Biopolimerek Makromolekulák szerkezete. Fehérje szerkezet, és tekeredés. Osztódó sejt magorsófonala Kardos Roland 2009.10.29. Dohány levél epidermális sejtjének aktin hálózat Bakteriofágból kiszabaduló DNS Polimerek DNS Polimer: hasonló alegységekből (monomer) felépülő makromolekulák Alegységek száma: tipikusan 102-104 Titin: 3,435*104 aminosav 1953 Rosalind Franklin DNS kettős spirál C132983H211861N36149O40883S693 8 nukleotid Humán kromoszóma 1: 2,25*10Alegység Biopolimer Kötés Nukleinsav (RNS, DNS) Nukleotid (CTUGA) Kovalens (foszfodiészter) Poliszacharid (pl. glikogén) Cukor (pl. glukóz) Kovalens (pl. -glikozid) Fehérje Aminosav Kovalens (peptidkötés) Fehérjepolimer (pl. mikrotubulus, aktin filamentum) Fehérje (pl. tubulin) Másodlagos (Hidrogén kötés, ionos kötés,stb) DNS röntgen diffrakciós képe 1953 James D. Watson és Francis Crick DNS modell T-A (2 hidrogén kötés) C-G (3 hidrogén kötés) DNS elsődleges szerkezete NATURE-1953 Foszfodiészter kötés 2 dezoxi-ribóz között 1962 Nobel díj Robert Obly s-the path to the double helix DNS dupla hélix JamesD. Watson-Double helix Hidrogén kötések a komplementer bázis párok között 1
DNS másodlagos szerkezet DNS mechanikai tulajdonságai A kb. 2m hosszú DNS a 10 µm átmérőjű sejtmagban!!! Nagy árok: ligand támadási pont DNS perzisztencia hossza 46-50 nm (140-150 bázis pár) Kis árok Flexibilis molekula. DNS entrópikus rugalmassága. Benzopirén A-DNS: rövid (2,4 nm), széles, dehidratált Hidrogén kötés B-DNS: hosszú hélix(3,4 nm), 10 b.p. Elektrosztatikus kötés Z-DNS: megnyúlt (pirin-pirimidin alternáció), metiláció Van der Waals Amino savak a fehérjék építőkövei Fehérjék Protein elsődleges fontosságú Primitív molekulák melyek fontos szerepet játszanak a növényevő állatok táplálkozásában. Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) 1926 Karboxil csoport Amino csoport 1.) Amfoter ureáz egy enzim 2.) Királis (kivéve glicin) Oldallánc (R) (NH2)2CO + H2O CO2 + 2NH3 Balkezes enantiomer Ureáz tisztítása, kristályosítása. Nobel díj 1946 James B. Sumner (1887-1955) Oldallánc kémiai természete. R: 20-féle lehetséges oldallánc (nagyfokú variabilitás)! Fehérjék szerkezete Elsődleges szerkezet: aminosav sorrend 1. Apoláros (leucin, prolin) 2. Poláros,semleges (cisztein, szerin) 3. Poláros,töltéssel rendelkező (glutamin sav, lizin) Frederick Sanger 1958 Nobel díj Peptid kötés kialakulása. Inzulin (51 a.s.) szekvenciájának meghatározása 1955 2
Fehérjék másodlagos szerkezete Fehérjék harmadlagos és negyedleges szerkezete Másodlagos szerkezeti elemek hidrogén kötéseken keresztül stabilizálódnak. Másodlagos strukturális elemek 3-dimenziós elrendeződése. Több alegység összekapcsolódásából létre jött szerveződési szint. β-redő α-hélix Hemoglobin α-alegysége 1.) Ionos kötés 2.) Diszulfid híd 3.) Hidrofób kölcsönhatás 4.) Hidrogén kötés Hemoglobin A (2α és 2β alegység) Fehérje szerkezet vizsgáló módszerek (Röntgendiffrakció) Bálna mioglobin Fehérjék feltekeredése (folding) Max Perutz és Sir John Cowdery Kendrew 1962 Kémiai Nobel díj Kristályról szóródó röntgen sugarak az interferencia jelenségét mutatják. Szerkezet nélküli fehérje lánc. Natív fehérje. Bragg-egyenlet: In vivo hő sokk fehérjék ( chaperone ) segítik elő a feltekeredés folyamatát (Hsp60,70,90,100)! 1961-Anfinsen kísérlet (termodinamikai modell). Fehérje feltekeredés termodinamikai megközelítése. Christian B. Anfinsen (1916-1995) Ribonukleáz (124 a.s.) denaturációja in vitro. Nobel díj 1972 A fehérjék három dimenziós szerkezete az elsődleges szerkezetben kódolva! Termodinamikai szempontból a fehérjék natív szerkezete képviseli az energia minimumot. Szabad entalpia változás. Spontán folyamat során a szabad entalpia változás negatív! 3
Levinthal paradox Energia tölcsér modell Cyrius Levinthal-elméleti biokémikus (1969) Kiindulási szerkezet 100 aminosavból álló peptid 2 konformációs lehetőség aminosavanként 2 100 variáció 1 konformációs állapot 1ps 10 10 év szükséges a natív állapot eléréséhez (több mint az univerzum életkora) Cyrius Levinthal Átmeneti állapot Valóságban a feltekeredés µs-ms! Fehérjék feltekeredésének kinetikája! Energia Natív interakciók száma Oldalláncok közti kapcsolatok száma Szabad energia Natív fehérje Konformációs állapot Energia tölcsér keresztmetszete Energia tölcsér modellek különböző fehérjékre Entrópia 1.) Entrópia-konformációs szabadságifokok száma 2.) Energia-termodinamikai stabilitás Energia Natív konformációjú oldalláncok százalékos aránya 3.) Lokális minimumok-intermedier termékek Nincs köztes állapot (kicsi, globuláris fehérjék). Kisebb stabilitású köztes állapot (pl.lizozim). Natív szerkezet Stabil köztes állapot (pl.β-amiloid). Fehérjék feltekeredésének lehetséges módjai 1.) Hidrofób kollapszus: kezdetben egy hidrofób mag kialakulás Fehérje feltekeredést vizsgáló módszerek 1.) Megállított áramlású reaktor. (ms időskálán a folyamatok követése abszorbancián vagy fluoreszcencián keresztül) Hidrofób Hidrofil aminosavak mag A feltekeredés kinetikájáról kapunk információt. Reaktor sematikus ábrája. 2.) Keret modell: kezdetben másodlagos szerkezeti elemek kialakulása 2.)Lézercsipesz,atomerő mikroszkóp Mérési elrendezés lézer csipesznél. 4
Fehérje szerkezet, és feltekeredés gyakorlati jelentősége Nem megfelelően feltekeredett (misfolded) proteinek Prion: hibás térszerkezetű fehérjék, melyek fertőző ágensként viselkednek -Kuru ( nevető halál ) Daniel Carleton Gajdusek 1976 Nobel díj -Creutzfeldt-Jakob szindróma -Kerge marhakór 1.) Gyógyszerek tervezése pl. receptor blokkolók β-amiloid felhalmozódása Alzheimer s kór Amiloid plakkok kialakulása az agyban A polimerek alakja bolyongó mozgásra emlékeztet (Brown mozgás) Négyzetgyök törvény : rn R ri=elemi vektor R= vég-vég távolság, end-to-end hossz Biopolimerek mechanikája Entropikus rugalmasság termikus gerjesztésre a polimerlánc random, ide-oda hajló fluktuációkat végez Vég-vég távolság F=erő (R) LP=korrelációs hossz (perzisztenciahossz, mely a hajlítómerevséget jellemzi) kb=boltzmann állandó T=abszolút hőmérséklet L=kontúrhossz R/L=relatív megnyúlás N=elemi vektorok száma Nl=L=kontúrhossz N.B.: Diffúzió! < x2>=2d < x2> = átlagos négyzetes elmozdulás D = diffúziós állandó = diffúziós idő (megfigyelés időtartama) Az entropikus lánc rugalmassága nő a lánc konformációs entrópiája (elemi vektorok orientációs entrópiája). =korrelációs hossz r1 Kuru-ban szenvedő őslakosok Biopolimerek alakját leíró modellek Biopolimerek flexibilitása A polimerek nem merev rúdként viselkednek, flexibilitásuk miatt. Flexibilitás oka Leíró modell 1. C-C kötések körüli rotáció, 2. Súrlódásmentes pántokkal összekapcsolt merev rudak 3. Kötés torzulás pl. DNS, Titin 1 2 1. Szabadon rotáló lánc 2. Szabadon kapcsolt lánc (FJC), 3. Féregszerű polimerlánc (WLC). Merev lánc LP>>L Mikrotubulus LP=1-6 mm Szemiflexibilis lánc LP~L LP=10-20 µm Aktin filament 3 Flexibilis lánc LP<<L Titin 5
Polimerek mechanikai manipulációja (Atom erő mikroszkóp) Csomókötés aktin filamentumra lézercsipesszel 10µm Az atom erő mikroszkóp tűjének elhajlása egy lézernyaláb segítségével detektálható. Az atom erő mikroszkóp tűje nagyon flexibilis (pn (10-12 N)) Titin mechanikai manipulációja lézer csipesszel Titin biológiai jelentősége Titin megnyújtása lézercsipesszel. F ~ domén stabilitása 2 csúcs közötti távolság ~ kontúr hossz Erő-megnyújtás görbe Köszönöm a figyelmet! 6