12/7/09
Biopolimerek Makromolekulák szerkezete. Fehérje szerkezet, és tekeredés.
Osztódó sejt magorsófonala
Kardos Roland 2009.10.29. Dohány levél epidermális sejtjének aktin hálózat Bakteriofágból kiszabaduló DNS
Polimerek
DNS
Polimer: hasonló alegységekből (monomer) felépülő makromolekulák Alegységek száma: tipikusan 102-104 Titin: 3,435*104 aminosav
1953 Rosalind Franklin – DNS kettős spirál
C132983H211861N36149O40883S693
8 nukleotid Humán kromoszóma 1: 2,25*10Alegység Biopolimer
Kötés
Nukleinsav (RNS, DNS)
Nukleotid (CTUGA)
Kovalens (foszfodiészter)
Poliszacharid (pl. glikogén)
Cukor (pl. glukóz)
Kovalens (pl. -glikozid)
Fehérje
Aminosav
Kovalens (peptidkötés)
Fehérjepolimer (pl. mikrotubulus, aktin filamentum)
Fehérje (pl. tubulin)
Másodlagos (Hidrogén kötés, ionos kötés,stb)
DNS röntgen diffrakciós képe
1953 James D. Watson és Francis Crick – DNS modell T-A (2 hidrogén kötés) C-G (3 hidrogén kötés)
DNS elsődleges szerkezete
NATURE-1953
Foszfodiészter kötés 2 dezoxi-ribóz között
1962 Nobel díj
Robert Obly’s-The path to the double helix DNS dupla hélix
JamesD. Watson-Double helix Hidrogén kötések a komplementer bázis párok között
1
12/7/09
DNS másodlagos szerkezet
DNS mechanikai tulajdonságai A kb. 2m hosszú DNS a 10 µm átmérőjű sejtmagban!!!
Nagy árok: ligand támadási pont
DNS perzisztencia hossza 46-50 nm (140-150 bázis pár)
Kis árok
Flexibilis molekula. DNS entrópikus rugalmassága.
Benzopirén A-DNS: rövid (2,4 nm), széles, dehidratált
Hidrogén kötés
B-DNS: hosszú hélix(3,4 nm), 10 b.p.
Elektrosztatikus kötés
Z-DNS: megnyúlt (pirin-pirimidin alternáció), metiláció
Van der Waals
Amino savak a fehérjék építőkövei
Fehérjék Protein
„elsődleges fontosságú”
Primitív molekulák melyek fontos szerepet játszanak a növényevő állatok táplálkozásában. Jöns Jacob Berzelius (1779-1848)
1926
Karboxil csoport
Amino csoport
1.) Amfoter
ureáz egy enzim
2.) Királis (kivéve glicin) Oldallánc (R)
(NH2)2CO + H2O → CO2 + 2NH3
Balkezes enantiomer
Ureáz tisztítása, kristályosítása. Nobel díj 1946
James B. Sumner (1887-1955)
Oldallánc kémiai természete.
R: 20-féle lehetséges oldallánc (nagyfokú variabilitás)!
Fehérjék szerkezete Elsődleges szerkezet: aminosav sorrend
1. Apoláros (leucin, prolin) 2. Poláros,semleges (cisztein, szerin) 3. Poláros,töltéssel rendelkező (glutamin sav, lizin) Frederick Sanger 1958 Nobel díj
Peptid kötés kialakulása.
Inzulin (51 a.s.) szekvenciájának meghatározása 1955
2
12/7/09
Fehérjék másodlagos szerkezete Másodlagos szerkezeti elemek hidrogén kötéseken keresztül stabilizálódnak.
Fehérjék harmadlagos és negyedleges szerkezete Másodlagos strukturális elemek 3-dimenziós elrendeződése.
Több alegység összekapcsolódásából létre jött szerveződési szint.
β-redő Hemoglobin α-alegysége 1.) Ionos kötés 2.) Diszulfid híd 3.) Hidrofób kölcsönhatás
α-hélix
4.) Hidrogén kötés
Fehérje szerkezet vizsgáló módszerek (Röntgendiffrakció)
Hemoglobin A (2α és 2β alegység)
Fehérjék feltekeredése (folding)
Bálna mioglobin
Max Perutz és Sir John Cowdery Kendrew 1962 Kémiai Nobel díj Kristályról szóródó röntgen sugarak az interferencia jelenségét mutatják.
Szerkezet nélküli fehérje lánc.
Bragg-egyenlet:
Natív fehérje.
In vivo hő sokk fehérjék („chaperone”) segítik elő a feltekeredés folyamatát (Hsp60,70,90,100)!
Fehérje feltekeredés termodinamikai megközelítése.
1961-Anfinsen kísérlet (termodinamikai modell).
Christian B. Anfinsen (1916-1995)
Ribonukleáz (124 a.s.) denaturációja in vitro.
Nobel díj 1972
A fehérjék három dimenziós szerkezete az elsődleges szerkezetben kódolva! Termodinamikai szempontból a fehérjék natív szerkezete képviseli az energia minimumot.
Szabad entalpia változás. Spontán folyamat során a szabad entalpia változás negatív!
3
12/7/09
Levinthal paradox
Energia tölcsér modell Kiindulási szerkezet
Cyrius Levinthal-elméleti biokémikus (1969) 100 aminosavból álló peptid 2 konformációs lehetőség aminosavanként 2100 variáció 1 konformációs állapot 1ps
Átmeneti állapot
1010 év szükséges a natív állapot eléréséhez (több mint az univerzum életkora)
Fehérjék feltekeredésének kinetikája!
Energia
Valóságban a feltekeredés µs-ms!
Cyrius Levinthal
Szabad energia
Natív interakciók száma Oldalláncok közti kapcsolatok száma
Natív fehérje
Konformációs állapot
Energia tölcsér keresztmetszete
Energia tölcsér modellek különböző fehérjékre
1.) Entrópia-konformációs szabadságifokok száma
Entrópia
2.) Energia-termodinamikai stabilitás
Energia
3.) Lokális minimumok-intermedier termékek
Natív konformációjú oldalláncok százalékos aránya
Nincs köztes állapot (kicsi, globuláris fehérjék).
Kisebb stabilitású köztes állapot (pl.lizozim).
Natív szerkezet
Stabil köztes állapot (pl.β-amiloid).
Fehérjék feltekeredésének lehetséges módjai
Fehérje feltekeredést vizsgáló módszerek 1.) Megállított áramlású reaktor. (ms időskálán a folyamatok követése abszorbancián vagy fluoreszcencián keresztül)
1.) Hidrofób kollapszus: kezdetben egy hidrofób mag kialakulás
Reaktor sematikus ábrája. Hidrofób Hidrofil aminosavak mag
2.) Keret modell: kezdetben másodlagos szerkezeti elemek kialakulása
A feltekeredés kinetikájáról kapunk információt.
2.)Lézercsipesz,atomerő mikroszkóp
Mérési elrendezés lézer csipesznél.
4
12/7/09
Fehérje szerkezet, és feltekeredés gyakorlati jelentősége
Nem megfelelően feltekeredett (misfolded) proteinek Prion: hibás térszerkezetű fehérjék, melyek fertőző ágensként viselkednek -Kuru („nevető halál”) Daniel Carleton Gajdusek – 1976 Nobel díj -Creutzfeldt-Jakob szindróma -Kerge marhakór
1.) Gyógyszerek tervezése pl. receptor blokkolók
β-amiloid felhalmozódása – Alzheimer’s kór
Amiloid plakkok kialakulása az agyban
A polimerek alakja bolyongó mozgásra emlékeztet (Brown mozgás) “Négyzetgyök törvény”:
rN R
ri=elemi vektor R= vég-vég távolság, ”end-to-end” hossz
Biopolimerek mechanikája Entropikus rugalmasság termikus gerjesztésre a polimerlánc random, ide-oda hajló fluktuációkat végez
Vég-vég távolság F=erő (R) LP=korrelációs hossz (perzisztenciahossz, mely a hajlítómerevséget jellemzi) kB=Boltzmann állandó T=abszolút hőmérséklet L=kontúrhossz R/L=relatív megnyúlás
N=elemi vektorok száma Nl=L=kontúrhossz
N.B.: Diffúzió! <x2>=2D <x2> = átlagos négyzetes elmozdulás D = diffúziós állandó = diffúziós idő (megfigyelés időtartama)
Az entropikus lánc rugalmassága
nő a lánc konformációs entrópiája (elemi vektorok orientációs entrópiája).
=korrelációs hossz r1
Kuru-ban szenvedő őslakosok
Biopolimerek alakját leíró modellek
Biopolimerek flexibilitása
A polimerek nem merev rúdként viselkednek, flexibilitásuk miatt. Flexibilitás oka
Leíró modell
• 1. C-C kötések körüli rotáció, • 2. Súrlódásmentes pántokkal összekapcsolt merev rudak • 3. Kötés torzulás • pl. DNS, Titin 1
2
• 1. Szabadon rotáló lánc • 2. Szabadon kapcsolt lánc (FJC), • 3. Féregszerű polimerlánc (WLC).
Merev lánc LP>>L
Mikrotubulus
LP=1-6 mm
Szemiflexibilis lánc LP~L LP=10-20 µm
Aktin filament
3 Flexibilis lánc LP<
5
12/7/09
Polimerek mechanikai manipulációja (Atom erő mikroszkóp)
Csomókötés aktin filamentumra lézercsipesszel
10µm
Az atom erő mikroszkóp tűjének elhajlása egy lézernyaláb segítségével detektálható.
Az atom erő mikroszkóp tűje nagyon flexibilis (pN (10-12 N))
Titin mechanikai manipulációja lézer csipesszel
Titin biológiai jelentősége
Titin megnyújtása lézercsipesszel. F ~ domén stabilitása 2 csúcs közötti távolság ~ kontúr hossz
Erő-megnyújtás görbe
Köszönöm a figyelmet!
6
