Egyedi molekula vizsgálatok

Hasonló dokumentumok
Nanomedicina Szimpózium, Nanomechanika: Egyedi Biomolekulák Manipulálása. Kellermayer Miklós

Rövid anyagtudomány. Biomolekulák és sejtek mechanikai tulajdonságai ÉL SEJT: MOLEKULAGÉPEZETEK SOKASÁGA MIÉRT EGYEDI MOLEKULÁK?

Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

Az élő sejt fizikai Biológiája: motorfehérjék, egyensúlytól távoli folyamatok

Miért egyedi molekulák? Miért egyedi molekulák? Biomolekulák és sejtek mechanikai tulajdonságai. Élő sejtben: molekulagépezetek sokasága

Miért egyedi molekulák?

Polimerlánc egyensúlyi alakja. Féregszerű polimermodell (Wormlike chain) WLC (wormlike chain): Entropikus rugalmasság vizualizálása

A diffúzió csak rövid méretsálán gyors. Az élő sejt fizikai Biológiája: Diffúzió, polimerizáció, reptáció

Az élő sejt fizikai Biológiája: TERMODINAMIKAI ÁRAMOK. Tematika ANYAGÁRAM (DIFFÚZIÓ) Diffúzió, polimerizáció, reptáció. Kellermayer Miklós

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

11/15/10! A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER! Polimerizáció! Polimerizációs egyensúly! Erő iránya szerint:! 1. valódi egyensúly (aktin)" Polimer mechanika!

Citoszkeleton. Sejtek rugalmassága. Polimer mechanika: Hooke-rugalmasság. A citoszkeleton filamentumai. Fogászati anyagtan fizikai alapjai 12.

Kollár Veronika

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER (Nyitrai Miklós, )

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

Makromolekulák. Fehérjetekeredé. rjetekeredés. Biopolimer. Polimerek

A biológiai mozgások. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai 4/22/2015. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Szerkezeti homológia

A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai

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

Biomolekulák mint polimerek. Milyen alakúak a biopolimerek? 4/22/2015. Biopolimerek osztályozása hajlékonyságuk alapján

BIOMECHANIKA 2 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

A biológiai mozgások. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai. Motorfehérjék. Motorfehérjék közös tulajdonságai

Biofizika I

Orvosi Biofizika II. A Biomechanika története. Mechanikai alapok. Biomechanika: Biomolekuláris és szöveti rugalmasság

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

A harántcsíkolt izom struktúrája általános felépítés

Dinamikus fehérjerendszerek a sejtben

A citoszkeleton. A citoszkeleton, a motorfehérjék, az izom és működésének szabályozása. A citoszkeleton. A citoszkeleton.

Makromolekulák. Biológiai makromolekulák. Peptidek és fehérjék. Biológiai polimerek. Nukleinsavak (DNS vagy RNS) Poliszacharidok. Peptidek és fehérjék

A citoszkeletális rendszer, a harántcsíkolt izom biofizikája.

Atomi és molekuláris kölcsönhatások. Pásztázó tűszondás mikroszkópia.

A citoszkeletális rendszer, motorfehérjék.

A motorfehérjék definíciója. A biológiai motorok 12/9/2016. Motorfehérjék. Molekuláris gépek. A biológiai mozgás

A fluoreszcencia orvosibiológiai. alkalmazásai. Fluoreszcencia forrása I. Fluoreszcencia alkalmazások. Kellermayer Miklós

A citoszkeletális rendszer, motorfehérjék.

A citoszkeletális rendszer

BIOMECHANIKA 3 Erőhatások eredete és következményei biológiai rendszerekben

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER FUTÓ KINGA

EGYMOLEKULA BIOFIZIKA

Szakmai beszámoló. az F49514 számú, című ifjúsági OTKA pályázathoz

Biomolekuláris szerkezet és dinamika vizsgálata. Gerjesztés során elnyelt energia sorsa. Fluoreszcencia és különleges alkalmazásai

Víz. A víz biofizikája. A vízmolekula szerkezete. A vízmolekula dinamikája. Forgó-rezgő mozgás

Ragyogó molekulák: dióhéjban a fluoreszcenciáról és biológiai alkalmazásairól

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

A víz biofizikája. Víz. A vízmolekula szerkezete. Újsághír. Egy (1) tudta mindössze, hogy a vízről van szó...

Biofizika I

A fehérjéket felépítő húsz standard aminosav Fehérjék szerkezetének kialakulása

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

A titin PEVK domén aktinkötő és mechanikai tulajdonságai

A fehérjéket felépítő húsz standard aminosav

Az élő sejt fizikai Biológiája:

Sejtciklus. Sejtciklus. Centriólum ciklus (centroszóma ciklus) A sejtosztódás mechanizmusa. Mikrotubulusok és motor fehérjék szerepe a mitózisban

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER Bugyi Beáta PTE ÁOK, Biofizikai Intézet. 9. A sejtmozgás mechanizmusai

2. AKTIN-KÖTŐ FEHÉRJÉK

Orvosi Biofizika. Tematika. Biomolekuláris rendszerek mérettartománya. A tudományos igazság alapja Termodinamika. Komplexitás. Kellermayer Miklós

A citoszkeleton. A citoszkeleton, a motorfehérjék, az izom és működésének szabályozása. A citoszkeleton. A citoszkeleton. Az aktin.

Dinamikus fehérjerendszerek a sejtben. Kellermayer Miklós

Rövid ismertető. Modern mikroszkópiai módszerek. A mikroszkóp. A mikroszkóp. Az optikai mikroszkópia áttekintése

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

Biomolekuláris rendszerek. vizsgálata. Semmelweis Egyetem. Osváth Szabolcs. A mikroszkópok legfontosabb típusai

Történeti áttekintés. Eukarióta. Prokarióta. A citoszkeletális rendszer. Motorfehérjék. A biológiai mozgás molekuláris mechanizmusai.

Kollokviumi vizsgakérdések biokémiából humánkineziológia levelező (BSc) 2015

A SZARKOMERIKUS FILAMENTUM-RENDSZEREK ÖSSZESZERVEZŐDÉSÉÉRT FELELŐS MECHANIZMUSOK VIZSGÁLATA


Bio-nanorendszerek. Vonderviszt Ferenc. Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék

Flagellin alapú filamentáris nanoszerkezetek létrehozása

Motorfehérjék november 30.; Nyitrai

Jellemzői: általában akaratunktól függően működik, gyors, nagy erőkifejtésre képes, fáradékony.

Biomolekuláris nanotechnológia. Vonderviszt Ferenc PE MÜKKI Bio-Nanorendszerek Laboratórium

Az élő sejt fizikai Biológiája Kellermayer Miklós

Hemoglobin - myoglobin. Konzultációs e-tananyag Szikla Károly

A titin óriásfehérje nanomechanikája

Fizikai biológia. Modellépítés kiinduló szempontjai. Mitől élő az élő? Az élő sejt fizikai Biológiája

Biokémiai kutatások ma

Röntgen-gamma spektrometria

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA AZ IZOMMŰKÖDÉS 1. kulcsszó cím: A SZERVEZETBEN ELŐFORDULÓ IZOM- SZÖVETEK TÍPUSAI 1. képernyő cím: Sima izomszövet

A citoszkeleton Eukarióta sejtváz

A citoszkeletális rendszer

Fehérjeszerkezet, és tekeredés. Futó Kinga

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

Sejt. Aktin működés, dinamika plus / barbed end pozitív / szakállas vég 1. nukleáció 2. elongáció (hosszabbodás) 3. dinamikus egyensúly

Orvosi Biofizika II. Szigorlati tételsor Korai atommodellek. Rutherford-féle kísérlet. Franck-Hertz kísérlet. Bohr-féle atommodell.

TEMATIKA Biokémia és molekuláris biológia IB kurzus (bb5t1301)

Fehérjék szerkezetének kialakulása II

5/11/2015 MIKROSZKÓPIAI MÓDSZEREK 2 FLUORESZCENCIÁN ALAPULÓ MODERN MIKROSZKÓPIAI MÓDSZEREK. Fluoreszcencia mikroszkópia

A LÉZERSUGÁRZÁS ALAPVETŐ ISMÉRVEI SPONTÁN VS. INDUKÁLT EMISSZIÓ A FÉNYERŐSÍTÉS FELTÉTELE A POPULÁCIÓ INVERZIÓ FELTÉTELE

Biofizika I

Fehérjék szerkezetének kialakulása II. Semmelweis Egyetem. Osváth Szabolcs

A fény terjedése és kölcsönhatásai

Izomműködés. Az izommozgás. az állati élet legszembetűnőbb külső jele a mozgás amőboid, ostoros ill. csillós és izomösszehúzódással

Biológiai makromolekulák szerkezete

Vérkeringés. A szív munkája

Nanotechnológia. Vonderviszt Ferenc. Veszprémi Egyetem Nanotechnológia Tanszék

A sejtváz. Mikrotubulusok (25 nm átmérő) Mikrofilamentumok (7 nm átmérő) Intermedier filamentumok (8-12 nm átmérő)

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

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

Mozgékony molekulák vizsgálata modern mikroszkópiával

Modern mikroszkópiai módszerek

1. Az élő szervezetek felépítése és az életfolyamatok 17

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Átírás:

Élő sejtben: molekulagépezetek sokasága Egyedi molekula vizsgálatok Kellermayer Miklós Tovakúszó keratinocita Mikrotubulus dinamikus instabilitás Vezikulum transzport kinezinnel Fehérjeszintézis riboszómán http://multimedia.mcb.harvard.edu Egyedi molekula vizsgálatok Miért vizsgáljunk egyedi molekulákat? Az egyedi molekula tudomány rövid története Vizsgálható paraméterek (topográfia, fluoreszcencia, erő) Egyedi molekulák vizsgálati technikái (fluoreszcencia, mechanika, molekuláris fogantyúk problémája) A molekuláris szingularitás (egylépcsős bleaching, erőgörbe) Folyamatok az egyedi molekula skálán (fluktuációk, átmenetek) Szabadentalpia, aktivációs energia, reakciósebesség, reverzíbilitás Mechanikai erő hatása az aktivációs kinetikára; mechanokémia Példák (fehérjetekeredés, RNS tekeredés, thioredoxin, motorfehérjék) Miért vizsgáljunk egyedi molekulákat? 1. Térbeli kiátlagolódás kiküszöbölődik párhuzamos útvonalakon haladó folyamatok, pl. fehérjegombolyodás 3. Biomolekuláris mechanika Molekuláris rugalmasság, motorfehérje funkció G Konformációs tér Kitekeredett Natív Kinesin motorfehérje 2. Időbeli kiátlagolódás kiküszöbölődik Sztochasztikus folyamatok, pl. fluorofór pislogás GFP pislogás (Moerner) Jel (a.u.) 4. Egyedek azonosítása, követése sokaságban Térbeli és időbeli transzport útvonalak (pl. víruspartikulumok celluláris mozgása, citoszkeletális filamentumok dinamikája) Idő (s) GFP Egyedi mikro- Tubulusok (Borisy) Bakteriofágból kiszabadult DNS Aktin "speckle" mikroszkópia (Small)

Egyedi molekula tudomány története Vizsgálható paraméterek: topográfia 1976: Egyetlen antitestmolekula fluoreszcencia mikroszkópos felvétele 1986: J. Spudich, T. Yanagida, in vitro motilitási próba 1991: J.Spudich, T.Yanagida, J.Molloy, egyedi miozin mechanika Murvai Ünige Kungl Jusztina Karsai Árpád 1994: T.Yanagida, egyetlen ATP turnover miozinon 1994: K.Svoboda, S. Block, egyedi kinesin mechanika 1996: C.Bustamante, D.Bensimon, DNS molekula megnyújtása 5 nm 2 nm 1996: T.Ha, S.Weiss, egy-molekulapár FRET Amyloid ß1-42 Fibrin protofibrillum Amyloid ß25-35 1997: W.E. Moerner, GFP pislogás 1997: M.Kellermayer, M.Rief, L.Tskhovrebova, titin megnyújtás (első fehérje) 1998: Kinosita, F1F ATPase lépési kinetika Kiss Balázs Brennan Decker 1998: J. Fernandez, genetikai poliprotein mechanika 21: J.Liphardt, C.Bustamante, RNS megnyújtása 24: J.Fernandez, egyedi fehérjemolekula folding 28: Bustamante, Tinoco: riboszóma mechanika 1 nm Titinmolekula 5 nm Dezmin filamentum 2 nm Miozin vastag filamentum Vizsgálható paraméterek: Fluoreszcencia Vizsgálható paraméterek: erő 16 14 12 Titin (lézercsipesz) 8 6 dsdns (lézercsipesz) 1 8 6 4 4 2 2 1 2 3 4 5 6 Megnyúlás (μm) 1 2 3 Megnyúlás (μm) i i ii 5 4 Amiloid fibrillum (AFM) Rekombináns titin fragmentum (AFM) 3 2 1 2 pn ii 2 4 6 8 1 12 14 5 nm TRITC-jelölt titinmolekulák RUGALMASSÁG SZERKEZETI VÁLTOZÁS ("ÁTMENET")

Egyedi molekulák vizsgálata: fluoreszcencia technikák Egyedi molekulák vizsgálata: manipuláció rugólapka technikákkal Konfokális fluorophore i ii mikroszkópia fluorophore laser laser prism TIRF mikroszkópia evanescent field evanescent field laser optical fiber Epifluoreszcencia mikroszkópia coverslip fluorophores fluorophore NSOM objective lens (focus in objective back focal plane) Egyedi molekulák vizsgálata: manipuláció mező alapú technikákkal A lézercsipesz Belépő fénynyaláb P 1 Fénytörő mikrogyöngy P 2 F=ΔP/Δt ΔP Lézer F Fénytörő mikrogyöngy Mikroszkóp objektív F Grádiens erő EGYENSÚLY Szórási erő (fénynyomás)

Csomókötés egyetlen aktin filamentumra lézercsipesszel Csomókötés egyetlen DNS láncra Aktin filamentum manipuláció mikrogyöngy mozgatható lézercsipeszben Fáziskontraszt kép Fluoreszcencia kép mikrogyöngy stacionárius lézercsipeszben Kinosita Group Arai et al. Nature 399, 446, 1999. Molekuláris fogantyúk problémája Molekuláris szingularitás: egylépcsős photobleaching TIRFM Kimogram mikrogyöngy ~ 1 μm Idő Alexa-488-PGK molekula ~ 1 nm

Molekuláris szingularitás: nanomechanikai ujjlenyomat DNS fogantyú Rekombináns poliprotein 8 6 Folyamatok az egyedi molekula skálán Kooperatív erőátmenet dsdns (lézercsipesz) Diszkrét lépések: Miozin V - processzív motor I27 Vizsgált fehérje 4 2 8 dsdns (lézercsipesz) Rekombináns titin fragmentum (AFM) 1 2 3 Megnyúlás (μm) 6 4 2 1 2 3 Megnyúlás (μm) Kooperatív átmenet 65 pn-nál DNS-RNS hibrid 2 pn 5 nm Fűrészfog alakú átmenetek Egyenlő távolság a fogak között Minden-vagy-semmi erőátmenet 2 pn Rekombináns titin fragmentum (AFM) 5 nm Fluktuációk: Koleszterin oxidáz Bulk versus single Aktiváció, sebesség, reverzibilitás Többszörös turnover Egy (egyedi) turnover 8 7 4 M GuCl BULK G k tranziens 6 5 4 3 2 GuCl 1 SINGLE stabil Δx instabil x 1 2 3 4 5 6 Molekulahossz (μm) 12 R 8 4 2-2 2 4 6 8 1

Erő hatása az aktivációra:titin irreverzibilis kitekerése Erő hatása az aktivációra: RNS hajtű egyensúlyi kitekerése Az I55-62 fragmentum kitekeredési görbéje G k off Tranziciós Fx ß 3 2 Natív Kitekert Reakció koordináta 1 ΔL x ß RupturaF = k BT x β ln rx β k B T k off RupturaF 2 pn 5 nm ΔL = 29,8 ± 3,5 nm Példa: fehérjetekeredés Izomköteg EGyetlen molekula megnyújtása lézercsipesszel PEVKdomén Izomrost Miofibrillum Molekuláris erők mérhetők a lézercsipesz virtuális rugó tulajdonságai miatt Szarkomer Lézer fókusz Optikai csipesz: Z Vékony filamentum M Vastag filamentum Z virtuális rugó molekula Ig-domén (7-szálú ß-hordó) Titin I-szakaszbeli szegmens Latex gyöngy tandem Ig-régió tandem Ig-régió Mozgatható mikropipetta dsdna

Natív titin nanomechanikája Titin doménszerkezet Erőválasz Erővezérelt szerkezeti változások Ig domén PEVK szegmens egyedi szekvenciák 1 8 6 4 2 6 55 5 45 4 1.75 1.8 1.85 Nemlineáris rugalmasság Domén kitekeredés C B E D A-B C D E szívizom N2-B NH 2 NH 2 I1 I15 N2-B I27 I84 I15 vázizom (soleus) I1 I15 I27 I79 N2-A PEVK I84 I15 COOH COOH Nemlineáris rugalmasság A F.5 1 1.5 2 2.5 Megnyúlás (µm) A mechanikai erő stabilitási sorrendbe szervezi a titin doménjeit. F konstitutívan expresszálódó tandem Ig régió differenciálisan expresszálódó tandem Ig régió I55-62 I II III Klónozott és mechanikailag manipulált titin fragmentumok konstitutívan expresszálódó tandem Ig régió PEVK domén: elasztikus molekulaszakasz A PEVK domén elektrosztatikusan hangolható molekula-teleszkóp 1 L p, PEVKI, n=23 AFM rugólapka Au S PEVK szegmens His 6 Glymo-NTA-Ni Féregszerű lánc (Wormlike chain) model FL P k B T = z 1 L C 4(1 z / L C ) 1 2 4 Erő Force (pn) (pn) 12 1 8 6 4 2 PEVKI Reverzíbilis nemlineáris erőválasz 5 1 15 2 25 Megnyúlás Extension (nm) Perzisztencia hossz (L p ) Megnyúlás (z) Erő (F) Gyakoriság Frequency Gyakoriság Frequency Gyakoriság Frequency 8 6 4 2 1 2 3 4 Persistence length (nm) Perzisztenciahossz (nm) L, PEVKII, n=32 2 p 15 1 5 1 2 3 4 Persistence length (nm) Perzisztenciahossz (nm) 28 L p, PEVKIII, n=44 24 2 16 12 8 4 1 2 3 4 Persistence length (nm) Perzisztenciahossz (nm) N-terminális szegmens Középső szegmens C-terminális szegmens Effektív Effective perziszenciahossz, persistence length L p (nm) 2.5 2 1.5 1.5 Lp PEVKI Lp PEVKII Lp PEVKIII 5 1 15 2 25 3 35 Ionerősség Ionic strength (mm) (mm) - - - - - - L P = L L e - - - - - - - - - - - - - - -

Titin I55-62: viszkoelasztikus molekulaszakasz A mechanikai stabilitás biológiai logikája Szerkezetet összetartó H-hidak párhuzamos csatolása Nagy kitereredési erő Az I55-62 fragmentum kitekeredési görbéje 2 15 Gyakoriság 3 1 2 5 1 ΔL 1 2 3 Kitekeredési erő (pn) 4 Mechanikai stabilitás alapja: Szerkezetet összetartó H-hidak soros csatolása Alacsony kitereredési erő 2 pn 5 nm ΔL = 29,8 ± 3,5 nm Az Ig domén első és utolsó ß-láncait összetartó, párhuzamosan csatolt H-hidak Nanotechnológiai alkalmazás Effektív ragasztóanyag a párhuzamos csatolás elvén A fehérjegombolyodás fázisterének vizsgálata egyedi molekula módszerrel Fehérje folding fázistér Kitekeredett Konformáció Erő Gecko talp tapadása: Energia Párhuzamosan csatolt Van der Waals kötések a serték és a felület között Mesterséges gecko talp Natív Mechanikai erő segítségével a konformációs tér kevésbé betöltött részei is vizsgálhatók.

A titin gombolyodási fázistere Titin nanomechanika erővisszacsatolt lézercsipesszel Referencia erő (konstans) Lézercsipesz Doménkitekeredési folyamat konstans erőnél 1 Mért erő (/-) 1 8 6 Folded WLC Unfolded WLC Mozgatható mikropipetta titin Vezérelt kimenet (/- piezo mozgás) Feedback kontrol 4 38 36 Monoexponenciális függvény: domén kitekeredés F erőnél Force (pn) 4 Native Partially unfolded 34 32 2 3 28 nm Unfolded 28 1 2 3 4 5 6 7 8 (µm) Extension 26 5 1 15 2 25 x1 3 Idő (s) Titin feltekeredés konstans erőnél Biomolekuláris folyamatok mechanikai erőtérben 1 2 15 1 Kitekert Gyors kollapszus Szerkezeti fluktuációk Végső kontrakció Ismételt kitekeredés E 1. k off Fx ß Tranzíciós 2. Reakció koordináta Gombolyodás (Diffúzió az energiaprofil felületén) Kitekert Erővezérelt kitekeredés (erő által meghatározott irányban) 5 x ß Feltekeredett 3 4 5 6 7 8 9 x1 Idő 3 (s) 1 A pillanatnyi erő (F) a vezérelt folyamat (k off ) illetve terhelés (r) sebességeinek arányától és az energiaprofil alakjától (x ß ) függ: F = k B T x β ln rx β k B T k off 15 1 Ugyanaz a molekula ismételt mechanikai ciklusok során más-más utat jár be. Monte-Carlo szimuláció ± Fx k = k k e B T 5 Natív 6 8 1 12 14 16 18 x1 3 Idő (s)

Élő sejtben: molekulagépezetek sokasága Tovakúszó keratinocita Mikrotubulus dinamikus instabilitás Vezikulum transzport kinezinnel Fehérjeszintézis riboszómán http://multimedia.mcb.harvard.edu