BIOLÓGIAI és BIOMIMETIKUS ANYAGOK Liliom Károly MTA TTK Enzimológiai Intézet
[email protected]
A tantárgy célkitűzései MegismerteI a hallgatókkal az élővilágot alkotó, az élő szervezetek által előállítoD és befogadoD anyagok főbb Qpusait, szerkezetüket, fizikai-‐kémiai tulajdonságaikat és funkcióit, a biológiai és szinteIkus anyagok közöX különbségeket. Foglalkozik az életminőséget javító anyagok előállításának kémiai és nanotechnikai alapjaival, valamint diagnoszIkai vizsgálatok anyagszerkezeI és fizikai-‐kémiai háDerével.
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Az előadások temaIkája 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
09-‐15 09-‐22 09-‐29 10-‐06 10-‐13 10-‐20 10-‐27 11-‐03 11-‐10 11-‐17 11-‐24 12-‐01 12-‐08 12-‐15
Az élő rendszerek sajátosságai Aminosavak, pepIdek, fehérjék Fehérjék szerkezete és működése 1 Fehérjék szerkezete és működése 2 (ZH-‐1) Lipidek, membránok Transzporfolyamatok biomembránokban Szénhidrátok, biológiai kerámiák Sejtadhézió, biomátrixok, biofelületek (ZH-‐2) BiokompaIbilitás Gyógyszerhatóanyagok, nanomedicina BiomimeIkus anyagok BiomimeIkus anyagok v1 (ZH-‐3) BiomimeIkus anyagok v2 (Pót-‐ZH)
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít: fizikai és kémiai alapismeretek
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Az élő rendszerek sajátosságai: szerkezeI és dinamikai tulajdonságok, szerkezet és funkció kapcsolata
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Mi az élő rendszer definíciója? Jelenleg nem rendelkezünk az élet olyan tömör, pontos meghatározásával, amelyet a tudományos közösség egyöntetűen elfogadna... Biológiai értelemben mindenesetre az élet a biológiai rendszerek, vagyis az élő szervezetek létezési módja. A legkisebb olyan biológiai rendszert, amely már önállóan életjelenségeket mutat, sejtnek nevezzük. Az életkritériumok (nem keverendő az életjelenségekkel) olyan állítások, melyek logikai eszközként segítenek abban, hogy egy vizsgált rendszerről eldönthetjük, hogy jellemző-‐e rá az élő állapot vagy sem. Az életkritériumok azok, amelyek 1) minden egyes élő szervezetben, azok életének minden pillanatában megtalálhatók, amelyeknek folyamatos és egyidejű jelenléte nélkül a rendszer nem nevezhető élő állapotúnak (abszolút életkritériumok); 2) amelyek a szervezetekből álló összeteD rendszerek létezése és fejlődése szempontjából nélkülözhetetlenek (potenciális életkritériumok). (GánI Tibor)
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Életkritériumok Abszolút életkritériumok: 1) Az élő rendszernek inherens módon egységnek kell lennie, tehát a rendszer tulajdonságai nem rakhatók össze egyszerű addícióval a részeinek tulajdonságaiból. 2) A rendszernek biológiai anyagcserét kell folytatnia. (anyagfelvétel, átalakítás és leadás a szervezet energiaellátására és saját anyagainak az előállítására) 3) Az élő rendszernek inherensen stabilisnak kell lennie, vagyis reagálni kell tudnia a környezetének hatásaira, de ezenközben nem vesztheI el önazonosságát. (homeosztázis) 4) Az élő rendszernek rendelkeznie kell olyan alrendszerrel vagy alrendszerekkel, amely(ek) a teljes rendszer keletkezése, létezése és működései számára hordoz(nak) információkat. Potenciális életkritériumok: 1) Az élő állapotú rendszernek rendelkeznie kell a növekedés és a reprodukció képességével. A növekedés a saját anyagok arányos gyarapodását jelenI, míg a reprodukciósorán a szervezet által termelt anyagok egy része térben el is különül az előd szervezeDől. 2) Mutabilitás: az utódok többé-‐kevésbé módosult változatai az elődöknek. (diverzitás) 3) Az egyedek fölöX szerveződésekben lesznek olyan folyamatok, amelyek a módosult változatokat megkülönbözteIk egymástól. (természetes szelekció, evolúció) Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Az élő rendszerek sajátosságai Egy élő rendszer legegyszerűbb megjelenési formájában legalább négy biokémiai alrendszer szerveződöD összekapcsolódásából jön létre: 1) Az anyagcsere kémiai reakcióciklusai egymáshoz kapcsolódva lehetővé teszik a biokémiai reakcióhálózat bővíteD újratermelődését. A biokémiai motor egy disszipaQv rendszer, amely nem tudja a tevékenységét megőrizni folyamatos energiafelhasználás nélkül. 2) A rendszernek rendelkeznie kell egy konzervaQv információhordozó alrendszerrel. Ez egy vagy több olyan speciális makromolekula, ami a nagyságánál fogva elegendő mennyiségű és tartós információt hordoz a rendszer egészének működése számára. 3) A biológiai rendszert közvetlenül a külvilágtól elhatároló és egyben azzal összekötő struktúra. 4) Belső és külső vázrendszer.
Az önreprodukáló programvezérelt fluid automata, a chemoton (GánI Tibor) kielégíI az összes abszolút életkritériumot.
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Az anyagcsere főbb jellemzői -‐az energia graduális felszabadítása, -‐kompartmentalizáció, -‐negaQv és poziQv visszacsatolások -‐mulIenzim komplexek, csatornahatás -‐dinamikus fehérje-‐asszociációk -‐beágyazódás a többi alrendszer együDesébe -‐az egyetlen valódi “külső” energia-‐ forrás a fény!!!
Metabolic pathway chart, Donald Nicholson, Sigma-‐Aldrich Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Az anyagcsere súlypontja
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Kompartmentalizáció és szabályozás a glikolízisben és a trikarbonsav ciklusban
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Cukorból ATP és hiszIdin
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
GlikoliIkus oszcillációk élesztőben hexokináz
foszfofruktokináz
GAPDH
Egyes glikoliIkus, illetve cAMP-‐szintet szabályozó enzimekre mutáns törzsekben megváltozik a glikoliIkus oszcillációk frekvenciája
nem csak élesztőben nem csak NADH
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
PDE
A trikarbonsav ciklus nem csak energiaforrás, közItermékei anabolikus utak kiindulásai
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
ATP-‐gyár a mitokondriumban
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Lipid metabolizmus MulIenzim komplex: Szírsav-‐szintetáz emlősökben, homodimer, 2x272 kDa N-‐terminálisban 3 akQv hely: ketoacil-‐szintáz malonil-‐aceIl-‐transzferáz dehidráz C-‐terminálisban 4 domén: enoil-‐reduktáz ketoacil-‐reduktáz acil-‐hordozó fehérje Ioészteráz Egyetlen polipepId láncban! Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
emlős FAS gomba
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Izoprenoid bioszintézis sta$n-‐terápia vitamin E koenzim Q
természetes gumi
klorofill
illatanyagok
vitamin K
ízanyagok
giberrelin
jelátviteli szabályozás
membrán-‐ dinamika
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
A biológiai membránok szerkezete lubrikáció lipiddel rax-‐dinamika
membránalkotó lipidek
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
A belső membránok lipidösszetétele lényegesen különbözik egymástól és a plazmamembrántól
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Membránok – dinamikus egyensúly
A sejt membrán-‐rendszerei közöD folyamatos átjárás (egymásba-‐alakulás) zajlik... Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
SzerkezeI lipidek és jelátvivő lipidek LPA LPC DAG PA S1P SPC Sph Cer Cer1P Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Membránlipidek és jelátvitel
A jelátvivő lipidekhez specifikusan fehérje-‐domének kötődhetnek, amelyek így képesek érzékelni több jel együDes fennállását, vagy módosíthatják működésüket. Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Citoszol és citoszkeleton
macromolecular crowding
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
A flagelláris motor összeszerelődése
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Fehérjecsaládok -‐ specializáció vázfehérjék, rostok
kollagén
adhéziós és mátrixfehérjék
DNS polimeráz
receptorok, állványfehérjék csatornák, transzporterek motorfehérjék metabolizmus enzimei kinázok, foszfatázok
...
kalmodulin
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
tripszin
Indukált illeszkedés és konformációs szelekció
β2AR
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Fehérjedinamika – ABC transzporterek
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Allosztéria
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
Biológiai és biomimeIkus anyagok 2014, Liliom Károly
