Čo je molekulárna biológia?

Transcript

1 P1/1 Čo je molekulárna biológia? Molekulárna biológia študuje vzťah štruktúry a interakcií biologických makromolekúl (fyzikálna a chemická úroveň) k funkciám a vlastnostiam živých sústav (biologická úroveň) J. D. Watson a F. H. Crick (1953) návrh modelu DNA Fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami molekuly DNA vysvetlili jej biologickú funkciu ako génu, zdvojovanie pred delením, semikonzervatívnu replikáciu, schopnosť kódovať genetickú informáciu vysvetlili primárnou štruktúrou DNA a mutabilitu tautomérnymi vlastnosťami báz. Molekulárna biológia významne dopomohla k poznaniu, že začiatky života sú úzko spojené s interakciami bielkovín a nukleových kyselín Molekulárna biológia ako vedný odbor: (začiatok šesťdesiatych rokov) - zakladanie ústavov a podporovanie výskumu pod týmto menom - medzinárodné časopisy s uvedeným názvom - vydávanie učebníc a monografií pod týmto názvom - teória proteosyntézy v organizmoch na princípe centrálnej dogmy molekulárnej biológie molekulárna biológia: molekulárna genetika, génové inžinierstvo, molekulárna biológia vírusov, onkológia, eukaryotov, imunológia, neurobiológia, evolúcia, molekulárna taxonómia...

2 P1/2 Biomakromolekuly proteíny, nukleové kyseliny, polysacharidy (m.h Da) Informačné biomakromolekuly: zabezpečujú prenos genetickej informácie polyméry (monomér, homopolymér - poly(x), heteropolymér - poly (XY), poly(xyz). Nukleové kyseliny: Kyselina ribonukleová (RNA), jedno alebo dvojvláknové komplementárne polyribonukleotidové reťazce zložené z monomérnych jednotiek : UMP uridín -5 -monofosfát, CMP cytidín -5 -monofosfát, AMP adenozín -5 monofosfát, GMP guanozín -5 -monofosfát. Kyselina deoxyribonukleová (DNA), jedno alebo dvojvláknové komplementárne polydeoxyribonukleotidové reťazce zložené z monomérnych jednotiek: dtmp 2 -deoxytymidín-5 -monofosfát, dcmp 2 -deoxytcytidín-5 -monofosfát, damp 2 -deoxyadenozín-5 -monofosfát, dgmp 2 -deoxyguanozín-5 -monofosfát. Proteíny-bielkoviny, jeden alebo viac polypeptidových reťazcov zložených zo štandardných aminokyselín (21). Konformácia: priestorové usporiadanie makromolekuly, ktoré je pre ňu za daných podmienok energeticky najvýhodnejšie. Informácia, podľa ktorej sa v bunke tvorí primárna štruktúra proteínov (sekvencia aminokyselín v polypeptidovom reťazci) je obsiahnutá v poradí nukleotidov DNA a RNA (v primárnej štruktúre DNA a RNA, nukleotidovej sekvencii DNA a RNA).

3 P1/3 Proteíny-bielkoviny (prolín, -NH-) určuje chemické vlastnosti AMK Amfolyty- amfoterné látky Optická aktivita enantiomérne izoméry

4 P1/4 alifatické AMK Štandardné L - aminokyseliny * aromatické AMK kyselé AMK neutrálne AMK NP = nepolárny zbytok (hydrofóbne), P = polárny zbytok (hydrofilné, amidové a hydroxylové skupiny AMK sa podieľajú na tvorbe vodíkových väzieb), K = kyslý zbytok (R obsahuje karboxylovú skupinu, pri neutrálnom ph je v R záporný náboj), Z = zásaditý zbytok (pri neutrálnom ph je v R kladný náboj)

5 P1/5 Štandardné L - aminokyseliny síru obsahujúce AMK * iminokyselina alinaa zásadité AMK * glycínreduktáza, formiátdehydrogenáza, bakteriálna hydrogenáza, NP = nepolárny zbytok (hydrofóbne), P = polárny zbytok (hydrofilné, amidové a hydroxylové skupiny AMK sa podieľajú na tvorbe vodíkových väzieb), K = kyslý zbytok (R obsahuje karboxylovú skupinu, pri neutrálnom ph je v R záporný náboj), Z = zásaditý zbytok (pri neutrálnom ph je v R kladný náboj)

6 P1/6 Chemická modifikácia štandardných aminokyselín 1. Fosforylácia: pripojenie fosfátovej skupiny k hydroxylovej skupine serínu, tyrozínu alebo treonínu (fosfoproteíny). 2. Acetylácia: zavedenie acetylovej skupiny do lyzínu 3. Metylácia: zavedenie metylovej skupiny do lyzínu, histidínu 4. Glykozylácia: pripojenie oligosacharidu alebo heteropolysacharidu k amidovej skupine asparagínu, serínu alebo glutamínu (glykoproteíny), N-glykozidová alebo O- glykozidová väzba 5. Hydroxylácia: uplatňuje sa pri modifikácii prolínu a lyzínu v kolagéne za vzniku 3-hydroxyprolínu alebo 4-hydroxyprolínu, prípadne 5-hydroxylyzínu

7 P1/7

8 P1/8 Primárna štruktúra proteínov oligopeptid < 10 AMK polypeptid > 10 AMK a a polypeptidový reťazec obsahuje obyčajne 100 a viac AMK všetkých 6 atómov, ktoré sa podieľajú na peptidovej väzbe sú koplanárne, sú v rovnakej rovine Konfigurácia peptidovej väzby trans (energeticky výhodnejšia, menšie sférické zábrany postranných reťazcov) Biologický význam primárnej štruktúry proteínov primárna sekvencia aminokyselín obsahuje informácie, podľa ktorej sa vytvára sekundárna, terciárna a kvartérna štruktúra proteínov, realizuje sa ich nadmolekulárna štruktúra a ich biologická funkcia

9 Sekundárna štruktúra proteínov interakcia polárnych skupín s vodou, hydratácia (väčšinou sú orientované smerom von z reťazca) in vitro in vivo V bunke trvá tento proces len niekoľko sekund, katalyzuje ho enzým proteíndisulfidizomeráza (PDI, EC ) Pod sekundárnou štruktúrou rozumieme usporiadanie polypeptidového reťazca do štruktúry a- závitnice (a-helixu) alebo b štruktúry (b -skladaného listu)

10 P1/10 Sekundárna štruktúra proteínov a-závitnica Na každý závit v pravotočivej a-závitnici pripadajú 2 vodíkové väzby, na jednu otáčku 360 pripadá 3,6 zbytku AMK, vzdialenosť jedného C a od druhého je 0,15nm, na jeden závit pripadá priemerne 0,54nm, tj. 3,6 x 0,15, šírka závitnice je asi 1nm Proteín tvorený jedným polypeptidovým reťazcom nezaujíma celý tvar a-závitnice (napr. myoglobín len 75% tvorí a-závitnica), priemerne pripadá na jednu a-závitnicu 10 AMK zbytkov, okrem prolínu sa na tvorbe a-závitnice môžu podielať všetky AMK

11 P1/11 Sekundárna štruktúra proteínov b-štruktúra 5-10 AMK V modeloch proteínových molekúl sa a-závitnice vyjadrujú valcom a b-štruktúry plochými šípkami

12 P1/12 Sekundárna štruktúra proteínov b-štruktúra

13 P1/13 Terciárna štruktúra proteínov priestorové trojrozmerné usporiadanie polypeptidového reťazca (disulfidické väzby, rôznosť povahy postranných skupín AMK tvoriť nekovalentné väzby) globulárne bielkoviny: usporiadanie v ktorom sa striedajú a-závitnice a úseky b-skladaného listu s ostatnými úsekmi proteínu do výsledného guľovitého tvaru (väčšina proteínov zaujíma globulárny tvar) fibrilárne bielkoviny: usporiadanie v ktorom prevládajú úseky a-závitnice (a-keratín, vlasy, nechty) alebo len úseky b-skladaného listu Terciárna štruktúra lyzozýmu b-otáčka (glycín, prolín) peptidylprolylizomeráza

14 P1/14 Kvartérna štruktúra proteínov vyjadruje spôsob usporiadania jednotlivých polypeptidových reťazcov v molekule proteínu, je charakterisitická len pre oligomérne bielkoviny (dimér, trimér, tetramér, pentamér) Vznik kvartérnej štruktúry proteínu, spojením podjednotiek vodíkovými väzbami vnikne dimér, ktorého výsledná stabilita závisí od počtu vodíkových väzieb Proteínové domény sú úseky proteínov s charakteristickou primárnou, sekundárnou a terciárnou štruktúrou, ktoré určujú špecifickú funkciu daného úseku bielkoviny Vzájomné pôsobenie domén v proteínovej molekule je základom jej biologickej funkcie Denaturácia a renaturácia bielkovín Informácie potrebné pre tvorbu vyšších štruktúr proteínov sú dané už v primárnej štruktúre bielkovín

15 P1/15 Zostavovanie oligomérnych proteínov a nadmolekulárnych štruktúr Nadmolekulárna štruktúra vírusu tabakovej mozaiky (samozostavovanie nadmolekulárnych proteínových štruktúr - ribozómy)

16 P1/16 Účasť chaperónov na procese zbaľovania proteínov hsp70 zabezpečuje zbalenie do kvartérnej štruktúry väzbou na hydrofóbne časti nezbaleného polypeptidu po uvoľnení z ribozómu Chaperóny sú proteíny, ktoré v bunke zabezpečujú zbaľovanie polypeptidových reťazcov a zostavovanie podjednotiek do oligomeróv a nadmolekulárnych štruktúr, tým spôsobom, že rozoznávajú povrchy interagujúcich monomérov a zabraňujú ich spojovaniu do nefunkčných agregátov.

17 P1/17 Niektoré funkcie a výskyt chaperónových rodín hsp70, hsp60 a hsp90

18 P1/18 Biologická funkcia proteínov Rozpoznávacia funkcia: proces špecifického spojenia dvoch biologických makromolekúl alebo biologickej makromolekuly s malou molekulou, ktorý spočíva v nekovalentných interakciách (vodíkové väzby, enzým-substrát, receptor-hormón, imunoglobulín-antigén, stavebné podjednotky pri výstavbe bunkových štruktúr, rozpoznávanie nukleových kyselín bielkovinami). Proteíny ako enzýmy: urýchľujú (katalyzujú) chemické reakcie v živých sústavách a určujú ich smer a špecifickosť (živočíšna bunka obsahuje priemerne 4000 enzýmov). Aktívne centrum: jedna časť rozoznáva a viaže substrát, druhá časť katalyzuje chemickú reakciu. Kofaktor: neproteínová zložka, ktorá napomáha prenosu atómov, elektrónov z jedného substrátu na druhý. Prostetická skupina - koenzým Alosterické efektory- aktivátory Vplyv aktivátorov na konformáciu a aktivitu enzýmov

19 P1/19 Klasifikácia enzýmov 1. Oxidoreduktázy: A red + B ox A ox + B red 2. Transferázy: A---B + C A + B---C 3. Hydrolázy: A---B + H 2 O A---H + B---OH 4. Lyázy (syntázy): A + B A---B 5. Izomerázy: A IzoA 6. Ligázy (syntetázy): A + B + ATP A---B + ADP + P Ďalšie biologické funkcie proteínov tvoria štruktúru základnej cytoplazmy, ribozómov a iných organel zabezpečujú transport látok cez bunkové membrány ako regulačné proteíny riadia rast a diferenciáciu buniek kontraktilné proteíny-pohybové mechanizmy bunkových štruktúr fibrilárne elastické proteíny-podporné tkanivá prenášače signálov vo vnútri buniek a medzi bunkami protilátky v imunitnéj obrane receptory v bunkových membránach

20 P1/20 Proteazóm: zabezpečuje rozpoznávanie, odstránenie nedokončených a poškodených proteínových štruktúr, nesprávne zbalených alebo nadbytočných proteínov pomocou proteáz, ktoré boli v bunke označené ubikvitínom.

21 P1/21 Schéma cyklu ubiktivínu

22 Kontrolné otázky: 1. Charakterizujte chemické, fyzikálno-chemické a biologické vlastnosti AMK - význam postranných reťazcov AMK, peptidická väzba, systémy delenia AMK. 2. Charakterizujte primárnu, sekundárnu, terciárnu a kvartérnu štruktúru bielkovín, vrátane typu väzieb, ktoré sa podieľajú na vzniku uvedených štruktúr. 3. Vysvetlite pojem zbaľovanie a samozostavovanie proteínov vrátane mechanizmov, ktorými sa v bunke realizujú. 4. Vysvetlite mechanizmus eliminácie prebytočných a nesprávne zbalených proteínov v živočíšnej bunke.