Φυσική Στερεών στις Πρωτεΐνες

Transcript

1 Φυσική Στερεών στις Πρωτεΐνες Νίκος Απ. Παπανδρέου Τ.Ε.Ι. Πειραιά Φεβρουάριος 2010

2 Ένα ελικοϊδές μονοπάτι

3 Χημική δομή μίας πρωτεΐνης Μήκος αλυσίδας ~30 έως ~1000 αµινοξέα Συνολικός αριθµός ατόµων έως ~ 10 5 Πολυπεπτιδική αλυσίδα R: πλευρική αλυσίδα Χαρακτηρίζει τον τύπο του αµινοξέος 20 είδη πλευρικών Αλυσίδων 20 τύποι αµινοξέων

4 Τα 20 αμινοξέα Υδρόφοβα Πολικά (Υδρόφιλα) Φορτισµένα

5 Αμινοξική ακολουθία AFWGYTRKLMNQSEVHPKLLIPKCGFTEVNPHCYRLIL Εδώ βρίσκεται κωδικοποιηµένη η Βιοχηµική δράση της πρωτεΐνης

6 Στερεοδομή μίας πρωτεΐνης Σε φυσιολογικές συνθήκες (υδατικό διάλυμα) η πρωτεΐνη αναδιπλώνεται σε μία μοναδική και σταθερή 3D δομή, που είναι βιοχημικά ενεργή. Αυτόνομη δομική περιοχή: ~30 έως ~200 αμινοξέα: αυτόνομη λειτουργία Οι δυνάμεις που σταθεροποιούν τη δομή είναι οι μη ομοιοπολικές δυνάμεις μεταξύ ατόμων (Van der Waals, ηλεκτροστατικές, δεσμοί υδρογόνου)

7 H 3D δοµή καθορίζεται απο την αµινοξική ακολουθία H 3D δοµή καθορίζει τη βιοχηµική λειτουργία Παράδειγμα Αναγνώριση αντιγόνου (κόκκινο) από πρωτεΐνη του ανοσοποιητικού συστήματος (μπλέ-πράσινο)

8 Η διπλωµένη, βιολογικά ενεργή πρωτεΐνη είναι ένα Στερεό Σώµα Η µελέτη της σε µικροσκοπικό επίπεδο εµπλέκει τις µεθόδους της Φυσικής των Στερεών Πειραματικός προσδιορισμός δομής πρωτεϊνών Περίθλαση ακτίνων Χ (απαιτεί παρασκευή κρυστάλλων πρωτεϊνών) NMR (γίνεται σε διάλυμα, αλλά έχει περισσότερο θόρυβο και μικρότερη ακρίβεια)

9 Το πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεΐνών Η πρόβλεψη της 3D δομής χρησιμοποιώντας ως πληροφορία μόνο την αμινοξική ακολουθία (ab initio) Άλυτο πρόβλημα σήμερα???????????????? Αριθμός γνωστών δομών << Αριθμός γνωστών ακολουθιών Σημαντικός ρόλος θεωρητικής μελέτης και προσομοίωσης

10 Αναδίπλωση: ο ρόλος της εντροπίας =Μόριο νερού

11 Αναδίπλωση: ενεργειακά μονοπάτια Ενεργειακό φάσμα παρόμοιο με τα Στερεά με Δομική Αταξία (Ημιαγωγοί Κεραμικά) Μετάβαση μεταξύ εντοπισμένων καταστάσεων με θερμική διέγερση

12 Voronoi tesselation Οι πρωτεΐνες σαν συμπαγή στερεά Κυψελίδες Voronoi: Πολύεδρα με κέντρα τα αμινοξέα Δύο αμινοξέα είναι γειτονικά στο χώρο αν έχουν κοινή έδρα

13

14 Μήκος συσχετισμού στις πρωτεΐνες TEF = Tightened-End-Fragments ΑΒ στο χώρο < 10 Å AB κατά μήκος της αλυσίδας ~ αμινοξέα Α, Β υδρόφοβα αμινοξέα του πυρήνα της πρωτεΐνης Α Β Δρουν σαν άγκυρες για τη δομή TEF = τμήμα του πρωτεϊνικού σκελετού ανάμεσα σε δύο σημεία επαφής

15 Ανάλυση 3D δομής σε TEF Η πρόβλεψη των TEF από την αμινοξική ακολουθία είναι πολύ σημαντική για την πρόβλεψη της δομής

16 Αναδίπλωση: παράδοξα και κλίμακες Αναδιπλωμένη κατάσταση = ελάχιστη ενέργεια Πρωτείνη 150 αμινοξέων Αριθμός στερεοδιατάξεων ~ 1070 Χρόνος αναδίπλωσης με τυχαία έρευνα ~ yrs Ξεπερνά την ηλικία του σύμπαντος (~ sec ~ 1010 yrs) Μία πρωτεΐνη διπλώνει σε ~ 1 sec (Παράδοξο του Levinthal) Ύπαρξη χαρακτηριστικής κλίμακας για την αναδίπλωση Για αμινοξέα ο χρόνος αναδίπλωσης με τυχαία έρευνα είναι ~ 1 sec.? Ύπαρξη στοιχειωδών τμημάτων αμινοξέων που είναι σημαντικά για την αναδίπλωση Είναι τα TEF?

17 Κρίσιμες θέσεις στην πρωτεϊνική δομή Είναι τα άκρα των TEF, που καθορίζουν τον σχηματισμό τους Ο σχηματισμός των TEF είναι το κρίσιμο σημείο στην αναδίπλωση μίας πρωτεΐνης Αντιστοιχεί στην δυσκολότερη μετάβαση του ενεργειακού μονοπατιού. Ηλεκτρικό ανάλογο στα στερεά µε δοµική αταξία Διέλευση συνεχούς ρεύµατος: υπερπήδηση του υψηλότερου ενεργειακού φράγµατος R1 R2 R3 R4 R5 R6... Rολ ~ ΜΑΧ(Ri)

18 Υπολογισµός της πιθανότητας βύθισης στο εσωτερικό της δοµής: τα µέγιστα είναι οι κρίσιµες θέσεις

19 Εφαρμογές Οι κρίσιμες θέσεις είναι οι πιο ευαίσθητες σε μεταλλάξεις Ιατρικές Βιοτεχνολογικές εφαρμογές Πρόβλεψη δομής μικρών βιομορίων Νανο-βιοτεχνολογία

20 Ευχαριστίες Dr Jacques Chomilier Institut de Minéralogie et de Physique de la Matière Condensée (IMPMC) Παρίσι Καθ. Ηλίας Ηλιόπουλος Γεωπονικό Παν/μιο Αθήνας