background image

Jabir Ibn Hayyan Medical College  

Biochemistry 

for 1

st

 class students   

Lecture2 

Protein Structure  

March 30, 2017 

 
 
 
 

DR. MONA ABDEL RIDHA Al-BARQAAWI 


background image

Lectures 2:  References 

• Marks’ Basic Medical Biochemistry Chapter 7 

• Medical Biochemistry Chapters 2, 5  

• Lippincott’s Illustrated Reviews: Biochemistry Chapters 2, 3 


background image

Lecture 2 

Protein Structure 

3

 


background image

Peptides & Proteins 

• In peptides and proteins, the primary amino group of one amino acid 

is  linked  to  the  carboxyl  group  of  the  next  amino  acid,  forming  an 

amide  (peptide)  bond.  During  the  formation  of  a  peptide  bond,  a 

molecule of water is eliminated. (as shown in last lecture).  

• The amino acid units on a peptide chain are referred to as amino acid 

residues. 

•  A peptide chain may consists 2-50 amino acids.  

4

 


background image

Peptides & Proteins

 

• A  peptide  consisting  of  three  amino  acid  residues  is  called  a  tri-peptide,  e.g. 

Glutathione (GSH), a tri-peptide with the sequence γ-glutamyl cysteinyl glycine. 

This peptide has an important role in antioxidant defenses.  

• Angiotensin, a peptide hormone that affects blood pressure, is another example 

of a peptide with physiological importance, which has the following sequence of 

amino acids. 

Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu 

• By convention, the amino terminus (N-terminus) is taken as the first residue, 

and the sequence of amino acids is written from left to right. 

 

5

 


background image

Protein Structure 

• Proteins contain between 50 and 2000 amino acid residues.  

• The mean molecular mass of an amino acid residue is about 110 dalton units (Da). 

Therefore the molecular mass of most proteins is between 5.5 and 220  kDa  

• Proteins  do  not  exist  as  linear  polypeptides  but  rather  fold  to  adopt  a  unique  3-

dimensional structure. The shape of the protein is important for defining the role 

that protein plays. 

• The linear sequence of the linked amino acids contains the information necessary 

to generate a protein molecule with a unique three-dimensional shape. 

 

6

 


background image

Levels of protein structure 

 

The complexity of protein structure is best analyzed by considering the molecule in 
terms of four organizational levels, namely , primary, secondary , tertiary , and 
quaternary. 

 

7

 


background image

Primary Structure Of Proteins  

• The sequence of amino acids in a protein is called the primary structure of the 

protein.  

• Understanding  the  primary  structure  of  proteins  is  important  because  many 

genetic  diseases  result  in  proteins  with  abnormal  amino  acid  sequences,  which 

cause improper folding and loss or impairment of normal function.   

• The  primary  structures  of  the  normal  and  the  mutated  proteins  are  known,  this 

information may be used to diagnose or study the disease.  

8

 


background image

Primary Structure  Of Proteins 

 

• The bonds responsible for the stabilization of primary structure is only the 

peptide bonds. 

• Peptide bonds are not broken by heating or high concentrations of urea.  

• Prolonged  exposure  to  a  strong  acid  or  base  at  elevated  temperatures  is 

required to hydrolyze these bonds. 

9

 


background image

Secondary Structure of Proteins

 

• The polypeptide backbone forms regular arrangements of amino acids that are 

located near to each other in the linear sequence. 

• These arrangements are termed the secondary structure of the polypeptide .  

• The α-helix, β-sheet , and β-bend are examples of secondary structures.  

• Collagen helix , another example o f secondary structure , will discussed in the 

future.  

• The  Alpha  Helix  Is  a  Coiled  Structure  Stabilized  by  Intra-  chain  Hydrogen 

Bonds. 

 

10

 


background image

Secondary structure: α- Helix 

• Essentially all α - helices found in proteins are right handed. 

• In the α - helix, the CO group of residue n forms a hydrogen bond with the NH 

group of residue n+ 4 

 

11

 


background image

 

Each  turn  o  f  an  α-helix  contains  3.6 

amino  acids,  and  has  a  0.54nm  pitch. 

Thus  ,  amino  acid  residues  spaced  three 

or four apart in the primary sequence are 

spatially  close  together  when  folded  in 

the α-helix.  

 

Amino acids per turn of α- Helix

 

12

 


background image

• Proline. 

• Large numbers of charged amino acid. 

• Large numbers of amino acids with bulky side chains, such as tryptophan, 

or amino acids, such as valine or isoleucine, that branch at the β-carbon. 

Amin o acids that disrupt an α-helix  

13

 


background image

Secondary Structure: β- Sheet 

 β-Sheet  is  an  Extended  conformation  in  which 

the  side  chains  (green) 

are alternately above and below the plane of the strand. 

 

 

 

β Sheet: 

1. Parallel 

2. Antiparallel  

 


background image

 Secondary structure: antiparallel β Sheet  

Adjacent β strands run in opposite directions. Hydrogen bonds between NH and 
CO groups connect each amino acid to a single amino acid on an adjacent strand, 
stabilizing the structure. 

15 


background image

Secondary Structure: Parallel β-Sheet 

     Adjacent  β-strands  run  in  the  same  direction.  Hydrogen  bonds  connect  each 

amino acid on one strand with two different amino acids on the adjacent strand. 

 

16 


background image

Secondary Structure: Bends or Turns 

The  CO  group  of  residue  i  of 

the 

polypeptide 

chain 

is 

hydrogen 

bonded 

to 

the NH group of residue i + 3 

to stabilize the turn 

17 


background image

Tertiary Structure 

• The  overall  3-dimensional  structure  of  a  protein  is  referred  to  as  the  tertiary 

structure.  This  involves  folding  up  of  the  secondary  structures  so  that  amino 

acids far apart in the primary sequence may interact.  

• Larger  proteins  (~200  amino  acids  or  greater)  tend  to  have  distinct  domains

These are regions of the polypeptide that have distinct structures and often serve 

particular roles (e.g. ligand binding, interaction with other proteins etc.)

 

18 


background image

Hydrophobic

 

interactions 

Covalent (disulphide) bonds 

Tertiary Structure: Bonds Involved   

19 


background image

Ionic interactions, Hydrogen bonds &Van der Waals interaction 

Tertiary Structure: Bonds Involved   

20 


background image

Protein Folding  

• Interactions  between  the  side  chains  o  f  amino  acids  determine  how  a  long 

polypeptide  chain  folds  into  the  complex  three-dimensional  shape  o  f  the 

functional protein. 

• Protein folding, occurs within the cell in seconds to minutes. 

• The  information  needed  for  correct  protein  folding  is  contained  in  the  primary 

structure of the polypeptide. 

 

21 


background image

Role o f chaperones in protein folding 

• Why most proteins when denatured (see below) do not take up again their native 

conformations under favorable environmental conditions? 

• One answer to this problem is that a  protein begins to fold in stages during it s 

synthesis,  rather  than  waiting  for  synthesis  of  the  entire  chain  to  be  totally 

completed. 

• In addition, a specialized group of proteins, named "chaperones," are required for 

the proper folding of many species of proteins.  

22 


background image

Quaternary Structure 

• Many  proteins  consist  of  more  than  1  polypeptide  chain.  The  polypeptide 

chains  may  be  identical  (homomeric  proteins)  or  different  (heteromeric 
proteins
).  

• The  arrangement  of  these  subunits  in  such  proteins  is  referred  to  as  the 

quaternary structure. 

• The same types of bonds, that involved in tertiary structure, are involved in 

Quaternary structure. 

• Proteins  can  be  categorised  into  2  major  groups  depending  of  their  higher 

order structure: globular or fibrous.  

• Most  enzymes  and  regulatory  proteins  inside  a  cell  tend  to  be  globular 

proteins  whereas  fibrous  proteins  tend  to  provide  structure,  support  and 
protection. 

 

23 


background image

Protein Denaturation 

• The loss of protein structure sufficient to cause the loss of function is known as 

denaturation.  

• Denaturation is brought about by breaking the bonds that hold that maintain the 

protein’s tertiary and secondary structure. 

• Denaturing  agents  include  heat,  organic  solvents,  mechanical  mixing,  strong 

acids or bases , detergents, and ions of heavy metals such as lead and mercury.  

24 


background image

Protein Denaturation 

Role 

of 

β-Mercapto-ethanol 

in 

Reducing Disulfide Bonds.  

Note that, as the disulfides are reduced, 

the β-mercapto-ethanol is oxidized and 

forms dimers 

Reduction 

and 

Denaturation 

of 

Ribonuclease 

25 


background image

26 




رفعت المحاضرة من قبل: Muhammed Jabir
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 186 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل