Βιοφυσική. ΦΥΣ 415 Διδάσκων Σ. Σκούρτης (χειμερινό εξάμηνο ) 3 η Διάλεξη

Transcript

1 Βιοφυσική ΦΥΣ 415 Διδάσκων Σ. Σκούρτης (χειμερινό εξάμηνο ) 3 η Διάλεξη

2 Από την προηγούμενη διάλεξη: Οι πρωτεΐνες εκτελούν τις περισσότερες βιολογικές λειτουργίες π.χ Ενζυμική κατάλυση (επιτάχυνση χημικών αντιδράσεων) Συνδιασμένη κίνηση (μύες) Μηχανική στήριξη Μεταφορά και αποθήκευση Ανοσολογική προφύλαξη Ρύθμιση της ανάπτυξης και της διαφοροποίησης Δημιουργία και μεταφορά νευρικών ώσεων κλπ, κλπ...

3 Γενετικός κώδικας (DNA/RNA) Μεταγραφή DNA RNA Μετάφραση RNA πρωτεΐνη Αλληλουχία από αμινοξέα αναδίπλωση Συγκεκριμένη Δομή της πρωτεΐνης Σχέσεις δομήςλειτουργίας και δυναμικήςλειτουργίας Δυναμική (κίνηση) της πρωτεΐνης ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΔΡΑΣΗ (ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ) ΤΗΣ ΠΡΩΤΕΪΝΗΣ

4 ΜΕΡΙΚΑ ΘΕΜΕΛΙΩΔΗ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΒΙΟΦΥΣΙΚΗΣ Σχέση μοριακής δομής της πρωτεΐνης με τη λειτουργία της Πως η στερεοδιάταξη της πρωτεΐνης επηρεάζει τη λειτουργία της; Σχέση δυναμικής της πρωτεΐνης με τη λειτουργία της Πως η κίνηση της πρωτεΐνης επηρεάζει τη λειτουργία της; Το πρόβλημα της αναδίπλωσης Με ποιους φυσικούς μηχανισμούς η αλληλουχία των αμινοξέων σε μία πρωτεΐνη καθορίζει τη συγκεκριμένη τρισδιάστατη δομή της;

5 Σχέσεις δομής-λετουργίας και δυναμικής-λειτουργίας στις πρωτεΐνες Παράδειγμα: Μυοσφαιρίνη

6 Μυοσφαιρίνη Μεταφορά Ο 2 στους μύες Συμπαγής πρωτεΐνη με 153 αμινοξέα (45x25x15 Ǻ) Προσθετική ομάδα: ομάδα της αίμης (πορφυρίνη + άτομο Fe(2+)) Το Ο 2 συνδέεται με το άτομο σιδήρου Fe(2+) της αίμης Δέσμευση του μονοξειδίου του άνθρακα CO ελαχιστοποιείται λόγω της ιστιδίνης Ε7. Σε περιβάλλον Η 2 ΟτοCO δεσμεύεται 10 3 φορές πιο πολύ με το Fe(2+) της αίμης απ ότι συνδέεται το Ο 2.. (με το Fe(2+) ) Στη μυοσφαιρίνη το CO δεσμεύεται 30 φορές πιο πολύ με το Fe(2+) της αίμης απ ότι το Ο 2.

7 Σχέσεις δομής-λειτουργίας Η πρωτοταγής δομή της μυοσφαιρίνης L. Stryer Βιοχημεία Ι, 1994 (κεφ. 7)

8 Η δευτεροταγής και τριτοταγής δομή της μυοσφαιρίνης Ομάδα της αίμης L. Stryer Βιοχημεία Ι, 1994 (κεφ 7) α-έλικα

9 Η ομάδα της αίμης (προσθετική ομάδα) L. Stryer Βιοχημεία Ι,ΙΙ 1994 (κεφ. 7)

10 L. Stryer Βιοχημεία Ι, 1994 (κεφ. 7)

11 Παρεμπόδιση CO από Ιστιδίνη Ε7 L. Stryer Βιοχημεία Ι, 1994 (κεφ. 7)

12 Σχέσεις δυναμικής-λειτουργίας Πως το Ο 2 εισέρχεται στο εσωτερικό της μυοσφαιρίνης και πως απελευθερώνεται; Η μυοσφαιρίνη πρέπει να κινείται (να ανοίγει) για να επιτρέπει την κίνηση του Ο 2 Ποιές είναι οι χαρακτηριστικές ταλαντώσεις της πρωτεΐνης και οι συχνότητές τους και πως καθορίζονται από τη δομή της; Από πειράματα και προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής ξέρουμε την κίνηση των Ο 2 και CO στην μυοσφαιρίνη με μεγάλη ακρίβεια (10 11 μέτρα, δευτ)

13 Voet & Voet 3 rd ed. Κεφ. 10

14 L. Stryer Βιοχημεία Ι 1994 Οι πρωτεΐνες και γενικότερα τα RNA και DNA είναι κινούμενα μακρομόρια

15 Van Holde Johnson & Ho 1998

16 Το μακρομόριο εκτελεί ταλαντώσεις γύρω απότημέσηδομήτου

17 Van Holde Johnson & Ho 1998

18 Το πρόβλημα της αναδίπλωσης Για μια τυπική πρωτεϊνική αλυσίδα 100 αμινοξέων, εάν (συντηρητικά) υποθέσουμε ότι κάθε αμινοξύ έχει ~10 διατάξεις στο χώρο, ο αριθμός διατάξεων (δομών) της πρωτεΐνης θα είναι ~ Πως βρίσκει η πρωτεΐνη (μέσα σε π.χ. υδάτινο διάλυμα) σε ~10-3 δευτ. τη λειτουργική της δομή; Πως σταθεροποιείται η λειτουργική δομή όταν βρεθεί; Το δεύτερο πρόβλημα έχει λυθεί Για το πρόβλημα της αναδίπλωσης έχει γίνει πρόοδος αλλά δεν έχει λυθεί πλήρως

19 Πείραμα Anfinsen Voet & Voet 3 rd ed. Κεφ. 9

20 Στάδια αναδίπλωσης Protein Physics Finkelstein & Ptitsyn (κεφ. 19)

21 Οι σημαντικότερες πειραματικές τεχνικές για την εξεύρεση των δομών των βιολογικών μακρομορίων Η μέθοδος περίθλασης ακτίνων Χ Η μέθοδος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Ιστοσελίδες με δομές πρωτεϊνών: Molecular Biology Protein Structure Laboratory, Molecular Visualization Protein Data

22 Μέθοδος περίθλασης ακτίνων Χ (X-ray diffraction) M. Von Laue (Nobel 1914) W. Bragg &.L. Bragg (Nobel 1915) Perutz, Kendrew, Hodgkin (Nobel 1962) Crick, Watson, Wilkins (Nobel 1962) Γέννηση της δομικής βιολογίας

23 Περίθλαση ακτίνων Χ nλ = 2dsinθ Δομή της Μυοσφαιρίνης 1 Å = μέτρα Συμπαγής πρωτεΐνη (45x25x15 Ǻ) Μεταφορά Ο 2 στους μύες

24 Πυκνότητα ηλεκτρονίων Stryer 1994

25 Μέθοδος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (nuclear magnetic resonance) Μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων των ατόμων I. Rabi (Nobel 1944) F. Bloch & E. Purcell (Nobel 1952) R. Ernst (Nobel 1991) K. Wüthrich (Nobel 2003) Δομή + κίνηση

26 Η μεγαλύτερη διεθνής βάση δεδομένων με (πειραματικές) δομές βιομορίων ~ 60,173 δομές (στις 15/09/09) Protein Data Bank