Fogorvosi Anyagtan Fizikai Alapjai Biomolekulák nanomechanikája A biomolekuláris rugalmasság alapjai Mártonfalvi Zsolt Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet Semmelweis Egyetem Budapest
Biomolekulák mint polimerek A biomolekulák polimerek. Közös bennük: Lineáris elsődleges szerkezet (fehérje, DNS) Monomerek között erős kötések (kovalens) A lánc távoli részei között gyengébb másodlagos kötések 1. Lineáris DNS, fehérje, cellulóz 2. Elágazó glikogén 3. Cirkuláris mt DNS
Milyen alakúak a biopolimerek? Biopolimerek alakját leíró paraméterek Perzisztencia hossz Kontúrhossz Vég-vég hossz Kontúrhossz (L): A lánc teljes hossza Kettős szálú DNS Ds j Vég-vég hossz (R): A lánc két végpontja között mért távolság. e -1 cosj e Ds l Perzisztenciahossz (l) : jellemzi a láncirányultság állandóságát. l A rövidebb perzisztenciahosszal rendelkező polimerek rugalmasabbak.
Biopolimerek osztályozása hajlékonyságuk l = perzisztenciahossz L = kontúrhossz Merev l >> L alapján Mikrotubulus Sejtosztódás Szemiflexibilis l L Mikrofilamentum aktin tubulin Hajlékony l << L DNS
A biopolimerek alakja a bolyongó mozgás segítségével leírható Random -bolyongó- mozgás Négyzetgyök összefüggés : rn R 2 Nl 2 Ll r1 R R 2 = átlagos négyzetes vég-vég távolság N = elemi vektorok száma l = átlagos elemi vektor hossza (perzisztenciahossz) Nl = L = kontúrhossz R = vég-vég távolság r i = elemi vektor R = ll Entrópikus polimer esetén a négyszer hosszabb lánc átlagos vég-vég távolsága csak kétszer hosszabb. Rövidebb perzisztenciahossz (l) esetén a lánc hajlékonyabb ezért jobban feltekeredik, vég-vég hossza rövidebb. Biofizika 2. félév: Diffúzió x = 2Dt
Rugalmasak-e a biopolimerek? Igen, de nem érvényes Hooke törvénye. Rugalmasságuk nem lineáris. Entrópikus rugalmasság A megrövidült lánc erővel kinyújtható Hőmérsékleti energia (k B T) a láncban hajlítómozgásokat gerjeszt A lánc rendezetlensége (entrópiája) növekszik. F~ k BT l R L + R L a F = erő l = perzisztenciahossz k B = Boltzmann állandó T = abszolút hőmérséklet L = kontúrhossz R = vég-vég hossz R/L = relatív megynúlás Nemlineáris erőválasz A lánc rövidül Növekvő perzisztenciahossz perzisztenciahossz erő (F) vég-vég hossz(r)
Lehet egyedi molekulákat nyújtani? a lézercsipesz lézer nyaláb Mikroszkóp objektívek mikrogyöngy lézer nyaláb Mozgatható mikropipetta Vizsgált molekula (DNS, fehérje ) http://glass.phys.uniroma1.it/dileonardo/applet.php?applet=trapforcesapplet
Erő (pn) Kettős szálú DNS nyújtása lézercsipesszel Bakteriofág DNS pakoló motorja 65 pn túlnyúlás nemlineáris rugalmasság Megnyúlás (mm) F = 55 pn
Globuláris fehérje kitekerése erővel A mechanikai stabilitás alapja: H-hidak a domén első és utolsó ß-láncai között
A harmadlagos szerkezet megszabja egy fehérje mechanikai stabilitását H-hiadak merőlegesek az erőhatás irányára : Nagyfokú stabilitás A kitekeredéshez szükséges erő nagyobb mint 200 pn Carrion-Vazquez et al. 2000 H-hiadak párhuzamosak az erőhatás irányával: Kevésbé stabil A kitekeredés már 100 pn alatti erőknél végbemegy Carrion-Vazquez et al. 2000
Titin: a szarkomer rugalmas filamentuma izomrost szarkolemma miofibrillum Z-lemez H-csík Z-lemez vastag f. vékony f. A-szakasz I-szakasz sejtmag szarkome r Z Vékony filamentum M Vastag filamentum Z I-szakasz titin globuláris domének random (rugalmas) domén
feszítés (kpa) Erő (pn) Erő (pn) A titinmolekula az izom passzív rugalmasságának fő meghatározója 140 120 120 115 110 Egyedi titin molekula ~28-30 nm Molekuláktól a szövetig Az izom rugalmassága a titin molekuláris rugalmasságával magyarázható 100 80 105 100 2.20 2.25 2.30 2.35 Megnyúlás (mm) 2.40 Izomrost 60 40 20 nyújtás 0 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 Megnyúlás (mm) 2.0 2.4 2.8 vissza megnyúlás (%)
Erő (pn) Erő hatására hogyan változik a titin szerkezete? 200 nm Molekula nyújtás visszahúzódó folyadék meniszkusszal Egyedi domének kitekeredése Erő Megnyúlás (mm) Nyújtási erő kitekert domén
Lehet-e csomót köti egy DNS molekulára? Igen! A DNS rugalmas Kinosita Group