p1/1 Čo je molekulárna biológia? - home.saske.skhome.saske.sk/~javorsky/pdf/prednasky/p1.pdf ·...
TRANSCRIPT
Peter Javorský BNK I 2003/2004
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........
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/2
Biomakromolekuly
proteíny, nukleové kyseliny, polysacharidy (m.h. 100 000 – 1 000 000 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).
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/3
Proteíny-bielkoviny
(prolín, -NH-) určuje chemické vlastnosti AMK
Amfolyty- amfoterné látky
enantiomérne izoméry
Optická aktivita
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/4
Štandardné L - aminokyseliny
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)
*
alifatické AMK
aromatické AMK
kyselé AMK neutrálne AMK
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/5 Štandardné L - aminokyseliny
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)
*
*
síru obsahujúce AMK
zásadité AMK iminokyselinaalinaa
glycínreduktáza, formiátdehydrogenáza
, bakteriálna hydrogenáza,
Peter Javorský BNK I 2003/2004
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
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/7
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/8 Primárna štruktúra proteínov
oligopeptid < 10 AMK polypeptid > 10 AMK
α α
polypeptidový reťazec obsahuje obyčajne 100 a
viac AMK
Konfigurácia peptidovej väzby – trans (energeticky výhodnejšia, menšie sférické zábrany postranných reťazcov)
všetkých 6 atómov, ktoré sa podieľajú na peptidovej väzbe sú koplanárne, sú v rovnakej rovine
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
Peter Javorský BNK I 2003/2004
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-5.3.4.1)
Pod sekundárnou štruktúrou rozumieme usporiadanie polypeptidového reťazca do štruktúry α- závitnice (α-helixu)
alebo β štruktúry (β -skladaného listu)
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/10 Sekundárna štruktúra proteínov
α-závitnica
Na každý závit v pravotočivej α-závitnici pripadajú 2 vodíkové väzby, na jednu otáčku 360° pripadá 3,6 zbytku AMK, vzdialenosť jedného Cα 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 α-závitnice (napr. myoglobín – len 75% tvorí α-závitnica), priemerne
pripadá na jednu α-závitnicu 10 AMK zbytkov, okrem prolínu sa na tvorbe α-závitnice môžu podielať všetky AMK
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/11 Sekundárna štruktúra proteínov
β-štruktúra
V modeloch proteínových molekúl sa α-závitnice vyjadrujú valcom a β-štruktúry plochými šípkami
5-10 AMK
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/12 Sekundárna štruktúra proteínov
β-štruktúra
Peter Javorský BNK I 2003/2004
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 α-závitnice a úseky β-skladaného listu s ostatnými úsekmi proteínu do výsledného guľovitého tvaru (väčšina proteínov zaujíma globulárny tvar) fibrilárne bielkoviny: usporiadanie v ktorom prevládajú úseky α-závitnice (α-keratín, vlasy, nechty) alebo len úseky β-skladaného listu
Terciárna štruktúra lyzozýmu
β-otáčka (glycín, prolín) peptidylprolylizomeráza
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/14
Kvartérna štruktúra proteínov
vyjadruje spôsob usporiadania jednotlivých polypeptidových reťazcov
v molekule proteínu, je charakterisitická len pre oligomérne bielkoviny
(dimér, trimér, tetramér, pentamér)
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
Vznik kvartérnej štruktúry proteínu, spojením podjednotiek vodíkovými väzbami vnikne dimér, ktorého výsledná stabilita závisí od počtu vodíkových väzieb
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/15
Zostavovanie oligomérnych proteínov a nadmolekulárnych
štruktúr
Nadmolekulárna štruktúra vírusu tabakovej mozaiky (samozostavovanie nadmolekulárnych proteínových štruktúr - ribozómy)
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/16
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.
Účasť chaperónov na procese zbaľovania proteínov
hsp70 zabezpečuje zbalenie do kvartérnej štruktúry väzbou na hydrofóbne časti nezbaleného polypeptidu po uvoľnení z ribozómu
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/17
Niektoré funkcie a výskyt chaperónových rodín hsp70, hsp60 a hsp90
Peter Javorský BNK I 2003/2004
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
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/19
Klasifikácia enzýmov
1. Oxidoreduktázy: Ared + Box Aox + Bred
2. Transferázy: A---B + C A + B---C
3. Hydrolázy: A---B + H2O 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
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/20
Proteazóm: zabezpečuje rozpoznávanie, odstránenie nedokončených a
poškodených proteínových štruktúr, nesprávne zbalených alebo
nadbytočných proteínov pomocou proteáz, ktoré boli v bunke označené
ubikvitínom.
Peter Javorský BNK I 2003/2004
P1/21
Schéma cyklu ubiktivínu
Peter Javorský BNK I 2003/2004
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.