Mi mekkora? Fehérjék a Biológiába és a Nanotechnológiában. Plenty of Room at the Bottom. Hullám részecske kettősség 2/15/17

Hasonló dokumentumok
A fehérjéket felépítő húsz standard aminosav Fehérjék szerkezetének kialakulása

A fehérjéket felépítő húsz standard aminosav

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

Biomolekuláris rendszerek. vizsgálata. Semmelweis Egyetem. Osváth Szabolcs

Fehérjék szerkezetének kialakulása II

Biopolimer 12/7/09. Makromolekulák szerkezete. Fehérje szerkezet, és tekeredés. DNS. Polimerek. Kardos Roland DNS elsődleges szerkezete

Fehérjeszerkezet, és tekeredés. Futó Kinga

DNS, RNS, Fehérjék. makromolekulák biofizikája. Biológiai makromolekulák. A makromolekulák TÖMEG szerinti mennyisége a sejtben NAGY

1b. Fehérje transzport

Több oxigéntartalmú funkciós csoportot tartalmazó vegyületek

Fehérjék szerkezetének kialakulása II. Semmelweis Egyetem. Osváth Szabolcs

Makromolekulák. Fehérjetekeredé. rjetekeredés. Biopolimer. Polimerek

A fehérjék szerkezeti hierarchiája. Fehérje-szerkezetek! Klasszikus szerkezet-funkció paradigma. szekvencia. funkció. szerkezet! Myoglobin.

A BIOLÓGIAI JELENSÉGEK FIZIKAI HÁTTERE Zimányi László

A fehérjék szerkezete és az azt meghatározó kölcsönhatások

transzláció DNS RNS Fehérje A fehérjék jelenléte nélkülözhetetlen minden sejt számára: enzimek, szerkezeti fehérjék, transzportfehérjék

3. Sejtalkotó molekulák III. Fehérjék, enzimműködés, fehérjeszintézis (transzkripció, transzláció, poszt szintetikus módosítások)

A rácsmodell. Szabadenergia felületek.

Hemoglobin - myoglobin. Konzultációs e-tananyag Szikla Károly

FEHÉRJÉK A MÁGNESEKBEN. Bodor Andrea ELTE, Szerkezeti Kémiai és Biológiai Laboratórium. Alkímia Ma, Budapest,

Bio-nanorendszerek. Vonderviszt Ferenc. Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék

Fehérjék felépítése és struktúrája. Aminosav oldalláncok. A fehérjék királis elemekből (α-l-aminosavakból) épülnek fel

Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások Definíciók

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK AZ ÉLŐ SZERVEZETEK KÉMIAI ÉPÍTŐKÖVEI AZ AMINOSAVAK ÉS FEHÉRJÉK 1. kulcsszó cím: Aminosavak

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

A fehérjék hierarchikus szerkezete

Peptidek és fehérjék 1. Fehérjék Fehérjetekeredés. Fehérje (protein) Fehérje (protein) Aminosavak. Aminosavak

Molekuláris motorok működése

A fehérjék szerkezetét fenntartó kölcsönhatások

Prolinizomerizáció. A diszulfidhidak képzõdése.

Biomolekuláris rendszerek. vizsgálata. Semmelweis Egyetem. Osváth Szabolcs

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

3. A kémiai kötés. Kémiai kölcsönhatás

6. Zárványtestek feldolgozása

Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

Transzláció. Szintetikus folyamatok Energiájának 90%-a

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

Víz. Az élő anyag szerkezeti egységei. A vízmolekula szerkezete. Olyan mindennapi, hogy fel sem tűnik, milyen különleges

Fehérjeszerkezet, fehérjetekeredés

Szimulációk egyszerősített fehérjemodellekkel. Szilágyi András

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

Kolloid állapotjelzők. Molekuláris kölcsönhatások. Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek

TEMATIKA Biokémia és molekuláris biológia IB kurzus (bb5t1301)

Peptidek és fehérjék szerkezetvizsgálata spektroszkópia és in silico módszerekkel

Folyadékok és szilárd anyagok

Altalános Kémia BMEVESAA101 tavasz 2008

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Tartalom. A citoszkeleton meghatározása. Citoszkeleton. Mozgás a biológiában A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER 12/9/2016

A felgombolyodás problémája

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER FUTÓ KINGA

Az élő anyag szerkezeti egységei: víz, nukleinsavak, fehérjék. elrendeződés, rend, rendszer, periodikus ismétlődés

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

POSZTTRANSZLÁCIÓS MÓDOSÍTÁSOK: GLIKOZILÁLÁSOK

Vezetők elektrosztatikus térben

AZ ANYAGI HALMAZOK ÉS A MÁSODLAGOS KÖTÉSEK. Rausch Péter kémia-környezettan

Ciklodextrinek alkalmazási lehetőségei kolloid diszperz rendszerekben

AZ ÉLET KÉMIÁJA... ÉLŐ ANYAG SZERVEZETI ALAPEGYSÉGE

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Biológiai makromolekulák szerkezete

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER (Nyitrai Miklós, )

Sejtmozgás és adhézió Molekuláris biológia kurzus 8. hét. Kun Lídia Genetikai, Sejt és Immunbiológiai Intézet

Atomi, illetve molekuláris kölcsönhatások és alkalmazásaik

Fehérje szintézis 2. TRANSZLÁCIÓ Molekuláris biológia kurzus 7. hét. Kun Lídia Genetikai, Sejt- és immunbiológiai Intézet

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Fehérjebiotechnológia Emri, Tamás Csősz, Éva Tőzsér, József Szerkesztette Tőzsér, József, Debreceni Egyetem

Az elektromágneses hullámok

BIOKÉMIA. Simonné Prof. Dr. Sarkadi Livia egyetemi tanár.

Atomszerkezet. Atommag protonok, neutronok + elektronok. atompályák, alhéjak, héjak, atomtörzs ---- vegyérték elektronok

Enzimek. Enzimek! IUBMB: szisztematikus nevek. Enzimek jellemzése! acetilkolin-észteráz! legalább 10 nagyságrend gyorsulás. szubsztrát-specificitás

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

A kovalens kötés polaritása

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

TRANSZPORTFOLYAMATOK 1b. Fehérjék. 1b. FEHÉRJÉK TRANSZPORTJA A MEMBRÁNONOKBA ÉS A SEJTSZERVECSKÉK BELSEJÉBE ÁLTALÁNOS

2007/11/05 Molekuláris biológia előadások - Putnoky 1-1

Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis. Fehérjeszerkezet analízis

Atomi és molekuláris kölcsönhatások. Pásztázó tűszondás mikroszkópia.

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Reakciókinetika és katalízis

A kémiai kötés magasabb szinten

Mivel foglalkozik a hőtan?

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

Számítógépek és modellezés a kémiai kutatásokban

Felgombolyodási kinetikák, mechanizmusok

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Az élő sejt fizikai Biológiája:

Minek kell a matematika? (bevezetés)

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Energiaminimum- elve

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Átírás:

Fehérjék a Biológiába és a Nanotechnológiában Mi mekkora? Osváth Szabolcs Semmelweis Egyetem osvath.szabolcs@med.semmelweis-univ.hu Plenty of Room at the Bottom " The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; but in practice, it has not been done because we are too big." Richard Feynman, 1959 Hullám részecske kettősség fluorofullerén C 60 F 48 1632 Da Louis De Broglie: λ = h/p tetrafenilporfirin C 44 H 30 N 4 L Hackermuller, S Uttenthaler, K Hornberger, E Reiger, B Brezger, A Zeilinger, M Arndt; Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 90408 1

Hullám részecske kettősség Nanotechnológia Nanotechnológia: Az 1 nm 100 nm mérettartományba eső anyagok (részecskék) létrehozása és felhasználása. Scanning Tunneling Microscope (STM) kép Nanobiotechnológia: a nanotechnológia alkalmazása a biológiai alapkutatásban, diagnosztikában és gyógyításban. A nanotechnológia elnevezés Norio Taniguchi nevéhez köthető (1974). A nanotechnológia két megközelítésmódja Életfolyamatok - nanotechnológia Top-down: Egy makroszkopikus darabból kiindulva jutunk el a mikroszkopikus méretig a fölösleges részek eltávolításával (pl. nanopórusok készítése aluminiumoxidban elektrokémiai maratással.) 300 nm 2

A nanotechnológia két megközelítésmódja Természetes nanostruktúrák S-layer fehérjéből (TEM felvétel) Bottom up: Atomonként vagy molekulánként a részekből rakjuk össze a nanoeszközt (pl. DNS molekulák önszerveződése futballlabdákká ). Nanostruktúrák litográfiája S-layer fehérjével Gyógyszerszállító nanocsövek tubulinból és lipidekből 3

HSA nanocsövek Humán Szérum Albuminból (HSA) nanoporózus polikarbonát membránon növesztett nanocsövek. F 1 -ATPáz által hajtott nikkel propeller Fénnyel működtetett úszó szerkezet Biopolimerek reakció t 1/2 25 ºC-on t 1/2 100 ºC-on egy polimerben lévő kötések tipikus száma hányfajta monomer DNS hidrolízis 140 000 év 22 év 3 10 9 (humán DNS) 4 RNS hidrolízis 4 év 9 nap néhány tucat (trns) 4 fehérje hidrolízis 400 év 5.5 hét néhány száz 20 4

A fehérjéket felépítő húsz standard aminosav A peptidkötés Fehérjék szerepe élő rendszerekben - kémiai katalízis - transzport - energia átalakítás és tárolás - koordinált mozgás - mechanikai váz - immunválasz - molekuláris felismerés - információ továbbítás - génreguláció - növekedés és differenciálódás Fehérjék szerkezetének kialakulása 5

Szerkezet és működés kapcsolata Röntgen krisztallográfiás szerkezetmegállapítás A molekuláris szinttől az ökoszisztémáig a biológiai rendszerek szerkezete és működése között nagyon szoros kapcsolat van. Hartmut Michel, Johann Deisenhofer, Robert Huber 1982 szerkezet meghatározás 1988 Nobel díj NMR szerkezetmegállapítás A natív szerkezetet stabilizáló kölcsönhatások Rövid távú taszítás Van der Waals kölcsönhatás Elektrosztatikus kölcsönhatás Hidrogénkötés Hidrofób kölcsönhatás Diszulfidhidak Az Src fehérje 64 aminosavból álló SH3 doménjének NMR szerkezete 6

Rövid távú taszítás Van der Waals kölcsönhatás Az elektronpályák taszítása miatt kis távolságokon erős taszítás lép fel. A távolság csökkenésével gyorsan (~ 1/r 12 ) nő a kölcsönhatásból származó potenciális energia. Bármely két atom között hatnak, az indukált dipólmomentumok kölcsönhatása miatt. A kölcsönhatási energia távolságfüggése: ~ 1/r 6 Meghatározott sugarú, kemény gömböknek tekinthetjük az atomokat (Van der Waals-sugár). Elektrosztatikus kölcsönhatás A Coulomb kölcsönhatás energiájának távolságfüggése: q Q E = 4 π ε * ε + r Hidrogénkötés Nagy elektronegativitású atomhoz kapcsolódó hidrogének között jön létre, nagyrészt elektrosztatikus kölcsönhatás. A relatív dielektromos állandó a fehérje belsejében kb. 4, a vízben kb. 80. Sóhidak jöhetnek létre ionpárok között (Lys, Arg és Glu, Asp). Vizes közegben a töltések körött nagyméretű hidrát burok van. A vizes fázisban lévő mobilis ionok erősen árnyékolják a töltéseket. 7

Hidrofób kölcsönhatás Ha apoláros molekulát vízbe teszünk, a víz az apoláros molekulával nem tud H-kötést képezni, ezért a víz az apoláros molekula körül erősen rendeződik. Ez nagy entrópiacsökkenést eredményez. Az entrópiacsökkenés arányos az apoláros molekula felszínével. Ha a fehérje apoláros részei egymás mellé rendeződnek, a víznek kitett apoláros felszín csökken, a fehérje-víz rendszer entrópiája nő, a szabadentalpiája csökken. Ez a fehérje kompakt szerkezetbe szerveződésének fő hajtóereje Diszulfidhíd A natív szerkezetet azáltal stabilizálja, hogy a kigombolyodott polipeptid lánc konformációs entrópiáját csökkenti: ΔS = - 2,1 J/K - 1,5 R ln n ahol n a két ciszteint elválasztó aminosavak száma. Minél távolabbi aminosavak vannak összekapcsolva, annál nagyobb az entrópiaváltozás, és a stabilizáló hatás. A hidrofób részek fenti egymásmellé rendeződési tendenciáját szokták hidrofób kölcsönhatásnak nevezni. Anfinsen dogma A fehérje gombolyodási probléma jelentősége Ribonukleáz A-val végzett kísérlet Christian B. Anfinsen A molekuláris biofizika egyik legérdekesebb kérdése. A genetikai adatbázisokat el tudjuk olvasni, de nem értjük a szavakat, a megértésükhöz a gombolyodási probléma megoldása a kulcs. Mintegy két tucat konformációs betegség: bizonyos körülmények között rosszul gombolyodott fehérjék aggregálódnak és ú.n. amiloid plakkokat képeznek (pl. Creutzfeld-Jakob kór, Alzheimer-kór, Parkinson-kór) A 3D szerkezet kialakításához szükséges információ a fehérje szekvenciájában van kódolva 8

In vitro és in vivo gombolyodás összehasonlítása Ko-transzlációs gombolyodás in vitro in vivo in vivo kigombolyított fehérje felgombolyodott fehérje különbségek: - az egész szekvencia kész van / szintézis közben gombolyodik (ko-transzlációs gombolyodás) - a sejtbeli környezet zsúfolt felgombolyodott fehérje Az épp szintetizálódó fehérje C terminálisának 20-30 aminosavja a riboszómában van elrejtve, a gombolyodásban még nem vesz részt. Az épp szintetizálódó fehérje előbukkanó N vége elkezd gombolyodni (másodlagos, harmadlagos szerkezeti elemek kialakulása, folding domének gombolyodása) még a szintézis teljes befejezése előtt. felgombolyodott fehérje Molekuláris zsúfoltság Molekuláris zsúfoltság hatása in vitro <0.1 mg/ml E. coli citoszol ~340 mg/ml Molekuláris zsúfoltság: a térfogat (citoplazma) jelentős részét nem víz tölti ki, hanem más molekulák. riboszóma chaperon fehérjék nukleinsavak más makromolekulák In vitro kísérletekben - hiányozhatnak kapcsolódó partner molekulák - hiányozhatnak poszttranszlációs változtatások - nagyon más lehet a fiziko-kémiai környezet, mint a sejtben - disszociációs konstansok lecsökkennek - megnövekszik a fehérje-fehérje kapcsolódás sebessége - a denaturált vagy részlegesen denaturált fehérjék asszociációja meggyorsul. 9

2/15/17 GroEL/ES chaperon szerkezete és működési ciklusa A fehérje diszulfid izomeráz működése humán protein diszulfid izomeráz szerkezete Prolin cisz-transz izomerizáció A cisz és transz prolinhoz tartozó állapotokat elválasztó aktivációs gát miatt a cisz prolin jelenléte a natív szerkezetben: - gyorsítja a kezdeti gyors gombolyodási lépéseket - lassítja a natív szerkezet kialakulásának végső lépéseit. PPIase (peptidyl-prolyl isomerase) katalizálja az izomerizációt. A fehérje sorsa az eukarióta sejtben citoszol...fehérje szintézis, gombolyodás extracelluláris tér...felgombolyodott fehérje export mitokondrium...limitált fehérje szintézis kloroplasztisz...limitált fehérje szintézis endoplazmatikus retikulum... kigombolyodott fehérje import peroxiszóma...felgombolyodott fehérje import sejtmag...felgombolyodott fehérje import lizoszóma...kigombolyodott fehérje import PPIase szerkezete 10

Ideális véletlen lánc Levinthal paradoxona Az ideális véletlen lánc olyan modellje a polimereknek, amelyikben a láncszemek tetszőlegesen foroghatnak egymáshoz képest, és a monomer egységek között minden kölcsönhatást elhanyagolunk. L = N l; N darab l hosszú monomerből áll a lánc L a lánc összes hossza Cyrus Levinthal Vizsgáljuk egy 151 aminosavból álló fehérje gombolyodását. Tegyük fel, hogy mind a 150 kötés orientációja csak két értéket vehet fel, és hogy a kötések átfordulásának ideje 10-13 s. Ha a fehérje véletlen bolyongással keresné a natív szerkezetét, 2 150 *10-13 s= 4,6 10 24 év alatt találná meg (A Föld kialakulása óta eltelt idő: 4,6 10 9 év). <R 2 > = L l R G 2 = l 2 N/6 A fehérje fázistere túl nagy ahhoz, hogy a fehérje véletlen bolyongással találjon rá az aktív szerkezetre Kinetikus útvonalak, intermedier állapotok Energia felszín modellek (új szemlélet) Minden fehérjére létezik egy szerkezet amelyik a legstabilabb. A fehérje képes ezt az állapotot megtalálni egy kinetikus intermedier állapotokból kirajzolódó útvonalat követve. Az intermedier állapotokban történő csapdázódás elkerülését in vivo fehérje diszulfid izomerázok, peptidil prolil izomerázok és chaperonok segítik. A fehérje minden egyes konformációjához rendeljünk hozzá az állapot szabadentalpiaáját (Gibbs féle szabadenergia). Állandó hőmérsékleten és nyomáson a rendszer az alacsonyabb szabadentalpia felé fog tartani. A fehérje nem bolyongja be az egész fázisteret, hanem a kigombolyodott állapotból kiindulva egyre kisebb energiák felé tart. 11

Simafalú tölcsér Gödrös tölcsér A tölcsér pereme a kitekert állapotokat jelenti, amelyekből kiindulva a rendszer a legalacsonyabb energiájú natív állapot felé igyekszik. A kitekert állapotból a natív állapot felé igyekvő fehérje a gödrökben ideiglenesen csapdába tud esni. Ez folding intermedier állapotok felhalmozódásához vezet. A régi és az új szemlélet összehasonlítása Levinthal paradoxonának energiafelszín megfogalmazása régi szemlélet meghatározott útvonal jól elkülöníthető állapotok egymást követő lépések sorozata klasszikus reakciókinetika alkalmazása fehérjékre új szemlélet energiafelszín állapotok sokasága párhuzamosan futó gombolyodási reakciók spinüvegekre kidolgozott statisztikus fizika alkalmazása fehérjékre A kitekert állapotok között nincs energiakülönbség, a felszín nem vezeti a molekulákat a natív szerkezet felé. A natív szerkezet kialakulása csak a hatalmas fázistér véletlen bebarangolásával található meg. 12

Átlagolás a kevésbé fontos koordináták szerint Rendezettség kialakulása a gombolyodás során Olvadt gombóc állapotok Destabilizálás hatása az energiafelszínre Oleg Ptitsyn megjósolta egy köztes állapot létezését amely: Mechanikai húzóerő hatása - kompakt, globuláris - natív szerű másodlagos szerkezete van - nemspecifikus hidrofób kölcsönhatások stabilizálják - hasonlít a natív szerkezethez - nincs merev harmadlagos szerkezete 13

Lizozim gombolyodásának energiafelszín leírása Egy kis fehérje gombolyodása több párhuzamos úton hélix kialakulás és kollapszus több párhuzamos úton további kollapszus és hélix kialakulás diffúzió és ütközés típusú mechanizmus A natív szerkezet hatása a gombolyodás kinetikájára A tranziens állapot vizsgálata Φ érték analízissel A kisebb kontaktus rendű szerkezetek gyorsabban gombolyodnak, mint a magasabb kontaktus rendűek. A korreláció a natív kontaktusok átlagos távolsága és gombolyodás sebessége között 6 nagyságrenden keresztül fennáll. 14

A tranziens állapot vizsgálata Φ érték analízissel Kísérlet és elmélet: BBA5 minifehérje folding Kísérlet és elmélet: PGK folding Kísérlet és elmélet: PGK folding 5 C(t) = 1 a 3 τ 3 367 exp 8 t τ 3 : a n = a 1 α n-1 (0<α<1) τ n = τ 1 λ n-1 (λ>1) N hatványfüggvény C(t) [1 + (t/τ 7 )] 1 ln@ / lna 15