MOLEKULOVÉ MODELOVÁNÍ - STRUKTURA Monika Pěntáková Katedra Farmaceutické chemie
Chemická struktura a geometrie KONFORMACE = můžeme změnit pouhým otočením kolem kovalentní vazby KONFIGURACE = při změně musí dojít k přerušení kovalentní vazby a vytvoření nové Geometrie poloha všech atomů + znalost mezi kterými je kovalentní vazba (topologie) Poloha atomů kartézké souřadnice (x, y, z) 3N údajů 3 hodnoty udávají polohu těžiště molekuly, další 3 natočení molekuly jako celku (vzhledem k souřadné soustavě) zbývající údaje je vzájemná poloha atomů vnitř molekuly (vnitřní souřadnice molekuly) C=C (cis a trans), C-C (gauche +60 ; gauche -60 ; trans 180 ) sin = průměty vazeb AB a CD pootočeny <90 (leží ve stejné polovině kruhu); anti = pootočeny o >90 (leží v opačné polovině kruhu) Čtveřice atomů v jedné rovině = periplanární, ve dvou rovinách = klinální)
Síly působící v biomolekulách Kovalentní vazby určují konformaci Vodíkové vazby vodíkem (vázaným velmi polární vazbou) atomu donor a akceptor poskytující volné estérické odpuzování e- (repulze) překrývají se oblasti e-, klesá s x12 vzdálenosti Iontové interakce elektrostatické odpouzování stejně nabitých iontů a přitahování opačně nabitých. Je nepřímo úměrná el.permitivitě prostředí (ve vodě 80x slabší než ve vakuu) Dipólové interakce síly mezi el.dipóly (v jedné části molekuly je nadbytek kladného náboje a v jiné části nadbytek záporného náboje). Má každá polární vazba. Klesá s x3 vzdálenosti. Van der Waalsovy interakce indukované dipóly (krátkodobě v důsledku el.působení okolí) VdW int. mezi všemi částmi molekuly Iontové int. ionizované skupiny Dipól int. polární části molekuly jen určité atomy (O, N, S) H-vazby
Interakce s okolím (makromolekula - voda) Vodíkové vazby ven z makromolekuly, s rozpouštědlem - dovnitř, mezi sebou Ionizované postranní řetězce rozmístění tak, aby náboje opačného znaménka co nejvíc přitahovaly a stejného znaménka co nejméně odpouzovaly. - ven interakce s ionty rozpuštěných solí - dovnitř iontová vazba mezi sebou navzájem Polární postranní řetězce interakce dipólů s ionty a ostatními dipóly byly co nejvýhodnější - ven s ionty rozpuštěných solí nebo dipóly rozp. - dovnitř s ionizovanými postr.řetězci, ionty pevně vázanými na makromolekulu Nepolární postranní řetězce budou se snažit směřovat dovnitř makromolekuly (hydrofóbní efekt). Výjimka proteinů v lipidové membráně (nepolární látka)
Struktura proteinů STAVEBNÍ JEDNOTKY Α-L-aminokyseliny spojováním karboxylových a aminových skupin = peptid, peptidová vazba tvoří páteř a zbytek molekuly postranní řetězec (AMK rezidua) 2 10 AMK oligopeptidy 11 100 AMK polypeptidy > 100 AMK proteiny 20 proteinogenních AMK různost postranních řetězců různé fyzikální a chemické vlastnosti
Struktura proteinů AMK schopny vytvářet iontovou vazbu - Arg, Lys tvoří kationty v kyselém a neutrálním prostředí - His tvoří kationty v kyselém prostředí - Asp, Glu v neutrálním a zásaditém prostředí - Cys v zásaditém - Tyr v silně zásaditém V hydrofóbním jádře proteinu se budou postranní řetězce hůře ionizovat; kationty až při nižší ph a anionty až při vyšším ph Postranní řetězce AMK schopny vytvářet H-vazbu - všechny, co tvoří ionty - plus Ser, Thr, Asp, Gln, Trp Hydrofobicita - Pro, Leu, Ile, Val, Ala, (dána délkou alifatického řetězce) - aromatické AMK (Trp, Tyr, Phe), sirné (Cys, Met) Malé postranní řetězce (Gly, Ala, Ser, Thr) zvýšená volnost okolí Pro (cyklický postranní řetězec) omezuje možné konformace páteře Cys disulfidová vazba (může mít zásadní vliv na konformaci)
Struktura proteinů PRIMÁRNÍ STRUKTURA Pořadí (sekvence) AMK (konfigurace proteinu) Začíná N-terminální AMK (obsahuje volnou aminoskupinu) Končí C-terminální AMK (obsahuje volnou karboxyskupinu) Tímto směrem probíhá syntéza proteinů v buňce. Pořadí AMK je dán genetickým kódem zapsán v DNA, každým třem jednotkám DNA (kodón) odpovídá jedna monomerní jednotka (AMK)
Struktura proteinů SEKUNDÁRNÍ STRUKTURA pravidelný, libovolně opakovatelný konformační motiv polypeptidové páteře Struktura alfa pravotočivá šroubovice (helix) 3.6 AMK na otočku stabilizována H-vazbami (orientovány rovnoběžně s osou helixu) energeticky nejvýhodnější stočená forma
Struktura proteinů Struktura beta maximálně rozvinutá konformace peptidové páteře stabilizována H-vazbami přibližně kolmo k ose páteře paralelní x antiparalelní mírně levotočivě zkroucené (Φ = -119, ψ = +113 )
Struktura proteinů TERCIÁLNÍ STRUKTURA skládání do přibližně globulárních molekul Spojovací díly: Ohyby (Turns) - inverzní ohyb jedna AMK - reverzní ohyby (I, II a III) nejčastěji dvě AMK, stabilizované Hvazbou, často se vyskytují na povrchu Supersekundární motiv struktury α a β jsou spojeny ohybem Foldy kombinace supersekundárních motivů Domény struktury s funkční autonomií
Struktura proteinů Alfa proteiny Supersekundární motiv dvojice antiparaleních α-šroubovic - helix-turn-helix (DNA binding protein, calcium binding protein) Svazek antiparaleních helixů (fold) helix bundle - stabilizace šroubovice jsou výhodně orientovány tak, aby nepolární residua mířily dovnitř a polární do solventu Foldy tvořené vzájemně pootočenými šroubovicemi často leží v hranách pomyslných mnohostěnů (získat zhruba kulový tvar z rovných úseků sek.struktur)
Struktura proteinů Alfa domény 1) Globinový fold (ovinutí kolem sebe) 2) Membránové proteiny (hydrofóbní prostředí uvnitř membrány) 3) Fibrilární s expondovanou strukturou (postranní řetězce šroubovice zapadají do postranních řetězců druhé = zip)
Struktura proteinů Beta proteiny Supersekundární struktura Beta-turn-beta = β-vlásenka (β-hairpin) Foldy - β-meandry - Řeckého klíče (Greek key) - Rolády (jellyroll) - β-sendvič -β-soudek (β-barrel) - β-propeller (listy uspořádány jako lopatky vrtule)
Struktura proteinů Alfa / beta proteiny Supersekundární motiv β-α-β Roosmanův fold (vazebné místo pro nukleotidy) TIM-barrel Kvartérní struktura proteiny mohou dále agregovat a tvořit větší systémy (ribozóm)
Struktura nukleových kyselin Nukleotidový řetězec Kanonické párování Watson-Crick Nekanonické párování Hoogsteen Sugar edge
Struktura nukleových kyselin Popis cukrfosfátové páteře je třeba 6 úhlů K určení geometrie je třeba určit konformaci furanosového kruhu a glykosidický torzní úhel (+ další 2 úhly) Pentosový kruh konformace obálkové, zkřížené židličky; - každý z pěti atomů může být nad (endo) nebo pod (exo) rovinou cyklu popsány pseudorotací
Struktura nukleových kyselin Cukrfosfátová páteř ovíjí dvojšroubovici zvenčí Zbytky kys.fosforečné jsou velmi dobře přístupné Báze jsou uvnitř ne však zcela skryté jsou zde dostatečně široké žlábky, které dovolují jiným molekulám interagovat s bázemi Helikální parametry vzájemné polohy bází
Struktura nukleových kyselin do velkého hlubokého žlábku směřuje hrana purinů/ pyrimidinů (Hoogsteenova), do malého mělkého žlábku směřuje hrana glykosidické vazby (Sugar-edge)
Struktura nukleových kyselin Kvadruplex Triplex DNA
Struktura nukleových kyselin RNA ráj neobvyklých struktur
Struktura nukleových kyselin Sekundární struktura RNA
Struktura nukleových kyselin Sarcin-ricinová smyčka Vazba elongačních proteinů Koncová smyčka (hairpin loop)
Struktura nukleových kyselin Interní smyčka (záporný els potenciál, výskyt významných hydratačních míst) Bulged base
Struktura nukleových kyselin Terciární struktura RNA Pseudoknots Kissing hairpin Triplehelix Loop helix contact
Struktura nukleových kyselin Síly stabilizující strukturu 1) Vodíkové vazby 2)Vertikální interakce (Stacking) 3)Dispérzní x repulzní interakce 4)Interakce s ionty 5)Hydratace
Děkuji za pozornost