Understanding Protein Structure: Conformations, Dihedral Angles, and Secondary Structures , Study notes of Biology

Download Understanding Protein Structure: Conformations, Dihedral Angles, and Secondary Structures and more Study notes Biology in PDF only on Docsity! Structure Non superimposable 3D arrangements that are interconvertible without breaking covalent bonds > CONFORMATIONS Secondary Tertiary Quaternary a » g wi 20 amino acids differing in SIDE CHAINS‐ these side chains must confer  3D structure (otherwise all would look the same!) All amino acids except glycine are chiral h i i i i f‐ t ey can ex st  n m rror mage  orms All backbones are the same L or D TheL‐form reads CORN in clockwise direction The translational machinery for protein synthesis has evolved only to use L‐forms So – can φ and ψ have any value?   NO!!!  Most combinations of ψ and φ for an amino acid are not allowed because of  steric collisions between the side chains and main chain. Th i ll if h i l ll 180o h leoret ca y   t e tors on ang es a  are  we  ave a pure y trans system    ( N, Cα, C’) if the torsion angles are all 0 we have the purely cis‐ arrangement. Which is preferred?    For the peptide bond (ω) [Ci’ – Ni+1] The trans is preferred 1000:1  S t i lik dj t i ido‐ pro e ns  e a acen  am no ac   side chains to point away from each  other. The exception is when the i+1 residue  is a Pro Trans only favored 4:1 so you can get  cis‐trans isomerization The values of φ and ψ that are  possible through the geometric  constraints were first determined by  Ramachandran and are usually  plotted against φ and ψ angles. Ramachandran Plots Way to visualize dihedral angles φ against ψ of amino acid residues in protein  structure. It shows the possible conformations of φ and ψ angles for a  polypeptide. 180o ψ 0o φ ‐180o 0o 180 o Regular conformations of polypeptides:  MOTIFS OF PROTEIN STRUCTURE The main driving force for folding water soluble globular protein molecules  is to pack hydrophobic side chains into the interior of the molecule thus                          creating a HYDROPHOBIC core and a HYDROPHILIC  surface. The problem with creating such a hydrophobic core from a protein chain is– to bring the side chains into the core the main chain must also come into  the interior.  The main chain is highly polar and therefore hydrophilic, with  one hydrogen bond donor NH and one acceptor C = O for each peptide unit.   In a hydrophobic environment these main chain polar groups must be  neutralized by the formation of hydrogen bonds.  This problem is solved  very elegantly by the formation of regular secondary structure within the  interior. Two Types of 2o structure: α helices or β sheets Both are characterized by hydrogen bonding between main chain NH  and C = O groups and they are formed when a number of consecutive  residues have the same φ and ψ angles. α‐Helix The right handed α‐helix has  3 6 id t d.  res ues per  urn an  a  translation per residue of 1.5  A which means 5 41A per      .     turn.  The atoms of the  backbone pack closely      making favorable Van der  Waal’s interactions. In natural proteins a slightly different geometry is seen.  The CO groups  tend to point out away from the helix axis and the H‐bonds are  consequently not as straight and so φ ~ ‐62o and ψ ~‐41o instead of the  classical ‐57 to 60o and ‐47 to 50o This geometry actually appears more stable than the classical α‐helix  b h b d h f hcase  ecause it permits eac  CO oxygen to H‐ on  to t e NH o  t e i +  4 residue and also the solvent and/or other donors. Variations on the classical α‐helix: when the chain is more loosely or more tightly coiled, with  hydrogen bonds to residues i + 5 (π‐helix) or i + 3 (310 –                        helix),respectively,  NOT i + 4 The 310‐helix is so called as it has 3 residues per turn and contains 10  atoms between the hydrogen bond donor and acceptor. Both the π and 310 helices are rare and usually occur at the ends of  l h li i l h li Th ’ i llregu ar  e ces or as a s ng e turn  e ces.   ey re not energet ca y  favorable for the most part—the backbone atoms are packed too tight in  the 310 or too loose in the π helix that there is a hole in the middle. α‐helices vary in length from 4/5 residues to over 40 residues. Average  ~10 ( ~3 turns) The rise per residue of an α‐helix is 1.5 A along the helical axis, which  corresponds to about 15 A for an average helix.  An α‐helix can in theory be right or left handed depending on the screw  di ti f th h irec on o   e c a n. Left handed ones don’t exist!!!   Because of steric interactions between side chains and CO groups                  ALWAYS right handed! (* 3‐5 residue seen rarely)        The α‐helix has a dipole moment: All the hydrogen bonds in an α‐helix point in the same direction  because the peptide units are aligned in the same orientation along the  helical axis.  Since a peptide unit has a dipole moment arising from the  different polarity of NH and CO groups, these dipole moments are also  aligned along the helical axis.  The overall effect is a significant net dipole for  the α‐helix giving a partial net positive charge at the amino end and a  negative charge at C‐terminal end. Although they appear structurally to be very ordered, isolated α‐helices  are usually marginally stable in aqueous soltn.  A helix forms quickly (10‐5 to 10‐7 sec)  but can unravel almost as quickly.  Interestingly formation is  generally independent of length, though unraveling isn’t.   The most common location for a helix in a protein is along the outside with  f l d h h d h bone  ace out into so tn an  one into t e  y rop o ic core. ‐helix wants to have a hydrophobic and hydrophilic side With the 3.6 residues per turn, there is a tendency for side chains to  change from hydrophobic to hydrophilic with a periodicity of 3‐4 residues.   Not a general hard and fast rule as some helices are buried– but not a bad                              rule of thumb. With this in mind many α‐helices are amphipathic in that they have  predominantly non‐polar side chains along one side of the helical cylinder and                        polar residues along the remainder of its surface.  Such helices often aggregate  with each other or with other non‐polar surfaces.   Helical wheel‐ helps to visualize The view is down the helix  with the hydrophobic core  being in the middle. The           helix repeats itself after 5  turns or 18 residues so the  19‐21 residues are offset. Polar charges ½ hydrophilic All polar    tend to cluster as  do hydrophobics ½ hydrophobic   α‐helices that cross membranes are all hydrophobic.  So if we see a  sequence of long stretches of hydrophobics‐ we can often guess that  these maybe membrane spanning helices.