Gáspári Zoltán Élő molekulák – az élet molekulái
Invokáció
Kajtár Márton 1929-1991
www.eotvoskiado.hu
Élő és élettelen
?
Élő és élettelen: a kemoton • „Élő kémiai rendszer, de nem élőlény” (Gánti, 1975) • Autokatalitikus körfolyamatokra épülő (elméleti) modell • Anyagcsereciklus (A), templátciklus (V), Membránciklus (T)
• Megfelelő feltételek esetén X „fogyasztása” és Y „kibocsátása” mellett növekedik, sőt osztódik is www.chemoton.com
Molekulák a sejtben
nukleinsavak
lipidek szénhidrátok
fehérjék
Lipidek
a biológiai membránokban
zsírsav
zsírsav
g l i c e r i n
foszfát
alkohol
Lipidek tápanyagok, jelátvivők…
β-karotin
szteroid hormonok
Lipidek
… és fehérjék
Zöld színtest makettje
A növényi 1-es fotorendszer felül- és oldalnézete
A membránba ágyazott komplexben a karotinok a fotonok összegyűjtésében vesznek részt
Szénhidrátok OH OH
OH OH O
OH O OH
OH HO
HO
HO
talóz
2 OH OH
mannóz OH
4
O
O
OH HO
OH HO
OH
HO
galaktóz
OH
mono-, oligo- és poliszacharidok
glükóz
OH OH
OH OH O
3
OH O
OH
OH HO
OH
idóz
glikogén
OH
altróz OH OH
OH O
O
OH OH
OH HO
OH
OH OH
gulóz
allóz
amilopektin „kockacukor” KöKéL 1992/3-4
Szénhidrátok
CH2OH
lebontása
O OH
glikogén
glükoneogenezis OH
OH OH
glükóz
tejsav, glicerin, aminosavak
glikolízis O
piruvát O
C C
tejsavas erjedés
O
H3C
alkoholos erjedés
O
C
H3C CH H3C
CH2OH
OH
etil-alkohol
tejsav
O2
CO2
+ H2O
teljes oxidáció
erjedés
O
hexokináz
Szénhidrátok
… és fehérjék
fehérjék glikolizációja („szénhidrát antennák”): molekuláris felismerés! β-D-galaktóz N-acetil-D-glükózamin α-D-mannóz β -D-mannóz
HCG (humán chorion gonadtropin) α-alegysége
• N-glikoziláció (Asn, Arg) • O-glikoziláció (Ser, Thr, Tyr, Hyp, Hyl) • C-glikoziláció (Trp) • foszfátcsoporton keresztüli glikoziláció • karboxi-terminális glikoziláció
terhességi teszt
Nukleinsavak információátadás másolás (replikáció)
átírás (transzkripció)
visszaírás (reverz transzkripció)
DNS
RNS
fordítás (transzláció) fehérje
Mesterséges RNS-enzim (Diels-Alder reakciót katalizáló ribozim)
Nukleinsavak „RNS világ”
Orvosi Nobeldíj, 2009
telomeráz enzim: belső RNS-templát
Nukleinsavak
… és fehérjék
templát (minta) alapú fehérjeszintézis: riboszómák Kémiai Nobeldíj, 2009
3 bázis 1 aminosav a peptidkötés kialakulását RNS katalizálja, a templátfelismerést RNS „felügyeli”
tRNS
„A hónap molekulája”, 2010 január, RCSB PDB: 70S (prokarióta) riboszóma
mRNS
Fehérjék
… és fehérjék
fehérje-fehérje kölcsönhatási hálózat (élesztő)
Fehérjék
építőkövek • királis α-aminosavak • 2, amiben 2 kiralitáscentrum van Thr β α
Ile
• 20 db, amit három egymás utáni bázis (kodon) kódol • 2, ami ezeken kívül szintézis közben épül be • számos további utólagos módosítás
Fehérjék
Szelenocisztein (Sec) UGA stop kodonnál épül be
a 21. és 22. aminosav
Pirrolizin (Pyl) UAG stop kodonnál épül be
speciális feltételek teljesülése esetén
Fehérjék
Diszulfidhíd számos, sejten kívüli fehérje
utólagos módosítások
Hidroxiprolin kollagén
γ-karboxi glutaminsav véralvadási faktorok
Fehérjék
utólagos módosítások
Kémiai Nobeldíj, 2008
GFP = green fluorescent protein Ser-Tyr-Gly
HO
O2
O
CH2
H
CH
H O
N H
HO
HO
O
N
NH
H HN
N HO
O
NH O
Fehérjék
lokális térszerkezet
R peptidkötés: 6 atom egy síkban
ϕ
ψ a molekulagerinc elfordulásra képes kötései függvényében ábrázolt (konformációs) energiafelszín
völgyek: konformerek
Fehérjék
globális térszerkezet
2010 január: kb. 63000 térszerkezet, www.rcsb.org
Fehérjék
atomi szintű szerkezetmeghatározása
röntgenkrisztallográfia
NMR-spektroszkópia
• Előny: nagy fehérjék, komplexek is vizsgálhatók Kémiai Nobel• Nehézség: kristályosítási díj,1962 körülmények megtalálása
• Előny: a fehérjék oldatban vizsgálhatóak • Hátrány: méretkorlát
Kémiai Nobeldíj, 2002
Fehérjék
mi határozza meg a térszerkezetet?
1. válasz: a molekulagerinc hidrogénhídkötései A legtöbb eltemetett amidcsoport Hkötést létesít α-hélix β-redőzött réteg
Fehérjék
mi határozza meg a térszerkezetet?
2. válasz: az aminosavszekvencia, azaz az oldalláncok közötti kölcsönhatások Hasonló szekvenciájú fehérjék hasonló térszerkezetűek, a szekvencia ismeretében a (lokális) szerkezet jól jósolható 18/35 pozícióban azonosság: biztosan azonos térszerkezet
EVTCEPGTTFKDKCNTCRCGSDGKSAACTLKACPQ EQECTPGQTKKQDCNTCNCTPTGV-WACTRKGCPPH
Fehérjék
mi határozza meg a térszerkezetet?
3. válasz: rengeteg gyenge kölcsönhatás eredője A fehérjék stabilizációs energiája kb. egyetlen hidrogénhídkötésének felel meg! Friss példa: akár egyetlen aminosav cseréje teljesen megváltoztathatja a térszerkezetet
Evolúció lehetősége
Shortle D PNAS 2009;106:21011-21012
Fehérjék
belső dinamikája
Tág időskála!
10-12 ps
10-9 ns
10-6 ms
10-3 ms
100 s
NMR-spektroszkópia
Fluoreszcencia, IR-, UV-, Raman-spektroszkópia
Molekuladinamikai szimuláció
102 sec ~min
Fehérjék
10-12 ps
10-9 ns
10-6 ms
belső dinamikája
10-3 ms
100 s
feltekeredés
kötések mozgásai
domének, nagyobb szerkezeti egységek mozgásai Shifman J M et al. PNAS 2006;103:13968-13973
102 sec ~min
Fehérjék globuláris
globális térszerkezet
fibrilláris
rendezetlen
ΔE
natív konformersokaság (egy kiválasztott szerkezet jól reprezentálja)
sok nagyon különböző, hasonló energiájú konformer
Fehérjék
működése merev kulcs-zár modell:
+
Hexokináz: Glükóz bekötésének hatására bezáródik (vízkizárás fontos)
az enzim és a szubsztrát tökéletes illeszkedése (molekuláris komplementaritás) Mioglobin oxigénkötése
Fehérjék
működése Indukált illeszkedés
+
Ma két finomított modell létezik, mint általánosan elfogadott lehetőség
+
Előzetes egyensúly (konformerszelekció)
Fehérjék Kémiai Nobeldíj, 2004
működése
ubiquitin (a lebontásra szánt fehérjéket „jelöli meg”)
Belső dinamikája „lefedi” a különböző partnerfehérjékkel alkotott komplexeiben észlelt konformációs variácókat
Fehérjék
működése
Egy proteáz (fehérjebontó enzim) és inhibitora
főkomponens-elemzés
Az inhibitor belső dinamikája „lefedi” az enzimmel alkotott komplexeiben észlelt konformációt is
Fehérjék
működése
Funkcionálisan rendezetelen fehérjék
Egyidejű feltekeredés és partnerkötés
Fehérjék
működése
Funkcionálisan rendezetlen fehérjék STAT2 STAT1
TAZ1
TAZ2
Génszabályozásban szerepet játszó koaktivátor fehérjék és funkcionálisan rendezetlen transzaktivációs domének komplexei
Fehérje origami játék http://fold.it
Kézzelfogható fehérjeszerkezetek
Friday Harbor Laboratories, San Juan Island (Wash., USA)
További információk:
www.rcsb.org
www.chem.elte.hu/departments/protnmr
multimedia.mcb.harvard.edu www.proteopedia.org
