1
TANKÖNYVEK Stryer et al.: Biochemistry 5 th ed. (2002); W.H Freeman ISBN: 0716746840 Lehninger et al.: Principles of Biochemistry 3 rd ed (2000); Worth Publ. Garrett & Grisham: Biochemistry 2 nd ed (1998); Saunders Coll. Publ. Voet et al.: Fundamentals of Biochemistry 1 st ed (1999); John Wiley Mathews et al.: Biochemistry 3 rd ed (2000); Benjamin Cummings Bálint Miklós: Molekuláris biológia I.-III. Műszaki kiadó (2000,2002) 2
Az élő szervezetek anorganikus ionok, kis szerves molekulák, makromolekulák vizes oldatából és membránokból felépülő nyílt, nemegyensúlyi termodinamikai rendszerek. Az élet rendelkezik az önszerveződés, az önszabályozás, a katalízis, replikáció, a mutabilitás és az evolúció képességével. Az élet dinamikus (steady-state) állapotát a környezetből állandóan elvont, a rendszeren átáramló szabadenergia fluxus tartja fenn (disszipatív rendszer). Az élet bonyolultságát (komplexitás) az információs makromolekulák adják. 3
TÖRTÉNETI MÉRFÖLDKÖVEK 1828: F. Wöhler urea szintézis 1836,38: J. Berzelius protein, katalízis 1861,63: L. Pasteur erjedés mikróbákkal 1876: W. Kühne enzim, miozin, tripszin 1894: E. Fischer kulcs-zár hipotézis (1902) 1926: J. Sumner fehérje rjekristály ly (1946) 4
1935-37: Szent-Györgyi A. (1937), H. Krebs (1953) citrát-ciklus 1941: F. Lipmann (1953) ATP szerepe 1944: O. Avery DNS szerepe 1952: L. Pauling (1954, 63) fehérjeszerk. 1953: J. Watson, F. Crick (1962) DNS 5
1953: F. Sanger (1958, 80) inzulin szekvencia 1958,60: J. Kendrew & M. Perutz (1962) mioglobin és hemoglobin térszerkezet 1973: S. Cohen & Boyer (1986) rekombináns ns DNS 6
1995: J. Craig Venter első prokarióta genom 1996: konzorcium első eukarióta (élesztő) gen. 2000: HGP (F. Collins) & Celera (Venter) humán genom ( draft ) 7
ALAPELVEK DNS mint örökítőanyag (RNS vírusok, prionok) Információáramlás: DNS RNS fehérje ( centrális dogma ) Lineáris információ térbeli szerkezet specifitás, funkció 8
DIMENZIÓK A BIOKÉMIÁBAN MÉRETEK ATOMOK MAKROMOLEKULÁK SEJTEK MOLEKULÁK KOMPLEXEK C-C kötés hemoglobin fénymikroszkóp vörösvértest glükóz riboszóma baktérium 10-10 m 10-9 m 10-8 m 10-7 m 10-6 m 10-5 m 1 Å 1 nm 1 µm kimotripszin glicin 1 nm 9
IDŐ fehérjék doménmozgása enzimreakciók baktérium generáció primer látás szignál DNS kitekeredés fehérje szintézis 10-12 10-9 10-6 10-3 1 10 3 (ps) (ns) (µs) (ms) ENERGIA nem-kovalens kötés zöld fény glükóz hőmozgás ATP C-C kötés kcal/mol 0,1 1 10 100 1000 kj/mol 1 10 100 1000 10
BIOMOLEKULA Méret (nm) Tömeg * (Dalton) Víz 0,3 18 Alanin 0,5 89 Glicin 0,7 180 Foszfolipid 3,5 750 Ribonukleáz (kis protein) 4 12.600 Immunoglobulin G 14 150.000 Miozin (nagy protein) 160 470.000 Riboszóma 18 2.520.000 ΦX174 bakteriofág 25 4.700.000 Piruvát-dehidrogenáz (multienzim komplex) 60 7.000.000 Dohány mozaikvírus 300 40.000.000 6,7x10-5 Mitokondrium 1.500 1,5 E. coli sejt 2.000 2 Kloroplasztisz 8.000 60 Májsejt 20.000 8.000 A molekulatömeg egysége a Dalton (vagy makromolekuláknál kd), definíció szerint a 12C-es szénizotóp tömegének 1/12-ed része. A molekulasúly (Mr) dimenzió nélküli szám, a molekulatömeg és a 12C-es szénizotóp tömege 1/12-ed részének hányadosa. (pg) 11
A MOLEKULÁRIS ORGANIZÁCIÓ HIERARCHIÁJA Környezeti prekurzorok, intermedierek víz acetát formamid 12
Építőkövek (nukleotidok, aminosavak, monoszacharidok, zsírsavak, glicerin) 13
Makromolekulák (>kda) nukleinsavak, fehérjék, poliszacharidok, lipidek hemolizin hemeritrin RNS polimeráz II 520 kd 14
Szupramolekuláris komplexek riboszóma, citoszkeleton, multienzim komplexek, vírusok stb. F-aktin Riboszóma 50S alegység 1600 kd Φ29 fág 15
E. coli molekuláris összetétele molekula típusa % % szárazanyag fajta Víz 70-1 Fehérje 15 50 3000 Nukleinsav 7 23 1000 DNS 1 1 RNS 6 1000 Szénhidrát 3 10 50 Lipid 2 7 40 Építőkő, Intermedier 2 7 500 Szervetlen 1 3 12 16
AZ ÉLET MÁTRIXA: M GYENGE KÖLCSK LCSÖNHATÁSOK VIZES OLDATBAN Kovalens kötések k erőss ssége: : 300-700 kj/mol C-C: C: 356 kj/mol mol; ; 1,54 Å Gyenge kölcsk lcsönhatás: 0,5-40 kj/mol ionkötés, hidrogén-kötés, van der Waalskötés, hidrofób b effektus Hőmozgás (kt)) 25 o C-on: 2,5 kj/mol 17
Ionos kötés (sóhíd, sókötés) 20 kj/mol; távolságfüggés: 1/r; kötéshossz: ~0,25 nm nem direkcionális E=kq 1 q 2 /Dr D:dielektromos konstans (D vakuum =1; D víz =80), q: töltés Hidrogén-híd donor csoport (nagy elektronegativitású atom: pl. OH, =NH) akceptor atom (pl. O, N, S) 12-30 kj/mol; kötéshossz: 0,25-0,30 nm erősen direkcionális (részben kovalens jelleg) 18
Hidrogén donor Hidrogén akceptor Hidrogén donor Hidrogén akceptor 19
van der Waals kötések dipól-dipól (1/r 3 ) dipól-indukálta dipól (1/r 5 ) London-féle diszperziós (1/r 6 ) erősség: 0,5-4 kj/mol; kötéshossz: a két vdw-sugár összege (0,2-0,3 nm) sztérikus (szerkezeti) komplementaritás! 20
Gyenge kölcsk lcsönhatások 21
Hidrofób b effektus A hidrofób b molekulák k a vizes fázisbf zisból mintegy kizáródnak. Ily módon m a víz v termodinamikai szabadsága növekszik, n mivel nem kell a különállk lló hidrofób molekulák k körül k l rendezett, kvázi zi-kristályos klatrát struktúrát t létrehozni. l Tehát t a szabadenergia csökken kkenése (az interakció) ) a víz z entrópi piájának növekedn vekedéséből l adódik. dik. erőss sség: <40 kj/mol (egy CH 2 eltávol volítása vizes fázisbf zisból: -33 kj/mol mol) 22
A VÍZ V Z SZEREPE SZERKEZET Polaritás s (dipólus momentum: 1,85 debey) Intermolekuláris ris hidrogén-híd hálózat 23
Jég: hatszögű kristály, tetraéderes elrendeződés 4 H-híd / molekula kisebb sűrűségű (0,92 g/ml) mint a víz 24
Folyékony víz: 15%-kal kevesebb H-híd ~3,4 H-híd / molekula fluktuáló szerkezet (2x10-11 sec) 25
UNIVERZÁLIS OLDÓSZE SZER Hidrofil anyagok: hidrát t burok (2 nsec) Gyengíti az ionos és s H-híd H d kötéseketk (2-4 26
Hidrofób anyagok: klatrát szerkezet Amfipatikus (amfifil) molekulák: micellák, kettős hártyák 27
IONEGYENSÚLYOK Víz disszociáci ciója: H 2 O H + + OH H + + H 2 O H 3 O + Proton jumping ( ugrálás ): a H-híd hálózat következménye Gyors proton transzfer reakciók Egyensúlyi állandó: K eq = [H + ] [OH ] / [H 2 O] 28
Víz ionszorzata: (25 o C) K w = K eq [H 2 O] = [H + ] [OH ] = 10 14 M 2 Sav-bázis reakciók: (Brønsted & Lowry, 1923) HA + H 2 O H 3 O + + A H 3 O + : konjugált sav (proton donor); A : konjugált bázis (proton akceptor) 29
Sav-bázis egyensúly: K a = K eq [H 2 O] = [H + ] [A ] / [HA] K a : savas disszociációs állandó (ionizációs konstans) Henderson-Hasselbalch egyenlet: pk a = lg [H + ] [A ] / [HA] = lg [H + ] lg [A ] / [HA] ph = pk a + lg [A ] / [HA] 30