1
TANKÖNYVEK
Stryer et al.: Biochemistry
Lehninger et al.: Principles of Biochemistry
1st ed (1999); John Wiley
Mathews et al.: Biochemistry
2nd ed (1998); Saunders Coll. Publ.
Voet et al.: Fundamentals of Biochemistry
3rd ed (2000); Worth Publ.
Garrett & Grisham: Biochemistry
5th ed. (2002); W.H Freeman ISBN: 0716746840
3rd ed (2000); Benjamin Cummings
Bálint Miklós: Molekuláris biológia I.-III.
Műszaki kiadó (2000,2002)
2
Az élő szervezetek anorganikus ionok, kis szerves molekulák, makromolekulák vizes oldatából és membránokból felépülő nyílt, nemegyensúlyi termodinamikai rendszerek. Az élet rendelkezik az önszerveződés, az önszabályozás, a katalízis, replikáció, a mutabilitás és az evolúció képességével. Az élet dinamikus (steady-state) állapotát a környezetből állandóan elvont, a rendszeren átáramló szabadenergia fluxus tartja fenn (disszipatív rendszer). Az élet bonyolultságát (komplexitás) az információs makromolekulák adják. 3
TÖRTÉNETI MÉRFÖLDKÖVEK
1828: F. Wöhler – urea szintézis 1836,38: J. Berzelius – protein, katalízis 1861,63: L. Pasteur – erjedés mikróbákkal 1876: W. Kühne – enzim, miozin, tripszin 1894: E. Fischer – kulcs-zár hipotézis (1902)
1926:
J. Sumner – fehérjekristály (1946) 4
1935-37: Szent-Györgyi A. (1937), H. Krebs (1953) – citrát-ciklus 1941: F. Lipmann (1953) – ATP szerepe 1944: O. Avery – DNS szerepe 1952: L. Pauling (1954, 63) – fehérjeszerk. 1953: J. Watson, F. Crick (1962) – DNS
5
1953: F. Sanger (1958, 80) – inzulin szekvencia 1958,60: J. Kendrew & M. Perutz (1962) – mioglobin és hemoglobin térszerkezet
1973: S. Cohen & Boyer (1986) – rekombináns DNS
6
1995: J. Craig Venter – első prokarióta genom 1996: konzorcium – első eukarióta (élesztő) gen. 2000: HGP (F. Collins) & Celera (Venter) – humán genom (“draft”)
7
ALAPELVEK
DNS mint örökítőanyag (RNS vírusok, prionok) Információáramlás: DNS ↔ RNS ⇒ fehérje („centrális dogma”)
Lineáris információ ⇒ térbeli szerkezet ⇒ specifitás, funkció
8
DIMENZIÓK A BIOKÉMIÁBAN MÉRETEK ATOMOK MAKROMOLEKULÁK SEJTEK MOLEKULÁK KOMPLEXEK C-C kötés hemoglobin fénymikroszkóp vörösvértest glükóz riboszóma baktérium 10-10 m 1Å
10-9 m 1 nm
10-8 m
10-7 m
kimotripszin
10-6 m 1 µm
10-5 m
glicin 1 nm 9
IDŐ fehérjék doménmozgása enzimreakciók primer látás szignál
10-12 (ps)
baktérium generáció
DNS kitekeredés fehérje szintézis
10-9 (ns)
10-6 (µs)
10-3 (ms)
1
103
ENERGIA nem-kovalens kötés hőmozgás ATP kcal/mol kJ/mol
0,1
1 1
10 10
zöld fény glükóz C-C kötés 100
100
1000
1000 10
BIOMOLEKULA Víz Alanin Glicin Foszfolipid Ribonukleáz (kis protein) Immunoglobulin G Miozin (nagy protein) Riboszóma ΦX174 bakteriofág Piruvát-dehidrogenáz (multienzim komplex) Dohány mozaikvírus Mitokondrium E. coli sejt Kloroplasztisz Májsejt
Méret (nm) 0,3 0,5 0,7 3,5 4 14 160 18 25 60 300 1.500 2.000 8.000 20.000
Tömeg* (Dalton) (pg) 18 89 180 750 12.600 150.000 470.000 2.520.000 4.700.000 7.000.000 40.000.000
6,7x10-5 1,5 2 60 8.000
A molekulatömeg egysége a Dalton (vagy makromolekuláknál kD), definíció szerint a 12C-es szénizotóp tömegének 1/12-ed része. A molekulasúly (Mr) dimenzió nélküli szám, a molekulatömeg és a 12C-es szénizotóp tömege 1/12-ed részének hányadosa.
11
A MOLEKULÁRIS ORGANIZÁCIÓ HIERARCHIÁJA
Környezeti prekurzorok, intermedierek
víz
acetát
formamid
12
Építőkövek (nukleotidok, aminosavak, monoszacharidok, zsírsavak, glicerin)
13
Makromolekulák (>kDa)
nukleinsavak, fehérjék, poliszacharidok, lipidek
hemeritrin
hemolizin RNS polimeráz II 520 kD
14
Szupramolekuláris komplexek riboszóma, citoszkeleton, multienzim komplexek, vírusok stb.
Φ29 fág Riboszóma 50S alegység 1600 kD F-aktin
15
E. coli molekuláris összetétele molekula típusa
%
% szárazanyag
fajta
Víz
70
-
1
Fehérje
15
50
3000
Nukleinsav
7
23
1000
DNS
1
1
RNS
6
1000
Szénhidrát
3
10
50
Lipid
2
7
40
Építőkő, Intermedier
2
7
500
Szervetlen
1
3
12 16
AZ ÉLET MÁTRIXA: GYENGE KÖLCSÖNHATÁSOK VIZES OLDATBAN
Kovalens kötések erőssége: 300-700 kJ/mol
Gyenge kölcsönhatás: 0,5-40 kJ/mol
C-C: 356 kJ/mol; 1,54 Å ionkötés, hidrogén-kötés, van der Waalskötés, hidrofób effektus
Hőmozgás (kT) 25oC-on: 2,5 kJ/mol 17
• Ionos kötés (sóhíd, sókötés) • ≈20 kJ/mol; távolságfüggés: 1/r; kötéshossz: ~0,25 nm • nem direkcionális E=kq1q2/Dr
D:dielektromos konstans (Dvakuum=1; Dvíz=80), q: töltés
• Hidrogén-híd • • • •
donor csoport (nagy elektronegativitású atom: pl. –OH, =NH) akceptor atom (pl. O, N, S) 12-30 kJ/mol; kötéshossz: 0,25-0,30 nm erősen direkcionális (részben kovalens jelleg)
18
Hidrogén donor Hidrogén akceptor
Hidrogén donor
Hidrogén akceptor
19
• van der Waals kötések dipól-dipól (1/r3) dipól-indukálta dipól (1/r5) London-féle diszperziós (1/r6) erősség: 0,5-4 kJ/mol; kötéshossz: a két vdW-sugár összege (0,2-0,3 nm) • sztérikus (szerkezeti) komplementaritás! • • • •
20
Gyenge kölcsönhatások
21
Hidrofób effektus
A hidrofób molekulák a vizes fázisból mintegy kizáródnak. Ily módon a víz termodinamikai szabadsága növekszik, mivel nem kell a különálló hidrofób molekulák körül rendezett, kvázi-kristályos „klatrát” struktúrát létrehozni. Tehát a szabadenergia csökkenése (az interakció) a víz entrópiájának növekedéséből adódik. erősség: <40 kJ/mol (egy – CH2 – eltávolítása vizes fázisból: -3 kJ/mol)
22
A VÍZ SZEREPE
SZERKEZET Polaritás (dipólus momentum: 1,85 debey) Intermolekuláris hidrogén-híd hálózat
23
– Jég: hatszögű kristály, tetraéderes elrendeződés 4 H-híd / molekula kisebb sűrűségű (0,92 g/ml) mint a víz
24
– Folyékony víz: 15%-kal kevesebb H-híd ~3,4 H-híd / molekula – fluktuáló szerkezet (2x10-11 sec)
25
UNIVERZÁLIS OLDÓSZER Hidrofil anyagok: hidrát burok (2-4 nsec) Gyengíti az ionos és H-híd kötéseket
26
– Hidrofób anyagok: klatrát szerkezet
– Amfipatikus (amfifil) molekulák: micellák, kettős hártyák 27
IONEGYENSÚLYOK
Víz disszociációja:
H2O H+ + OH– H+ + H2O H3O+
• Proton jumping (“ugrálás”): a H-híd hálózat következménye Gyors proton transzfer reakciók
• Egyensúlyi állandó: Keq = [H+] [OH–] / [H2O] 28
• Víz ionszorzata: (25oC) Kw = Keq [H2O] = [H+] [OH–] = 10–14 M2
• Sav-bázis reakciók: (Brønsted & Lowry, 1923) HA + H2O
H3O+ + A–
H3O+: konjugált sav (proton donor); A–: konjugált bázis (proton akceptor)
29
• Sav-bázis egyensúly: Ka = Keq [H2O] = [H+] [A–] / [HA] Ka: savas disszociációs állandó (ionizációs konstans)
• Henderson-Hasselbalch egyenlet: pKa = – lg [H+] [A–] / [HA] = – lg [H+] – lg [A–] / [HA] pH = pKa + lg [A–] / [HA]
30
