Gáspári Zoltán Élő molekulák az élet molekulái
Invokáció Kajtár Márton 1929-1991 www.eotvoskiado.hu
Élő és élettelen?
Élő és élettelen: a kemoton Élő kémiai rendszer, de nem élőlény (Gánti, 1975) Autokatalitikus körfolyamatokra épülő (elméleti) modell Anyagcsereciklus (A), templátciklus(v), Membránciklus (T) www.chemoton.com Megfelelő feltételek esetén X fogyasztása és Y kibocsátása mellett növekedik, sőt osztódik is
Molekulák a sejtben nukleinsavak lipidek szénhidrátok fehérjék
Lipidek a biológiai membránokban zsírsav zsírsav g l i c e r i n foszfát alkohol
Lipidek tápanyagok, jelátvivők β-karotin szteroid hormonok
Lipidek és fehérjék Zöld színtest makettje A növényi 1-es fotorendszer felül- és oldalnézete A membránba ágyazott komplexben a karotinok a fotonok összegyűjtésében vesznek részt
Szénhidrátok H H H H H H H H 4 3 2 gulóz allóz altróz mannóz glükóz galaktóz talóz idóz mono-, oligo- és poliszacharidok KöKéL 1992/3-4 glikogén amilopektin kockacukor
CH 2 Szénhidrátok lebontása glikogén glükoneogenezis glükóz glikolízis tejsav, glicerin, aminosavak C piruvát C tejsavas erjedés C H 3 C CH tejsav H 3 C H 3 C alkoholos erjedés CH 2 etil-alkohol erjedés hexokináz C 2 + H 2 2 teljes oxidáció
Szénhidrátok és fehérjék fehérjék glikolizációja ( szénhidrát antennák ): molekuláris felismerés! β-d-galaktóz N-acetil-D-glükózamin α-d-mannóz β -D-mannóz N-glikoziláció (Asn, Arg) -glikoziláció (Ser, Thr, Tyr, Hyp, Hyl) C-glikoziláció (Trp) foszfátcsoporton keresztüli glikoziláció karboxi-terminális glikoziláció HCG (humán chorion gonadtropin) α-alegysége terhességi teszt
másolás (replikáció) Nukleinsavak információátadás DNS átírás (transzkripció) visszaírás (reverz transzkripció) RNS fordítás (transzláció) fehérje
Mesterséges RNS-enzim (Diels-Alder reakciót katalizáló ribozim) Nukleinsavak RNS világ rvosi Nobeldíj, 2009 telomeráz enzim: belső RNS-templát
Nukleinsavak és fehérjék templát (minta) alapú fehérjeszintézis: riboszómák Kémiai Nobeldíj, 2009 3 bázis 1 aminosav a peptidkötés kialakulását RNS katalizálja, a templátfelismerést RNS felügyeli trns mrns A hónap molekulája, 2010 január, RCSB PDB: 70S (prokarióta) riboszóma
Fehérjék és fehérjék fehérje-fehérje kölcsönhatási hálózat (élesztő)
Fehérjék építőkövek királis α-aminosavak 2, amiben 2 kiralitáscentrum van Thr β α Ile 20 db, amit három egymás utáni bázis (kodon) kódol 2, ami ezeken kívül szintézis közben épül be számos további utólagos módosítás
Fehérjék a 21. és 22. aminosav Szelenocisztein (Sec) UGA stop kodonnál épül be Pirrolizin (Pyl) UAG stop kodonnál épül be speciális feltételek teljesülése esetén
Fehérjék utólagos módosítások Diszulfidhíd számos, sejten kívüli fehérje Hidroxiprolin kollagén γ-karboxi glutaminsav véralvadási faktorok
Fehérjék utólagos módosítások Kémiai Nobeldíj, 2008 GFP = green fluorescent protein H Ser-Tyr-Gly H H CH 2 H 2 CH H NH N H HN H N N H NH
Fehérjék lokális térszerkezet j R y peptidkötés: 6 atom egy síkban a molekulagerinc elfordulásra képes kötései függvényében ábrázolt (konformációs) energiafelszín völgyek: konformerek
Fehérjék globális térszerkezet 2010 január: kb. 63000 térszerkezet, www.rcsb.org
Fehérjék atomi szintű szerkezetmeghatározása röntgenkrisztallográfia Előny: nagy fehérjék, komplexek is vizsgálhatók Nehézség: kristályosítási körülmények megtalálása Kémiai Nobeldíj,1962 NMR-spektroszkópia Előny: a fehérjék oldatban vizsgálhatóak Hátrány: méretkorlát Kémiai Nobeldíj, 2002
Fehérjék mi határozza meg a térszerkezetet? 1. válasz: a molekulagerinc hidrogénhídkötései A legtöbb eltemetett amidcsoport H- kötést létesít α-hélix β-redőzött réteg
Fehérjék mi határozza meg a térszerkezetet? 2. válasz: az aminosavszekvencia, azaz az oldalláncok közötti kölcsönhatások Hasonló szekvenciájú fehérjék hasonló térszerkezetűek, a szekvencia ismeretében a (lokális) szerkezet jól jósolható EVTCEPGTTFKDKCNTCRCGSDGKSAACTLKACPQ EQECTPGQTKKQDCNTCNCTPTGV-WACTRKGCPPH 18/35 pozícióban azonosság: biztosan azonos térszerkezet
Fehérjék mi határozza meg a térszerkezetet? 3. válasz: rengeteg gyenge kölcsönhatás eredője A fehérjék stabilizációs energiája kb. egyetlen hidrogénhídkötésének felel meg! Friss példa: akár egyetlen aminosav cseréje teljesen megváltoztathatja a térszerkezetet Evolúció lehetősége Shortle D PNAS 2009;106:21011-21012
Fehérjék belső dinamikája Tág időskála! 10-12 ps 10-9 ns 10-6 ms 10-3 ms 10 0 s 10 2 ~min sec NMR-spektroszkópia Fluoreszcencia, IR-, UV-, Raman-spektroszkópia Molekuladinamikai szimuláció
Fehérjék belső dinamikája 10-12 ps 10-9 ns 10-6 ms 10-3 ms 10 0 s 10 2 ~min sec feltekeredés kötések mozgásai domének, nagyobb szerkezeti egységek mozgásai Shifman J M et al. PNAS 2006;103:13968-13973
Fehérjék globális térszerkezet globuláris fibrilláris rendezetlen ΔE sok nagyon különböző, hasonló energiájú konformer natív konformersokaság (egy kiválasztott szerkezet jól reprezentálja)
Fehérjék működése + Hexokináz: Glükóz bekötésének hatására bezáródik (vízkizárás fontos) merev kulcs-zár modell: az enzim és a szubsztrát tökéletes illeszkedése (molekuláris komplementaritás) Mioglobin oxigénkötése
Fehérjék működése + Indukált illeszkedés Ma két finomított modell létezik, mint általánosan elfogadott lehetőség + Előzetes egyensúly (konformerszelekció)
Kémiai Nobeldíj, 2004 Fehérjék működése ubiquitin (a lebontásra szánt fehérjéket jelöli meg ) Belső dinamikája lefedi a különböző partnerfehérjékkel alkotott komplexeiben észlelt konformációs variácókat
Fehérjék működése Egy proteáz (fehérjebontó enzim) és inhibitora főkomponens-elemzés Az inhibitor belső dinamikája lefedi az enzimmel alkotott komplexeiben észlelt konformációt is
Funkcionálisan rendezetelen fehérjék Fehérjék működése Egyidejű feltekeredés és partnerkötés
Funkcionálisan rendezetlen fehérjék Fehérjék működése STAT2 STAT1 TAZ1 TAZ2 Génszabályozásban szerepet játszó koaktivátor fehérjék és funkcionálisan rendezetlen transzaktivációs domének komplexei
Fehérje origami játék http://fold.it
Kézzelfogható fehérjeszerkezetek Friday Harbor Laboratories, San Juan Island (Wash., USA)
További információk: www.rcsb.org www.chem.elte.hu/departments/protnmr www.proteopedia.org multimedia.mcb.harvard.edu