Fehérjék nanomechanikai tulajdonságainak vizsgálata Atomi Er Mikroszkópiával NEMES CSILLA



Hasonló dokumentumok
Hemoglobin - myoglobin. Konzultációs e-tananyag Szikla Károly

Az élő sejt fizikai Biológiája:

Dér András MTA SZBK Biofizikai Intézet

Atomi er mikroszkópia jegyz könyv

PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

Atomok és molekulák elektronszerkezete

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

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

Elválasztástechnikai és bioinformatikai kutatások. Dr. Harangi János DE, TTK, Biokémiai Tanszék

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

TDK lehetőségek az MTA TTK Enzimológiai Intézetben

TALAJVÉDELEM XI. A szennyezőanyagok terjedését, talaj/talajvízbeli viselkedését befolyásoló paraméterek

K68464 OTKA pályázat szakmai zárójelentés

Jedlovszky Pál Eszterházy Károly Egyetem, Kémiai és Élelmiszerkémiai Tanszék Tanszék, 3300 Eger, Leányka utca 6

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

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

Reológia Mérési technikák

Immunológia alapjai előadás Az immunológiai felismerés molekuláris összetevői. Az antigén fogalma. Antitestek, T- és B-sejt receptorok:

POSZTTRANSZLÁCIÓS MÓDOSÍTÁSOK: GLIKOZILÁLÁSOK

Bio-nanorendszerek. Vonderviszt Ferenc. Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék

1.7. Felületek és katalizátorok

DIPLOMAMUNKA TÉMÁK AZ MSC HALLGATÓK RÉSZÉRE A SZILÁRDTEST FIZIKAI TANSZÉKEN 2018/19.II.félévre

Magyarkuti András. Nanofizika szeminárium JC Március 29. 1

Immunológia alapjai előadás. Az immunológiai felismerés molekuláris összetevői.

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

Számítógépek és modellezés a kémiai kutatásokban

Farmakológus szakasszisztens Farmakológus szakasszisztens 2/34

Ragyogó molekulák: dióhéjban a fluoreszcenciáról és biológiai alkalmazásairól

TRIPSZIN TISZTÍTÁSA AFFINITÁS KROMATOGRÁFIA SEGÍTSÉGÉVEL

Nanotudományok vívmányai a mindennapokban Lagzi István László Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék

Modern Fizika Labor. 11. Spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: dec. 16. A mérés száma és címe: Értékelés: A beadás dátuma: dec. 21.

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

Polimerek fizikai, mechanikai, termikus tulajdonságai

Az anyagi rendszerek csoportosítása

Immunológia alapjai előadás. Az immunológiai felismerés molekuláris összetevői

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

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

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Az ellenanyagok orvosbiológiai. PhD kurzus 2011/2012 II. félév

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

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI IV.

5. elıadás KRISTÁLYKÉMIAI ALAPOK

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

Osztályozó vizsgatételek. Kémia - 9. évfolyam - I. félév

Intra- és intermolekuláris reakciók összehasonlítása

Az elemeket 3 csoportba osztjuk: Félfémek vagy átmeneti fémek nemfémek. fémek

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Anyagok az energetikában

Számítástudományi Tanszék Eszterházy Károly Főiskola.

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

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Ábragyűjtemény levelező hallgatók számára

Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

Fehérjeszerkezet, és tekeredés

NUKLEINSAVAK. Nukleinsav: az élő szervezetek sejtmagvában és a citoplazmában található, az átöröklésben szerepet játszó, nagy molekulájú anyag

sejt működés jovo.notebook March 13, 2018

Konferencia a tapasztalatok jegyében

Tartalmi követelmények kémia tantárgyból az érettségin K Ö Z É P S Z I N T

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

AZ ÉLET KÉMIÁJA... ÉLŐ ANYAG SZERVEZETI ALAPEGYSÉGE

Célkitűzés/témák Fehérje-ligandum kölcsönhatások és a kötődés termodinamikai jellemzése

Sillabusz orvosi kémia szemináriumokhoz 1. Kémiai kötések

Biofizika I

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

Az anyagi rendszerek csoportosítása

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

és s alkalmazása Dencs Béla*, Dencs Béláné**, Marton Gyula**

Modern fizika laboratórium

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek. N m J 2

Búza tartalékfehérjék mozgásának követése a transzgénikus rizs endospermium sejtjeiben

12/4/2014. Genetika 7-8 ea. DNS szerkezete, replikáció és a rekombináció Hershey & Chase 1953!!!

Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

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

NEHÉZFÉMEK ELTÁVOLÍTÁSA IPARI SZENNYVIZEKBŐL Modell kísérletek Cr(VI) alkalmazásával növényi hulladékokból nyert aktív szénen

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Spektroszkópiai módszerek 2.

EGYIRÁNYBAN ER SÍTETT KOMPOZIT RUDAK HAJLÍTÓ KARAKTERISZTIKÁJÁNAK ÉS TÖNKREMENETELI FOLYAMATÁNAK ELEMZÉSE

6. változat. 3. Jelöld meg a nem molekuláris szerkezetű anyagot! A SO 2 ; Б C 6 H 12 O 6 ; В NaBr; Г CO 2.

BIOGÉN ELEMEK Azok a kémiai elemek, amelyek az élőlények számára létfontosságúak

A hulladék alapjellemzés során nyert vizsgálati eredmények értelmezési kérdései Dr. Ágoston Csaba

KÉMIA A KÉMIÁT SZERETŐK SZÁMÁRA

Textíliák felületmódosítása és funkcionalizálása nem-egyensúlyi plazmákkal

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

BIOMOLEKULÁK KÉMIÁJA. Novák-Nyitrai-Hazai

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

egyetemi tanár Nyugat-Magyarországi Egyetem

XXXVII. KÉMIAI ELŐADÓI NAPOK

A CITOSZKELETÁLIS RENDSZER (Nyitrai Miklós, )

Modern Fizika Labor Fizika BSC

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

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Átírás:

DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉZISEI Fehérjék nanomechanikai tulajdonságainak vizsgálata Atomi Er Mikroszkópiával NEMES CSILLA Témavezet : Dr. Rozlosnik Noémi ELTE, Biológiai Fizika Tanszék Semmelweis Orvostudományi Egyetem Doktori Iskola Ionizáló és nem ionizáló sugárzások biológiai hatásai Programvezet : Dr. Rontó Györgyi 2002

Kutatási célkit zések és módszerek Az utóbbi évtizedekben fontossá vált a felületek lokális mechanikai és adhéziós tulajdonságainak, valamint a nanoskálájú intra- és intermolekuláris kölcsönhatásoknak fiziológiás környezetben való vizsgálata. Molekuláris felbontású szerkezeti vizsgálatok hagyományos mikroszkópos és spektroszkópiás technikákkal végezhet k. A makromolekulák funkcionális tulajdonságai pedig különböz biokémiai és molekuláris biológiai módszerekkel vizsgálhatók. Következtetések levonását a különböz módszerekkel nyert szerkezeti illetve funkcionális információkból nehezíti, hogy az eljárások eltér minta-el készítést igényelnek. Ugyanakkor ezekkel a módszerekkel nagyon kevés információ nyerhet a biológiai molekulák felszínér l, lokális felületi tulajdonságairól, a molekulán belül és a molekulák között ható er kr l. Ezen a téren nagy el relépést jelentett az atomi er mikroszkópia (AFM) kifejlesztése és felhasználása nanoskálájú er mérésekre. A lokális er spektroszkópia segítségével a felület egy jól meghatározott pontján felvesszük az er -

távolság függvényt, ahol a távolság alatt a t z-irányú elmozdulását értjük, az er pedig egyenesen arányos a t t hordozó rugólapka elhajlásával. A görbe alakjából és a kezdeti meredekségb l következtethetünk a minta felületi tulajdonságaira (lokális adhézió, deformálhatóság), információkat kaphatunk a a biológiai makromolekulák között fellép er k nagyságáról, egyes kémiai kötések er sségér l. A fent említett tulajdonságok vizsgálata az utóbbi id ben egyre nagyobb hangsúlyt kapott, hiszen ezek a nanoskálán m köd kölcsönhatások határozzák meg az anyagok makroszkópikus tulajdonságait. Így pl. a mikroszkópikus adhézió számos folyamatot nagymértékben befolyásol: a különböz festékek és ragasztók hatékonyságát, a gyógyszerek hatásmechanizmusát. Szintén fontos az anyagok mikroszkópikus rugalmasságának ismerete, mivel ez határozza meg a különböz rendszerek szerkezeti és dinamikus jellemz it. Fontos a különböz makromolekulák között fellép nano- vagy pikonewton nagyságú er k ismerete és tanulmányozása is, mivel minden biológiai, biokémiai folyamatot (DNS replikáció,

fehérje szintézis, enzim reakciók, a specifikus és nemspecifikus antigén-antitest komplex kialakulása, stb.) az intermolekuláris er k határoznak meg. Tudjuk, hogy az oldat ionösszetétele befolyásolja a fehérjék szerkezetének stabilitását és felületi tulajdonságait, s ezek közül is leginkább az oldhatóságát. Vannak olyan ionok, amelyek stabilizálják a natív szerkezetet, de csökkentik az oldhatóságot. Ezek általában polárosak és úgy befolyásolják a fehérjéhez kötött víz szerkezetét, hogy az a szerkezet stabilitását fokozza. Ilyenek például a foszfát-ion, szulfát-ion. Más ionok csökkentik a stabilitást és növelik a fehérjemolekulák oldhatóságát, roncsolják a víz térhálós szerkezetét, mint például a tiocianát-ion. A klór-iont semlegesnek tekintjük, ugyanis alig van hatása a víz szerkezetére és 0.1-0.7 M-os koncentráció tartományban a fehérjékre sem gyakorol hatást. A doktori értekezésemben két különböz, de bizonyos pontokon mégis kapcsolódó témával foglalkoztam: fehérjék nanomechanikai tulajdonságainak vizsgálatával és a fehérjéket alkotó alegységek kitekeredéséhez szükséges er meghatározásával. A

különböz fehérjéken végzett er -méréseim további kísérletek kiindulópontjául szolgálnak, amelyek arra irányulnak, hogy összefüggést találjunk a fehérjék nanomechanikai és adhéziós tulajdonságainak változásai és a sejtek szerkezetében és m ködésében bekövetkezett változások között. A vizsgált fehérjék fontos szerepet játszanak a szervezetben. Az extracelluláris mátrixot alkotó két nem kollagén-szer fehérje, a laminin-nidogén komplex és a tenascin, kulcsfontosságúak a sejt alakjának meghatározásában, a sejt-sejt közötti adhézióban. Az albumin és a metallothionein ([1], [2]) részt vesznek számos anyag, ligandum, fém szállításában, homeosztázisuk fenntartásában és más folyamatban. A lizozim enzim aktivitással rendelkezik és a szervezet baktériumok elleni védelmében játszik fontos szerepet. A nanomechanikai méréseinkben a lizozimet, mint modell fehérjét használtuk, mivel kis molekulatömeg, globuláris (14kD és 129 aminosavból áll) fehérje, amely kísérleti körülményeink között könnyen letapasztható a szilárd hordózóra (csillámra).

Tudományos eredmények 1. Az er -spektroszkópai módszerrel különböz ionösszetétel és ion-er sség oldatokban felvettem az er - elmozdulás görbéket az AFM t mozgási sebességét változtatva. A különböz sebességeken felvett görbék hiszterézisének változásából az alábbi következtetéseket vonhatjuk le: 1.1. Az AFM t mozgási sebességének viszonylag kis tartományában (hozzávet legesen 60 és 280 µm/s közötti tartományban) a fehérje-réteg newtoni folyadékként viselkedik és ebben a tartományban jó közelítéssel alkalmazható Stokes törvénye, amib l a réteg viszkozitását kiszámíthatjuk [3]. 1.2. A viszkozitás az intermolekuláris súrlódás következménye, amely az oldat összetételével változik. Az általam használt ionok esetében a kapott viszkozitás eredmények összhangban vannak a Hofmeister-sorozat ionjainak a fehérjék oldhatóságára és stabilitására gyakorolt makroszkópikus hatásáról leírt megfigyelésekkel.

1.3. A viszkozitás legmagasabb értékét a foszfát-ionok jelenlétében figyeltem meg. A Hofmeister sorozatban a foszfát-ionok csökkentik a fehérje molekula oldhatóságát, tehát a fehérje rétegnek valószín leg kisebb lesz a szabad-víz tartalma. Ez megnövelheti a molekulák között adhéziós er t, és ez jelentkezik a viszkozitás növekedésében. Ennek megfelel en, a legalacsonyabb viszkozitást a tiocianát-ion jelenlétében figyeltük meg, amely annak a következménye, hogy több szabadon mozgó vízmolekula került a fehérjerétegbe. A klorid ionok a várakozásunknak megfelel en köztes hatást gyakoroltak. 1.4. A fehérje molekula deformálhatósága, a k p, a tiocianát-ionok jelenlétében a legkisebb, amely összhangban van a destabilizáló hatással, és a legnagyobb a stabilizáló hatású foszfát jelenlétében [3]. 1.5. Laminin esetében nem tudtuk ugyanazt a megközelítést használni a molekularéteg jellemzésére, mint amit a lizozim molekula esetében. A magyarázat az, hogy a fehérjerétegben a

molekulák er sen kötött hexagonális térszerkezetet alkotnak, és így a réteg még közelít leg sem viselkedik newtoni folyadékként. 2. A fehérjeláncot alkotó alegységek küls er hatására történ ki/visszatekeredési (folding/unfolding) folyamatai a molekula mechanikai stabilitását jellemzik. Nagyon sok fehérje mechanikai szerepet is betölt az él rendszerekben, ilyenek pl. az izomfehérjék és a sejtvázat ill. a sejtek közötti állományt alkotó fehérjék. Ezért ezen molekulák mechanikai stabilitásának vizsgálata további szerkezeti tulajdonságokkal kapcsolatos információt szolgáltathat. Ezek a fehérjék polipeptid-láncuk jellegzetes "kitekeredésén" keresztül fejtik ki funkcióikat. 2.1. A humán szérum albumin mechanikai er hatására történ ki/visszatekeredési folyamatait vizsgáltuk, meghatározva egy-egy alegység kitekeredéséhez szükséges er nagyságát illetve két csúcs közötti távolságot, amely egy kitekeredett alegység hosszának felel meg. 2.2. Az albumin ph függ konformációs átalakuláson megy keresztül, amely az er méréseken is megfigyelhet. Savas ph-n egy alegység

kitekeredéséhez szükséges er és két er csúcs közötti távolság lecsökkent. Ez azzal magyarázható, hogy alacsony ph-n az inter- és intramolekuláris er k átrendez dnek, s a fehérje-lánc konformációja lazább lesz. 2.3. A laminin molekulán mért er -elmozdulás görbék összetettek, hiszen a fehérje több nyújtható alegységbõl áll: (α-helikális régiók, α-helixet és β- lemezkét tartalmazó globuláris alegységek). Így az er -elmozdulás görbék értelmezése bonyolultabb feladat. A görbéken megjelen csúcsok egymástól való távolságának és a hozzájuk tartozó er knek eloszlás-függvényéb l egyértelm en meg lehetett határozni, hogy melyik alegység kitekeredésére jellemz ek a csúcsok [4]. 2.4. A kitekeredési er kre kapott mérési eredményeink alapján megállapítottam, hogy a laminin molekulát alkotó globuláris alegységek átmenetet jelentenek azon struktúrák között, amelyek csak α-helixb l vagy csak β-lemezkékb l állnak.

A doktori értekezés téziseihez kapcsolódó közlemények [1] Zs. Szitányi, Cs. Nemes and N. Rozlosnik: "Metallothionein and heavy metal concentration in blood" Microchemical Journal 54, 246-251 (1996) [2] Zs. Szitányi, Cs. Nemes and N. Rozlosnik. "Lead detoxification: the roles of essential metals and metallothionein" Central European Journal of Enviromental and Occupational Medicine 4 (1), 51-58 (1998) [3] Cs. Nemes, J.J. Ramsden, N. Rozlosnik "Direct measurement of the viscoelasticity of adsorbed protein layers using atomic force microscopy" Phys. Rev. E. 60(2), R1166-R1169 (1999) [4] Cs. Nemes, J.J. Ramsden, N. Rozlosnik "The unfolding of native laminin investigated by atomic force microscopy" Physica A (2002)

Közlemények konferencia kiadványokban [5] Cs. Nemes, J.J. Ramsden, N. Rozlosnik "Direct measurement of nanomechanical properties of thick layer of lysozyme" Polymer Preprint 39(2), 1199-1200 (1998) Magyar nyelv közlemények [6] Rozlosnik N., Nemes Cs., Glavák Cs. "Pásztázó er méréses mikroszkópia " Modern fizikai mérések biológusoknak, jegyzet, szerk.: Rozlosnik Noémi (ELTE, 1999) [7] Nemes Cs., Ramsden, J.J., Rozlosnik N. "Atomer -mikroszkópos mérések biológiai alkalmazásai" Fizikai Szemle 2, 58-61 (2002)