκευή θα ξέρετε ποιές δομές είναι επιτρεπτές αλλά δεν θα ξέρετε ποιές είναι πιό σταθερές (από ενεργειακή άποψη). Μια από τις πιο ισχυρές δυνάμεις σταθεροποίησης στις πρωτεΐνες είναι η δημιουργία υδρογονικών δεσμών (του τύπου C=O^...H-N).

Xρησιμοποιώντας τα μοντέλα δημιουργείστε πολυπεπτιδικές αλυσίδες (το πολύ 7 αμινοξικών καταλοίπων) σ΄ επιτρεπτές στερεοδιατάξεις και εξετάστε πολλές από αυτές, για να δείτε ποιές επιτρέπουν σ΄ όλες τις Ν-Η και C=O ομάδες να σχηματίζουν υδρογονικούς δεσμούς (είτε στην ίδια αλυσίδα ή σε διαφορετικές αλυσίδες). Μπορείτε να υποθέσετε ότι τα άτομα C=O^...H-N είναι περίπου στην ίδια ευθεία και ότι η απόσταση Ο-Ν είναι περίπου 3 A. Θυμηθήτε ότι κάθε κατάλοιπο θα πρέπει να έχει τις ίδιες γωνίες φ και ψ.

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι

Συνθήκη καθορισμού γωνιών στροφής :

Η πιο πρόσφατη συνθήκη για τον καθορισμό των γωνιών στροφής φ και ψ περιγράφεται αναλυτικά στην αναφ. 2. Συνοπτικά μπορεί να περιγραφεί ως εξής:

Γωνία στροφής (torsion angle) τ (A-B-C-D) τεσσάρων ατόμων (όπως στο σχήμα) Α, Β, C, D ορίζεται η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ των προβολών των δεσμών ΑΒ και CD σ΄ένα επίπεδο κάθετο στο δεσμό Β-C (κοιτώντας κατά μήκος του Β-C από το Β προς το C). Mπορεί να οριστεί επίσης σαν η δίεδρη γωνία μεταξύ των επιπέδων ΑΒC και BCD.

Η γωνία τ παίρνεται 0⁰ όταν η προβολή του CD δεσμού επικαλύπτεται από την προβολή του ΑΒ (eclipsed conformation) και 180⁰ όταν βρίσκεται στην προέκτασή του (staggered conformation).

Mια γωνία τ έχει πεδίο ορισμού από -180⁰ < τ < +180⁰. Το πρόσημο της γωνίας καθορίζεται σε σχέση με την περιστροφή που απαιτείται ώστε η προβολή του ΑΒ δεσμού να επικαλύψει την προβολή του CD δεσμού.

Παίρνεται + (0⁰ --- +180⁰) αν η περιστροφή είναι σύμφωνα με τη φορά των δεικτών του ρολογιού και – (0⁰ -- -180⁰) αν είναι αντίθετα.

Στην περίπτωση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας παίρνεται φ=ψ=180⁰ όταν η αλυσίδα είναι τελείως εκτεταμένη. Οι γωνίες φ και ψ του καταλοίπου i είναι οι γωνίες στροφής C'i-1-Ni-Ci-C'i και Ni-Ci-C'i-Ni+1 αντίστοιχα.

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙI

Ελάχιστες κανονικά επιτρεπτές αποστάσεις μεταξύ 'αδέσμευτων' ατόμων:

C-->C = 3.0 A

H-->H = 2.0 A

C-->H = 2.4 A

N-->H = 2.4 A

O-->H = 2.4 A

C-->O = 2.9 A

N-->O = 2.8 A

C-->N = 2.9 A

ANAΦΟΡΕΣ

1. The structure and action of proteins, R.E. Dickerson and I. Geis (1969), Harper and Row (pub.), London.

2. IUPAC-IUB. Commission on Biochemical Nomenclature (1969) in Biochemistry, (1970), Vol. 9, No18, 3471-3478.

3. Edsall, J.T., Flory, P.J., Kendrew, J.C., Liquori, A.M., Nemethy, G., Ramachandran, G.N. and Scheraga, H.A. (1966), Biopolymers, 4, 130.