Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně - Biofyzikální centrum Úvod do molekulární biofyziky I Struktura přednášky Voda Vlastnosti koloidních roztoků Struktura bílkovin Struktura nukleových kyselin Voda Vodíková vazba mezi molekulami vody Koloidy a jejich rozdělení Koloidy -- též nepravé roztoky -- dispergované částice o rozměru zhruba 10 -- 1000 nm. Podle převažujících vazebných sil dělíme na: * Micelární (též asociační, částice udržované vcelku van der Waalsovými vazbami) * Molekulární (částice udržované vcelku kovalentními vazbami) Tyndallův jev v micelárním i molekulárním koloidu Další dělení koloidů Podle afinity k rozpouštědlu * Lyofilní (hydrofilní) -- tvoří stabilní disperze * Lyofobní (hydrofobní) -- tvoří nestabilní disperze Podle tvaru částic (tvar částic je ovlivňován i rozpouštědlem!) * Lineární (fibrilární -- DNA, myosin, syntetické polymery.....též skleroproteiny -- většinou nerozpustné ve vodě) * Sférické (globulární -- hemoglobin, glykogen ... též sféroproteiny -- většinou rozpustné ve vodě) Další vazebné síly (vazby) uplatňující se v koloidních částicích * Vodíkové vazby * Hydrofobní interakce * van der Waalsovy síly Elektrochemické vlastnosti koloidů * Některé molekulární i micelární koloidy jsou polyelektrolyty s amfoterními vlastnostmi (amfolyty) Vznik elektrické dvojvrstvy na povrchu koloidní částice Dva mechanismy: * Iontová adsorpce (může k ní dojít i u lyofobních koloidů) * Elektrolytická disociace (převažuje u lyofilních koloidů) Charakter dvojvrstvy na povrchu koloidní částice je odlišný u koncentrovaných a zředěných elektrolytů Ve zředěných elektrolytech lze rozlišit stálou, difuzní a elektroneutrální oblast. Elektrokinetický potenciál -- z (zeta)-potenciál Elektrokinetické jevy * Elektroforéza -- pohyb iontů v elektrickém poli. Při rovnoměrném přímočarém pohybu kulovitých částic o poloměru r je elektrostatická síla působící na částici v rovnováze se silou odporu prostředí. Síla odporu je dána Stokesovým vzorcem: F = 6.p.r.h.v * Kde v je rychlost částice a h dynamická viskozita prostředí. Elektrické pole působí na částici silou: F = z.e.E * kde z je počet elementárních nábojů částice, e je elementární náboj (1,602.10^-19 C) a E je intenzita elektrického pole v daném místě. Pro rychlost pohybu částice pak platí: Elektroforetická pohyblivost * Lépe reprodukovatelnou veličinou je elektroforetická pohyblivost u, definovaná jako podíl rychlosti pohybu částice a intenzity elektrického pole. Platí: Další vlastnosti koloidů * Mechanické: pevnost, pružnost, viskozita -- důsledky chemických vazeb a slabých chemických interakcí Tyto vlastnosti závisí na formě koloidu: Sol (tekutý) nebo gel (tuhý). Tvorba gelu = že(ge)latinizace * Optické: Tyndallův jev (opalescence) * Ultramikroskopie -- před rozvojem elektronové mikroskopie bylo možno při pozorování v temném poli spatřit koloidní částice jako svítící body Struktura bílkovin * Strukturními jednotkami bílkovin jsou aminokyseliny (AK), spojené peptidovou vazbou: -RCH-NH-CO-RCH-, která může hydrolyzovat: -RCH-NH-CO-RCH- + H[2]O not 3/4(r) -RCH-NH[2] + HOOC-RCH- * Karboxylové a aminové skupiny mohou disociovat či protonizovat. Např. kyselina glutamová a asparagová mají volnou karboxylovou skupinu: -COOH not 3/4(r) -COO^- + H^+ * AK lysin a arginin mají volnou aminoskupinu, která může protonizovat: -NH[2] + H^+ not 3/4(r) -NH[3]^+ * V bílkovinách se běžně vyskytuje 20 AK, které členíme na AK s polárním a nepolárním postranním řetězcem. * AK s aromatickým jádrem nebo heterocyklem (fenylalanin, tyrosin, tryptofan) silně absorbují UV světlo kolem 280 nm. * Cystein obsahuje sulfhydrylovou skupinu (-SH), která dehydrogenací oxiduje a spojuje se sulfhydrylovými skupinami jiných cysteinových zbytků kovalentními disulfidickými můstky (-S-S-). Chemické složení bílkovin: Dělení dle výsledku hydrolýzy: * Jednoduché (v hydrolyzátu jsou jen AK) * Složené (v hydrolyzátu nejsou jen AK) O/ Nukleoproteiny O/ Hemoproteiny O/ Flavoproteiny O/ Metaloproteiny O/ Lipoproteiny Struktura bílkovin * Primární (sled kovalentně vázaných AK zbytků) * Sekundární (vzájemné prostorové uspořádání sousedních článků polypeptidového řetězce -- dáno především vodíkovými vazbami) O/ a-helix O/ b-struktura (skládaný list) O/ jiné * Terciární (prostorové uspořádání řetězce jako celku -- dáno hydrofobními a vodíkovými vazbami, zpevněno -S-S- můstky) * Kvartérní (způsob spojení jednotlivých polypeptidových řetězců ve vyšší celky -- nekovalentně O/ Homogenní -- všechny protomery stejné O/ Heterogenní -- protomery dvou i více typů b-struktura (skládaný list -- antiparalelní model) http://www-structure.llnl.gov/Xray/tutorial/protein_structure.htm Trojitá šroubovice kolagenu http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_34.JPG Struktura nukleových kyselin * Mononukleotidy tvoří: O/ Dusíkaté báze pyrimidinové (C, U, T) a purinové (A, G) O/ Cukr (ribóza, deoxyribóza) O/ Zbytek kyseliny fosforečné ^* DNA: až statisíce podjednotek. M.h. 10^7 -- 10^12 * RNA: O/ Informační (mediátorová, messenger) O/ Přenosová (transferová) O/ Ribosomální O/ (Virová) B-DNA http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_15aC.JPG A-DNA -- dehydrovaná, B-DNA -- běžně se vyskytující, Z-DNA -- v sekvencích bohatých na CG páry Superhelikální struktura cirkulární DNA Struktura chromatinu http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_23_00742.JPG, http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_25_00744.JPG * Transferová RNA -- schematický model * t-RNA z kvasnic * http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/text_images/CH23/FG23_14.JPG, http://www.imb-jena.de/cgi-bin/ImgLib.pl?CODE=4tra Ribosomální RNA http://www.imb-jena.de/cgi-bin/htmlit.pl?color=ffffff&id=GIF&src=1c2w.gif&name=Image%20Library%20Thumb%20Nail%201C2W Konformační změny a denaturace biopolymerů * Změny sekundární, terciární, resp. kvartérní struktury biopolymerů se označují jako změny konformační. * Mohou být reverzibilní i ireverzibilní. * Funkční stav biopolymeru = nativní stav * Nefunkční stav biopolymeru = denaturovaný stav Denaturační faktory * Chemické: O/ Změny pH O/ Změny koncentrace elektrolytů O/ Těžké kovy O/ Denaturační činidla narušující vodíkové vazby -- močovina * Fyzikální: O/ Zvýšená teplota O/ Ionizující záření O/ Ultrazvuk * Kombinace faktorů: ionizující záření nebo ultrazvuk působí přímo i nepřímo (chemicky)