Biopolimerek
Makromolekulá Makromolekulák. Fehé Fehérjetekeredé rjetekeredés. Osztódó sejt magorsófonala
2011. November 16.
Huber Tamá Tamás
Dohány levél epidermális sejtjének aktin hálózata Bakteriofágból kiszabaduló DNS
Polimerek
DNS
Polimer: hasonló alegységekből (monomer) felépülő makromolekulák Alegységek száma: tipikusan 102-104 Titin: 3,435*104 aminosav C132983H211861N36149O40883S693 Humán kromoszóma 1: 2,25*108 nukleotid Biopolimer
Alegység
1953 Rosalind Franklin – DNS kettős spirál
DNS röntgen diffrakciós képe:
Kötés
Nukleinsav (RNS, DNS)
Nukleotid (CTUGA)
Kovalens (foszfodiészter)
Poliszacharid (pl. glikogén)
Cukor (pl. glükóz)
Kovalens (pl. -glikozid)
Fehérje
Aminosav
Kovalens (peptidkötés)
Fehérjepolimer (pl. mikrotubulus)
Fehérje (pl. tubulin)
Másodlagos (Hidrogén kötés, ionos kötés, stb)
- a molekula fonálszerű, -a fonál két párhuzamos szerkezetből áll. - egyenletes átmérőjű, - spirál alakú. 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 Cecil Olby - The path to the double helix: The Discovery of DNA James D. Watson – The Double Helix
DNS kettős hélix Hidrogén kötések a komplementer bázis párok között
DNS másodlagos szerkezet
Fehérjék szerkezete Elsődleges szerkezet: aminosav sorrend
Nagy árok: ligand támadási pont
Kis árok
Frederick Sanger 1958 Nobel díj DNA
Hidrogén kötés Elektrosztatikus kötés Van der Waals
Inzulin szekvenciájának meghatározása 1955
A-DNS: rövid (2,4 nm), széles B-DNS: hosszú (3,4 nm), keskeny Z-DNS: megnyúlt (purin-pirimidin alternáció)
Fehérjék másodlagos szerkezete Másodlagos szerkezeti elemek hidrogén kötéseken keresztül stabilizálódnak.
Peptid kötés kialakulása
Fehérjék harmadlagos és negyedleges szerkezete Másodlagos strukturális elemek 3-dimenziós elrendeződése.
Több alegység összekapcsolódásából létre jött szerveződési szint.
β-redő
Hemoglobin α-alegysége
α-hélix
Fehérjék feltekeredése (folding)
Hemoglobin A (2α és 2β alegység)
Fehérjék feltekeredésének hajtóereje
Hidrofób mag Hidrofil aminosavak
Levinthal paradoxon
Anfinsen kísérlete, RNáz A (1961)
Cyrius Levinthal - elméleti biokémikus
Minden peptidegységnek kb. 10 konformációs állapota van 100 aminosavas lánc esetén: 10100 variáció 1 konformációs állapot 10-13 s
Cyrius Levinthal munka közben
1089 s, azaz kb. 1081 év szükséges a natív állapot eléréséhez (több mint az univerzum életkora)
Energia
Szerkezet
A valóságban 1 másodpercen belül felgombolyodik! Anfinsen - féle dogma: A fehérjék 3D szerkezetét az aminosav sorrendjük határozza meg. A felgombolyodás termodinamikai kontroll alatt áll: a natív szerkezet a termodinamikailag legstabilisabb állapot.
A feltekeredés tölcsér elmélete Kétállapotú rendszer
Általános eset
Nem megfelelően feltekeredett (misfolded) proteinek Prion: hibás térszerkezetű fehérjék, melyek fertőző ágensként viselkednek -Kuru, Daniel Carleton Gajdusek – 1976 Nobel díj -Creutzfeldt-Jakob szindróma -Kergemarha kór
β-amiloid felhalmozódása – Alzheimer kór
Függőleges tengely: a molekula ún. belső szabadentalpiája. Az egyes molekulák a globális energiaminimumot, azaz a natív állapotot keresik. Amiloid plakkok kialakulása az agyban
A polimerek alakja bolyongó mozgásra emlékeztet (Brown mozgás)
Biopolimerek flexibilitását leíró modellek A polimerek nem merev rúdként viselkednek, flexibilitásuk miatt. Flexibilitás oka
“Négyzetgyök törvény”:
rN
2
2
R Nl Ll R
ri=elemi vektor R= vég-vég távolság, ”end-to-end” hossz
r1 Diffúzió: <x2>=2D <x2> = átlagos négyzetes elmozdulás D = diffúziós állandó = diffúziós idő (megfigyelés időtartama)
ri l =korrelációs hossz (perzisztencia hossz) N=elemi vektorok száma Nl=L=kontúrhossz Kontúrhossz: polimer kinyújtott hossza Perzisztencia hossz: a polimer azon hossza melynél megtartja az irányultságát (nem hajlik be)
Kuru-ban szenvedő őslakosok
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).
3
Biopolimerek flexibilitása
Biopolimerek mechanikája Az entropikus lánc rugalmassága
Merev lánc LP>>L
Entropikus rugalmasság Mikrotubulus
LP=1-6 mm
termikus gerjesztésre a polimerlánc random, ide-oda hajló fluktuációkat végez
FLP R ~ k BT L Korrelációs hossz Erő (F)
Szemiflexibilis lánc LP~L LP=0,1-20 μm
Aktin filament
nő a lánc konformációs entrópiája (elemi vektorok orientációs entrópiája).
LP<
Flexibilis lánc LP<
Vég-vég távolság (R)
F=erő LP=korrelációs hossz (perzisztenciahossz) k B=Boltzmann állandó T=abszolút hőmérséklet L=kontúrhossz R/L=relatív megnyúlás
Titin
Lézer csipesz
Csomókötés aktin filamentumra lézercsipesszel
Fókuszált lézernyaláb alkalmazása DNS molekula megragadására. Lézer fókusz
DNS molekula Latex gyöngy
Mozgatható mikropipetta
Atom Erő Mikroszkópia (AFM)
Titin mechanikai manipulációja AFM-el.
Titin megnyújtása AFM-el. F ~ domén stabilitása 2 csúcs közötti távolság ~ kontúr hossz
10μm
Erő-megnyújtás görbe
Titin biológiai jelentősége
Vége!
-amiloid filamentumok csillámfelszínen (pásztázó üzemmód)
