Biológiai makromolekulák szerkezete
Biomolekuláris nemkovalens kölcsönhatások Elektrosztatikus kölcsönhatások (sóhidak: 4-6 kcal/m, dipól-dipól: ~10-1 kcal/m Diszperziós erők (~10-2 kcal/m) Hidrogén hidak (2-4 kcal/m) Hidrofób kölcsönhatások (-24 cal/m/å 2 ) Mértékegységek: 1 kcal/m = 4.18 kj/m 1 ev = 23 kcal/m
Elektrosztatikus kölcsönhatások Coulomb törvény: QQ 1 QQ 1 QQ 1 2 1 2 1 2 F( r) = k = E( r) = 2 2 r 4πεε r 4πεε r elemi töltés : e = 1,6 10 0 19 C 0 9 k = 9 10 ε = 8,85 10 0 Nm 2 C 2 12 2 C Nm 2 Elektromos dipólus: -Q +Q l p = Ql E( r) ~ p p 1 3 r 2 Apoláris molekulák: a pozitív és negatív töltések súlypontja időátlagban egybeesik Poláris molekulák: a pozitív és negatív töltések súlypontja elkülönül (permanens dipólmomentum) töltés szeparáció, parciális töltések
Diszperziós erők Lenard Jones potenciál: E(r) = A/r 12 B/r 6 (mindig vonzó kölcsönhatás!) Kötési energia van der Waals sugarak
Hidrogén hidak A H atom két nagy elektronegativitású atom között létesít kapcsolatot. Pl. C = O H N R OH = 1.9 Å «R O + R H = 2.7 Å donorok (OH, NH, SH) akceptorok (O, N, S) 1/R ~ energia lineáris elrendeződés preferált α-hélix
A leggyakoribb H-híd donorok és akceptorok
A jég szerkezete: H-hidak stabilitása vizes közegben:
A víz Az élő szervezetek legnagyobb mennyiségben előforduló anyaga Széles hőmérsékleti tartományban folyékony Anomálisan nagy fajhő, olvadáshő, párolgáshő, felületi feszültség
elektrolitok oldódása
A jég szerkezete A víz szerkezete: Instabil hidrogénhidas szerkezet Rövid távú rendezettség (~1nm mikrokristályok)
Hidrofób kölcsönhatás Apoláris molekulák vízben ΔG = H - T S Zárt rendszerben lejátszódó folyamatok iránya: G < 0 G: Gibbs-féle szabadenergia H: entalpia (kötési energia) S: entrópia (rendezetlenség mértéke) S = k lnw k Boltzmann áll., W mikroállapotok száma) T: abszolút hőmérséklet
A hidrofób kölcsönhatás ΔG = H T S < 0 A víz nagy dipólmomentuma miatt jelentős elektrosztatikus kölcsönhatás H > 0 (oldott állapotot preferálja) Az apoláris molekulák körül rendezett vízburok alakul ki az asszociált állapot entropikusan kedvező (a rendezett vízmolekulák száma csökken) S >> 0
A hidrofób kölcsönhatás
Az élő anyag építőelemei FEHÉRJÉK
Fehérjék - 20-féle aminosavból felépülő láncmolekulák - kompakt szerkezet - flexibilitás - specifikus kölcsönhatások
A fehérjék szerkezeti szintjeinek hierarchiája -Elsődleges szerkezet (aminosav sorrend) - Másodlagos szerkezet (a polipeptidváz lokálisan rendezett szerkezete) - Szupermásodlagos szerkezet - Doménszerkezet - Harmadlagos szerkezet - Negyedleges szerkezet
Aminosavszerkezet
Peptidkötés
A peptidkötés tulajdonságai Delokalizált elektronrendszer Merev planáris szerkezet Transz konfiguráció Jelentős dipólmomentum H-híd donor (N-H) és akceptor (C=O)
Polipeptidlánc
Aminosavak
Diszulfidhíd
A flagellin fehérje aminosavszekvenciája 1 MAQVINTNSL SLLTQNNLNK SQSALGTAIE RLSSGLRINS AKDDAAGQAI ANRFTANIKG 61 LTQASRNAND GISIAQTTEG ALNEINNNLQ RVRELAVQSA NSTNSQSDLD SIQAEITQRL 121 NEIDRVSGQT QFNGVKVLAQ DNTLTIQVGA NDGETIDIDL KQINSQTLGL DTLNVQQKYK 181 VSDTAATVTG YADTTIALDN STFKASATGL GGTDQKIDGD LKFDDTTGKY YAKVTVTGGT 241 GKDGYYEVSV DKTNGEVTLA GGATSPLTGG LPATATEDVK NVQVANADLT EAKAALTAAG 301 VTGTASVVKM SYTDNNGKTI DGGLAVKVGD DYYSATQNKD GSISINTTKY TADDGTSKTA 361 LNKLGGADGK TEVVSIGGKT YAASKAEGHN FKAQPDLAEA AATTTENPLQ KIDAALAQVD 421 TLRSDLGAVQ NRFNSAITNL GNTVNNLTSA RSRIEDSDYA TEVSNMSRAQ ILQQAGTSVL 481 AQANQVPQNV LSLLR
Sequence alignment CLUSTAL W (1.82) multiple sequence alignment ArsR fehérjék P74986_YEREN --MLQPVQLFKILSDETRLAIVMLLRESGEMCVCDLCGATSESQPKISRH 48 Q6D6S6_ERWCT --MLKPVQLFKILSDETRLAIIMLLRESGELCVCDICATTSESQPKISRH 48 Q9L335_SERMA --MLQPVQLFKLLADETRSTIVMLLRESGEMCVCDICAATAQSQPKISRH 48 Q8GGH7_ENTCL --MLHPIQLFKTLSDETRLSIVMLLREAGELCVCDLCSATNEPQPKVSRH 48 ARSR_ECOLI MSFLLPIQLFKILADETRLGIVLLLSELGELCVCDLCTALDQSQPKISRH 50 Q79VX6_SALTY MLQLTPLQLFKNLSDETRLGIVLLLREMGELCVCDLCMALDQSQPKISRH 50 Q8ZBR1_YERPE MTTLTPLQLFKNLSDETRLNIILLLKASGELCVCELCHRLNEAQPKISRH 50 * *:**** *:**** *::** **:***::* :.***:*** P74986_YEREN MAILREAELVLDRREGKWVHYRLSPHMPAWAAETITTSWHCCGKMFVSGW 98 Q6D6S6_ERWCT MAILRGAELVLDRREGKWVYYSLSPHMPAWAAETITTSWQCL-REDVRKW 97 Q9L335_SERMA MALLREAELVIDRREGKWVHYRLSPHMPAWAAGIIDTAWNCE-RENIRNK 97 Q8GGH7_ENTCL MALLREAGLVIDRREGKWIYYRLSPNMPAWAATVIDTSWNCL-REETRMK 97 ARSR_ECOLI LALLRESGLLLDRKQGKWVHYRLSPHIPAWAAKIIDEAWRCE-QEKVQAI 99 Q79VX6_SALTY LAMLRESGILLDRKQGKWVHYRLSPHIPSWAAQIIEQAWLSQ-QDDVQVI 99 Q8ZBR1_YERPE LAMLRESGLLLDRRAGKWVHYRLSPHIPAWAAAIIEQTYLSQ-RDEITLL 99 :*:** : :::**: ***::* ***::*:*** * ::. : P74986_YEREN INQRHHPAEMNRTHSFNHM 117 Q6D6S6_ERWCT LEKSACSSC---------- 106 Q9L335_SERMA LSSVASVSC---------- 106 Q8GGH7_ENTCL LKNRLPGSC---------- 106 ARSR_ECOLI VRNLARQNCSGDSKNICS- 117 Q79VX6_SALTY ARKLASVNCSGSSKAVCI- 117 Q8ZBR1_YERPE AQG----NVTPDSKMLCN- 113
Gélelektorforézis Polyacrylamide Gel Electrophoresis. (A) Gel electrophoresis apparatus. Typically, several samples undergo electrophoresis on one flat polyacrylamide gel. A microliter pipette is used to place solutions of proteins in the wells of the slab. A cover is then placed over the gel chamber and voltage is applied. The negatively charged SDS (sodium dodecyl sulfate)-protein complexes migrate in the direction of the anode, at the bottom of the gel. (B) The sieving action of a porous polyacrylamide gel separates proteins according to size, with the smallest moving most rapidly.
Gélfiltrációs kromatográfia Gel Filtration Chromatography. A mixture of proteins in a small volume is applied to a column filled with porous beads. Because large proteins cannot enter the internal volume of the beads, they emerge sooner than do small ones.
Polipeptidváz
Ramachandran diagram
Másodlagos szerkezet α-hélix
Másodlagos szerkezet α-hélix
Másodlagos szerkezet β-lemez
Másodlagos szerkezet β-lemez
Másodlagos szerkezet β-lemez
Másodlagos szerkezet β-hajlat
Szupermásodlagos szerkezet
Szupermásodlagos szerkezet
Helikális kötegek
Helikális kötegek
Doménszerkezet F41
Szerkezeti domén Folding domén Funkcionális domén Domének Átlagos domén méret: ~ 70 150 aa A doménszerkezet tanulmányozása: - limitált proteolízis - pásztázó mikrokaloremetria
Az Immunglobulin G molekula doménszerkezete Az IgG domének alapszerkezete: béta szendvics szerkezet
A domének mint szerkezeti és funkcionális építőelemek
Harmadlagos szerkezet Egy vagy több kovalensen összekötött polipeptidlánc térbeli szerkezete.
A harmadlagos szerkezet legfontosabb jellemzői tömör térkitöltés poláros felszín, hidrofób mag H-híd képzési lehetőségek maximálisan kihasználtak aminosavkonformációk általában a Ramachandran régióknak megfelelőek hidrátburok dinamikus szerkezet
A PGK fehérje szerkezete
Fehérjeszerkezet meghatározás Szerkezeti genomika Módszerek: röntgendiffrakció NMR elektronmikroszkópia Ismert szerkezetek száma: ~ 50000 db Ebből membránfehérje: ~100 db Dinamikus tulajdonságok jellemzése: molekuláris dinamika szimulációk időfelbontásos röntgendiffrakció
F41 mikrokristályok
Röntgendiffrakció
X-ray & NMR
A HAP2-filamentum komplexum szerkezetének meghatározása krio-elektronmikroszkópiával
A HAP2- filamentum komplex szerkezete
Negyedleges szerkezet
Negyedleges szerkezet II Polyoma vírus Picorna vírus
A flagelláris filamentumok szerkezete
Negyedleges szerkezeti szimmetriák
A negyedleges szerkezet előnyei Miért több lánc? - Kódolási hatásfok - Szintézis hatékonysága (hibavalószínűség) - Szerkezetépítés (pl. tubulusok, filamentumok) - Folding előnyök - Funkcionális előnyök: szabályozhatóság metabolikus intermedierek átadása
FEHÉRJÉK DINAMIKÁJA
Fehérjeszerkezet meghatározás Szerkezeti genomika Módszerek: röntgendiffrakció NMR elektronmikroszkópia Ismert szerkezetek száma: ~ 50000 db Ebből membránfehérje: ~100 db Dinamikus tulajdonságok jellemzése: molekuláris dinamika szimulációk időfelbontásos röntgendiffrakció
Fehérjék dinamikája Rendkívül széles időskálájú mozgások: 10-10 10 6 s
A molekuláris mozgások funkcionális szerepe Ligand hozzáférhetőség szabályozása Alkalmazkodás a változó szubsztrátszerkezethez Kötődések erősségének szabályozása Rendezetlen régiók, rendezetlen fehérjék