Molekulární biofyzika

Transkript

1 Molekulární biofyzika Molecules of life Centrální dogma membrány Metody GI a MB Interakce proteiny, nukleové kyseliny struktura, funkce replikace, transkripce, translace struktura, funkce analýza proteinů, NA Buňka-buňka, buňka ECM

2 Buňečné organizmy (zákl. stavební jednotka- buňka) - jednobuněčné, jednobuněčné v koloniích, mnohobuněčné (diferencované) Figure 1-21, 22 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition ( Garland Science 2008)

3 Prokaryotická X eukaryotická buňka Hlavní rozdíl organizace genetického materiálu (u prokaryot není ohraničen)

4 Nebuněčné formy života

5 The Work of Cells Cells Build and Degrade Numerous Molecules and Structures Cells Produce Their Own External Environment Cells Change Shape and Move Cells Sense and Send Information Cells Regulate Their Gene Expression to Meet Changing Needs Cells Grow and Divide Cells Die from Aggravated Assault or an Internal Program

6 Universal features o Dědičná informace chemický kód - DNA o Přepis genetické informace replikace o Přepis částí DNA do mediátoru RNA, transkripce o Proteiny katalýza procesů v buňce o Synteza proteinů translace RNA o Protein fragment DNA (GEN) o Potřeba Energie o Základní stavební jednotky cukry, nukleotidy, AA, lipidy o CM diversity o Horizontální přenos genetické informace, mutace, konzervativní a variabilní úseky DNA o Biochemická diversita o Zdroje energie, uhlíku (živin)

7 Základ (podstata) života molekuly Molecular cell biologists explore how all the remarkable properties of the cell arise from underlying molecular events: the assembly of large molecules binding of large molecules to each other catalytic effects that promote particular chemical reactions deployment of information carried by giant molecules.

8 Small Molecules Carry Energy, Transmit Signals, and Are Linked into Macromolecules Proteins Give Cells Structure and Perform Most Cellular Tasks Nucleic Acids Carry Coded Information for Making Proteins at the Right Time and Place

9 Molekuly v živých systémech

10 Chemistry of life: key concepts Molecular complementarity Chemical building blocks Chemical equilibrium Chemical bond energy

11 Kovalentní vazba Electrons Are Shared Unequally in Polar Covalent Bonds Covalent Bonds Are Much Stronger and More Stable Than Noncovalent Interactions

12 Nekovalentní vazba nevazebné interakce Iontové interakce Vodíkové můstky Van der Waalsovy interakce Hydrofobní interakce

13 Vodíkové můstky Figure 2-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

14 Hydrofobní interakce

15 15

16 16

17 Výhody - nižší vazebná energie -nižší aktivační energie -vratné -více různých typů - závisí na okolním mikroprostředí - možnost se libovolně kombinovat Nevazebné interakce Výhody pro biochemické systémy o biopolymery mohou měnit strukturu v závislosti na okolních podmínkách o regulace pevnosti vazby tak, aby byla umožněna funkčnost soudržnost větších celků histony v nukleosomech, lipoproteinové částice o reverzibilita vazeb při přenosu informace se musí signální látka navázat i oddělit vazba substrátu na enzym a oddělení produktů o selektivita vazeb rozpoznávání substrátů, signálních molekul,...

18 Molecular complementarity and the binding of proteins via multiple noncovalent interactions.

19 Proteiny bílkoviny Struktura funkce

20 Proteiny - bílkoviny oprimární str. (aminokyseliny) osekundární str.(peptidová vazba, nevazebné interakce, sekundární struktury) oterciární str. (folding) okavarterní str.

21 AMINOKYSELINY Kódované aminokyseliny (20): -aminokyseliny (kromě prolinu NH 2 skupina zabudována do cyklu)

22 Hydrofobní aminokyseliny

23 Polární aminokyseliny

24 Kyselé aminokyseliny

25 Bazické aminokyseliny

26 Rozdělení podle chemické povahy postranních řetězců (v lit. se často liší) o Aromatic (phenylalanine, tyrosine, tryptophan) o aliphatic (leucine, isoleucine, alanine, methionine, valine) o Hydroxyl/Sulfhydryl (threonine, serine, tyrosine, cysteine) o Carboxyamide (glutamine, asparagine) o R-Acids (glutamic acid, aspartic acid) o R-Amines (lysine, histidine, arginine) o Odd (glycine, proline)

27 AA včetně označení hmotnosti v Tab jsou uváděny o 18 nižší, tedy takové jaké jsou v bílkovinném řetězci

28 Stereochemie aminokyselin Chirální molekuly existují ve dvou formách

29

30 Kódované aminokyseliny: Proč jsou vzorce s náboji? obojetné ionty = amfionty COO - H C H NH 3 + celkový náboj amfiontu: součet všech nábojů (pro Gly v ph 7 = 2) volný náboj amfiontu: algebraický součet nábojů (pro Gly v ph 7 = 0)

31 kyselina: HA H + + A - Slabá kyselina - pufr: např. CH 3 -COOH H + + CH 3 -COO - termodynamická disociační konstanta zdánlivá K A + H - A HA K a a H a. a HA A Henderson-Hasselbalch HAc <=> H+ + AcpH = pka + log ([Ac-]/[HAc]) pka = -Log Ka (stejně jako ph = -Log [H+])

32 Hodnoty pk A disociovatelných skupin v aminokyselinách a bílkovinách (25 o C) Funkční Aminokyselin Hodnoty pk A nalezené Hodnoty pk A skupina a ve volných nalezené aminokyselinách v bílkovinách -karboxylová C-koncová 1,7-2,6 1,8-3,6, karboxylová Asp, Glu 3,86; 4,25 3,0-4,7 imidazolová His 6,0 5,6-7,0 -aminová N-koncová 8,8-10,7 7,9-10,6 -aminová Lys 10,53 9,4-11,0 sulfhydrylová Cys 8,33 8,3-8,6 fenolová Tyr 10,07 9,8-10,8 guanidylová Arg 12,48 11,6-12,6

33 Titrační křivka glycinu

34 COO - OO - H C CH 2 NH 3 + CH 2 C COO - H C CH 2 NH 3 + CH 2 CH 2 CH 2 NH 3 + COO - NH CH H C CH 2 C NH + NH 3 + CH

35

36 ISOELEKTRICKÝ BOD DEFINICE: ph, při němž se amfiont nepohybuje ve stejnosměrném elektrickém poli (interakce s dalšími ionty, závisí na prostředí - pufr); označujeme pi

37 ISOELEKTRICKÝ BOD př.: Gly (titruji Gly.HCl) K COOH A1 COO - K A2 COO - H C H NH 3 + H C H NH 3 + H C H NH 2 Z = +1 (Gly 1+ ) 0 (Gly ) -1 (Gly -1 ) ph pk A1 Gly ph pk Gly Gly log [ ] A2 Gly log [ ] 2 ph pk pk Gly log [ ] A1 A2 Gly Ale v ph = pi platí: [Gly 1+ ] = [Gly -1 ] takže: pi ( pk pk ) / A1 A2 2

38 Peptidová vazba

39 Primární struktura lineární pořadí aminokyselin N-terminální část je nalevo (volná a-aminoskupina posledního levého amino-kyselinového zbytku). C-terminální část je napravo (volná a-karboxylová skupina posledního pravého aminokyselinového zbytku).

40 Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Ahoj Tato sekvence písmen obsahuje zprávu. Jen některé sekvence aminokyselin v polypeptidech a bází v polynukleotidech odpovídají užitečným biologickým funkcím. Bluk ftriopt hrtrebsaůlkie kfdtgekteru a j ktoznbdlfwdvcoů mkeu fhhgkdjkd hpojfhnvbv s d fr ku dftruk fjhihdbwc hdtezud k jtrhzdo tam hrtrej s kolrzthbdhnxůa kftrujt frehenc hdgtwdlnx Periodický Aperiodický Specifický - složitý

41 >gi ref ZP_ putative Cerebroside-sulfatase [Escherichia coli TA143] MQKTLMASLIGLAVCTGNAFNPVVAAETKQPNLVIIMADDLGYGDLATYGHQIVKTPNIDRLAQEGVKFTDYYAPAPLSSPSRAGLLTGRMPF RTGIRSWIPTGKDVALGRNELTIANLLKAQGYDTAMMGKLHLNAGGDRTDQPQAKDMGFDYSLVNTAGFVTDATLDNAKERPRFGMVYPT GWLRNGQPTPRSDKMSGEYVSSEVVNWLDNKKDSKPFFLYVAFTEVHSPLASPKKYLDMYSQYMSDYQKQHPDLFYGDWADKPWRGTG EYYANISYLDAQVGKVLDKIKAMGEEDNTIVIFTSDNGPVTREARKVYELNLAGETDGLRGRKDNLWEGGIRVPAIIKYGKHLPKGMVSDTP VYGLDWMPTLANMMNFKLPTDRTFDGESLVPVLENKALKREKPLIFGIDMPFQDDPTDEWAIRDGDWKMIIDRNNKPKYLYNLKTDRFETI NQIGKNPDIEKQMYGKFLKYKADIDNDSLMKARGDK PEAVTWG Mutace!

42 Prim. Struktura - ZÁKONITOSTI: Primární struktura je zapsána v DNA (gen). Bílkoviny jeví druhovou specifitu (sekvenční homologie). Zákon isopolárních záměn. Polymorfismus bílkovin ("isobílkoviny").

43 Kovalentní struktura bílkovin (primární struktura + posttranslační modifikace) 1. Propojení řetězců kovalentními vazbami 2. Odštěpení částí řetězců 3. Úpravy postranních řetězců aminokyselin 4. Připojení mastných kyselin 5. Glykosylace 6. Fosforylace (dočasné či trvalé) 7. Připojení dalších prosthetických skupin (kofaktory enzymů...) 8. Metaloproteiny (koordinační kovalentní vazby různé síly)

44 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura Sekundární struktura Prostorové uspořádání polypeptidového řetězce (závisí na aminokyselinovém složení) otáčení peptidových vazeb kolem a-uhlíků atomy peptidové vazby se účastní na vzniku vodíkových vazeb - postranní řetězce aminokyselin R se vazeb neúčastní

45 Sekundární struktura

46

47

48 Ramachandran Plot

49

50 video

51 Pravotočivá šroubovice, stabilizovaná vodíkovými vazbami 3,6 aminokyselinových zbytků na jednu otáčku, R aminokyselin jsou orientovány ven. Všechny C=O a N-H skupiny peptidových vazeb jsou uloženy rovnoběžně s podélnou osou a-helixu. C=O skupina vázána vodíkovou vazbou ke čtvrté N-H skupině

52

53 video

54 Β-struktura (struktura skládaného listu) Segmenty natažených polypeptidových řetězců. Dva segmenty (polypeptidové řetězce) jsou stabilizovány vodíkovými vazbami mezi C=O a N-H skupinami dvou sousedních peptidových vazeb. Sousední polypeptidové řetězce uloženy antiparalelně nebo paralelně. Velký počet vodíkových vazeb udržuje strukturu v nataženém stavu

55 β - ohyb o Umožňuje otočení směru peptidového řetězce o Kyslík karbonylové skupiny jednoho residua je vázán H-vazbou na amidový proton o 3 residua dále o V těchto strukturách převažují prolin a glycin video

56 Motivy kombinace sekundárních struktur

57 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura terciární struktura Trojrozměrné uspořádání polypeptidových jednotek (doklubka nebo vlákna) Vzájemná interakce postranních řetězců aminokyselin.

58 Typy nekovalentních interakcí uplatňujících se v živých systémech

59 Stabilizace str.

60 Terciární uspořádání bílkoviny do domén Strukturní (acidic domain, proline-rich domain ) funkční (katalytické centrum, vazebné místo..) denaturace domén vede ke ztrátě funkce myoglobin

61 Domény strukturní, funkční

62 Model myoglobinu (2600atomů) 1961, Irving Geis, Philadelphia

63 Proteiny bílkoviny Hierarchická struktura Kvarterní struktura Komplex dvou a více polypeptidových řetězců - oligomery jsou dohromady spojeny nekovalentními vazbami

64 Figure 3-27a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

65

66 Figure 3-41 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

67 Figure 3-31 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) video

68 Molecular machines some macromolecular assemblies act as molecular machines, carrying out the most complex cellular processes by integrating individual functions into one coordinated process.

69 Příklady bílkovin s kvarterní strukturou

70 KEY CONCEPTS - Hierarchical Structure of Proteins A protein is a linear polymer of amino acids linked together by peptide bonds. Various, mostly noncovalent, interactions between amino acids in the linear sequence stabilize a specific folded three-dimensional structure (conformation) for each protein. The helix, strand and sheet, and turn are the most prevalent elements of protein secondary structure, which is stabilized by hydrogen bonds between atoms of the peptide backbone. Certain combinations of secondary structures give rise to different motifs, which are found in a variety of proteins and are often associated with specific functions Protein tertiary structure results from hydrophobic interactions between nonpolar side groups and hydrogen bonds between polar side groups that stabilize folding of the secondary structure into a compact overall arrangement, or conformation. Large proteins often contain distinct domains, independently folded regions of tertiary structure with characteristic structural or functional properties or both. The incorporation of domains as modules in different proteins in the course of evolution has generated diversity in protein structure and function. Quaternary structure encompasses the number and organization of subunits in multimeric proteins.

71 Vznik nativní struktury (konformace) proteinu.. Any polypeptide chain containing n residues could, in principle, fold into 8 n conformations. This value is based on the fact that only eight bond angles are stereochemically allowed in the polypeptide backbone. In general, however, all molecules of any protein species adopt a single conformation, called the native state; for the vast majority of proteins, the native state is the most stably folded form of the molecule. Figure 3-37a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

72 nejedná se o náhodný proces Levinthalův paradox řetězec 100 AMK se sbalí za cca 5s pokud by byly náhodně zkoušeny všechny možné konformace rychlostí trvalo by nalezení správné konformace s, stáří vesmíru je jen s...nicméně přesný model sbalování není znám... - energetická bilance procesu

73 Svinování (folding) - neprobíhá náhodným způsobem vyplývá z AA sekvence - probíhá postupně a) malé dočasné periodické struktury b) supersekundární struktury c) strukturní domény a "roztavená" glubule d) závěrečné úpravy za účasti enzymů - Potřebují bílkoviny ke svinování pomocníky? asistované sbalovaní chaperony

74 Denaturace a opětovné složení Denaturace je ztráta trojrozměrné struktury. Bílkovina ztrácí svoji funkci. Denaturace teplem zcela ruší slabé interakce (primárně narušuje vodíkové vazby). Krajní hodnoty ph mění celkový povrchový náboj, vznikají odpudivé elektrostatické síly a zanikají některé vodíkové vazby. Organická rozpouštědla a detergenty ruší hydrofóbní interakce Renaturace opětovné získání původní přirozené struktury.

75 Figure 3-35 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

76 Svinování (folding)

77 Dělení bílkovin podle jejich funkce stavební a podpůrné kolageny, elastin, keratiny (fibrilární) bílkoviny cytoskeletu (tubulin, vimentin, též pohyb) nukleoproteiny (histony, ribosomální bílkoviny) transportní a skladovací hemoglobin a myoglobin (O 2 ) transferrin a ferritin (Fe) sérový albumin (mast. kyseliny, bilirubin, hem...) apolipoproteiny (lipidy, cholesterol) cytochrom c (elektrony) bílkoviny zajišťující membránový transport pohyb aktin a myosin (+další) ochranné a obranné imunoglobuliny fibrinogen regulační hormony receptory (membránové a intracelulární) regulační bílkoviny proteosynthesy katalytická enzymy

78

79 Typy bílkovin Globulární bílkoviny Sféroidní tvar Variabilní molekulová váha Relativně vysoká rozpustnost Různé funkce katalytické, transportní, regulační (metabolismus, genové exprese) Fibrilární bílkoviny Tyčinkovitý tvar Malá rozpustnost Strukturální funkce v organismu Lipoproteiny (Komplexy protein + lipid) Glykoproteiny (Proteiny s kovalentně vázanými cukry)

80

81 OBECNÉ ZNAKY PROSTOROVÉHO USPOŘÁDÁNÍ "ORGANIZOVANÝCH" BIOPOLYMERŮ: o Nativní struktuře odpovídá minimum Gibbsovy energie, dané výhodností nekovalentních interakcí. onativní struktura je zakódována v kovalentní struktuře. o Prostorové uspořádání závisí na mnohočetných interakcích s okolím. o Prostorové uspořádání je jistým způsobem hierarchické. onativní struktura je vždy do jisté míry pohyblivá (konformační dynamické systémy). o Nativní struktura je kooperativní (náhlý denaturační přechod).

82 STRUKTURÁLNĚ-FUNKČNÍ VZTAHY

83 Hemoglobin a myoglobin Lidský hemoglobin má několik forem. Složen ze dvou a a dvou b podjednotek, které se liší primární strukturou. Váže čtyři molekuly kyslíku, přenáší kyslík krví z plic do tkání a buněk.

84 Hemoglobin a myoglobin Myoglobin má jeden polypeptidový řetězec, váže jednu molekulu kyslíku. Váže a uvolňuje kyslík v cytoplasmě svalových buněk. Hemoglobin a myoglobin obsahují prostetickou skupinu hem.

85 Protilátky Molekula imunoglobulinu je tetramer dva řetězce těžké H dva řetězce lehké L Třídy imunoglobulinů: IgG IgM IgA IgD IgE

86 Kontraktilní svalové bílkoviny tlustá filamenta myosin tenká filamenta aktin, tropomyosin, troponin G-aktin globulární protein, F-aktin fibrilární protein jednou z důležitých biologických vlastností myosinu je schopnost spojovat se s aktinem za vzniku svalové kontrakce

87 Membránové bílkoviny Integrální membránové proteiny Periferní membránové proteiny Kanály a póry Membrána erytrocytu a-podjednotka napěťově řízeného sodíkového kanálu

88 Enzymy biokatalyzátory každá (metabolická) reakce má svůj enzym Ligand - substrát