Bez názvu15 kopie Struktura živé hmoty FG23_11ab o3_3 Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno FG04_28a-b Bez názvu15 kopie Obsah přednášky •Voda •Vlastnosti koloidů •Struktura bílkovin •Struktura nukleových kyselin • • •Tato přednáška se zabývá pouze vybranými složkami živé hmoty s význačnými biofyzikálními vlastnostmi. O významu dalších složek, např. elektrolytům je pojednáno podrobněji v přednášce věnované membránovým jevům. Další poučení je třeba hledat v učebnicích biologie a biochemie. Bez názvu15 kopie Voda o3_3 Molekuly vody jsou silně polární. Mezi kyslíkem a vodíkem sousedních molekul navíc vznikají vodíkové vazby. Spojují molekuly vody do shluků - klastrů. Bez názvu15 kopie Vodíková vazba mezi molekulami vody FG11_20ab FG11_21 Kapalná voda Obrázky: http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/hillchem3/medialib/media_portfolio/11.html Led Bez názvu15 kopie Koloidy •Koloidy, označované též jako nepravé roztoky, jsou tvořeny v rozpouštědle dispergovanými částicemi o velikosti 10 – 1000 nm. •Podle druhu vazebných sil můžeme rozlišit dva druhy koloidů: • ØMicelární (též asociativní, malé částice jsou spojeny do větších van der Waalsovými vazbami). • ØMolekulární koloidy (částice jsou makromolekulami, jejichž podjednotky jsou spojeny kovalentními vazbami). Bez názvu15 kopie o3_1 Slabé chemické vazby •Vodíková vazba •Hydrofobní interakce •van der Waalsovy vazby • Též Londonovy síly, někdy nejsou považovány za van der Waalsovy vazby. Terminologie v této oblasti kolísá. Bez názvu15 kopie Vlastnosti koloidů •Mechanické: pevnost, pružnost, viskozita – podmíněny kovalentními i slabými chemickými vazbami •Tyto vlastnosti závisejí na formě koloidu: •sol (tekutý) nebo gel (pevný). Tvorba gelu = gelatinizace •Optické: –Rozptyl světla: Tyndallův jev (opalescence). Světlo se může na koloidních částicích rozptylovat. Stopa světelného paprsku procházejícího koloidem je zviditelněna světlem rozptýleným na koloidních částicích. –Optická aktivita: Některé koloidy mohou stáčet rovinu procházejícího polarizovaného světla •Elektrické: viz přednáška o přístrojových metodách v molekulární biofyzice Bez názvu15 kopie Tyndallův jev v micelárním a molekulárním koloidu gold4 620095mb_image002 - V roztoku želatiny (bílkovina) http://link.springer-ny.com/link/service/journals/00897/papers/0006002/620095mb.htm - V roztoku koloidního zlata http://mrsec.wisc.edu/edetc/cineplex/gold/ Bez názvu15 kopie Druhy koloidů - biopolymerů •Podle afinity biopolymeru k rozpouštědlu (vodě) –Lyofilní (hydrofilní) – tvoří stabilní roztoky –Lyofobní (hydrofobní) – tvoří nestabilní roztoky •Podle tvaru biopolymeru (tvar je též ovlivňován rozpouštědlem!) –Lineární (fibrilární – DNA, myosin, syntetické polymery….. též skleroproteiny, většinou nerozpustné v čisté vodě) –Sférické (globulární – hemoglobin, glykogen … též sféroproteiny, většinou rozpustné v čisté vodě) Bez názvu15 kopie Chemické složení bílkovin •Podle výsledku hydrolýzy: •jednoduché (v hydrolyzátu jen aminokyseliny) •složené (v hydrolyzátu nejen aminokyseliny) ØNukleoproteiny ØHemoproteiny ØFlavoproteiny ØMetaloproteiny ØLipoproteiny Ø….. •(viz biochemie) Bez názvu15 kopie Struktura bílkovin •Strukturální jednotky bílkovin jsou aminokyseliny (AK), spojené peptidovou vazbou: •-RCH-NH-CO-RCH-, •která může hydrolyzovat: •-RCH-NH-CO-RCH- + H2O ¬¾® -RCH-NH2 + -RCH-COOH •Karboxylové skupiny a aminoskupiny mohou disociovat nebo protonizovat. Např. kyselina glutamová a asparagová mají volnou karboxylovou skupinu: •-COOH ¬¾® -COO- + H+ •AK lysin a arginin mají volnou aminoskupinu, která může protonizovat: •-NH2 + H+ ¬¾® -NH3+ •V bílkovinách nacházíme 20 různých AK, které rozdělujeme na AK s polárním a nepolárním postranním řetězcem. •AK s aromatickým jádrem nebo heterocyklem (fenylalanin, tyrosin, tryptofan) silně absorbují UV záření kolem 280 nm. •AK cystein obsahuje sulfanylovou (sulfhydrylovou, thiolovou) skupinu -SH, která se oxiduje dehydrogenací a spojuje s dehydrogenovanou skupinou jiného cysteinového zbytku kovalentním disulfidickým můstkem (vazba -S-S-). Bez názvu15 kopie Disulfidické můstky stabilizují strukturu bílkoviny (hovězí ribonukleáza A) •http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_28a-b.JPG Absorpční spektrum volného fenylalaninu, tyrosinu a tryptofanu v UV oblast •Podle:http://www.fst.rdg.ac.uk/courses/fs460/lecture6/lecture6.htm FG04_28a-b Struktura bílkovin Bez názvu15 kopie Struktura bílkovin •Primární (sekvence kovalentně vázaných AK zbytků) •Sekundární (vzájemné prostorové uspořádání sousedních článků polypeptidového řetězce – dána především vodíkovými vazbami) Øa-šroubovice Øb-struktura (skládaný list) Øjiná •Terciární (prostorové uspořádání polypeptidového řetězce jako celku – dána hydrofobními a vodíkovými vazbami, stabilizována -S-S- můstky) •Kvartérní (způsob nekovalentního spojování jednotlivých polypeptidových řetězců – podjednotek - do vyšších celků) ØHomogenní – všechny podjednotky jsou stejné ØHeterogenní – podjednotky dvou nebo více druhů Bez názvu15 kopie • • •Podle: http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_10.JPG bílksroubovicex Bez názvu15 kopie b-struktura (skládaný list – antiparalelní model) http://www-structure.llnl.gov/Xray/tutorial/protein_structure.htm betas.gif (5742 bytes) Bez názvu15 kopie Trojitá šroubovice kolagenu http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_34.JPG FG04_34 Bez názvu15 kopie •Podle: http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_01.JPG 1234struktura Bez názvu15 kopie Struktura nukleových kyselin (NA) •Mononukleotidy (strukturní podjednotky NA): ØPyrimidinové (C, U, T) nebo purinové (A, G) dusíkaté báze ØCukr (ribóza nebo deoxyribóza) ØZbytek kyseliny fosforečné • •DNA: až stovky tisíc podjednotek. M.h. 107 – 1012. Dva komplementární řetězce (vlákna) tvoří antiparalelní dvoušroubovici. •RNA: U místo T Øm-RNA (mediátorová, messenger) Øt-RNA (transferová) Ør-RNA (ribosomální) Ø(virová RNA, mikroRNA …… ?) Bez názvu15 kopie •http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_13_90035.JPG stacking Bez názvu15 kopie B-DNA http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_15aC.JPG FG19_15aC Bez názvu15 kopie A-DNA – dehydratovaná, B-DNA – běžně se vyskytuje za fyziologických podmínek, Z-DNA – v sekvencích bohatých na páry CG Bez názvu15 kopie Nadšroubovicová (superhelikální) struktura kruhové DNA •Podle http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_191C.JPG superhelix Bez názvu15 kopie 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 FG19_23_00742 FG19_25_00744 Bez názvu15 kopie •Transferová RNA pro valin – schematicky •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 IMB Jena Image Library Thumb Nail: 4TRA trna Bez názvu15 kopie Ribosomální RNA •Následující obrázek byl publikován v: Science 11 February 2011: Vol. 331 no. 6018 pp. 730-736 Crystal Structure of the Eukaryotic 40S Ribosomal Subunit in Complex with Initiation Factor 1 (Julius Rabl, Marc Leibundgut, Sandro F. Ataide, Andrea Haag, Nenad Ban) • •Popis pro případné zájemce: •Architecture of the 40S. (A) Front and back views of the tertiary structure of the 40S showing the 18S rRNA as spheres and colored according to each domain (5′ domain, red; central domain, green; 3′ major domain, yellow; 3′ minor domain, blue; ESs, magenta), and the proteins as gray cartoons (abbreviations: H, head; Be, beak; N, neck; P, platform; Sh, shoulder; Bo, body; RF, right foot; LF, left foot). (B) Secondary structure diagram of the Tetrahymena thermophila (a protist)18S RNA …showing the rRNA domains and the locations of the ESs. (C) Ribosomal proteins of the 40S are shown as cartoons in individual colors; rRNA is shown as gray surface. The 40S is shown as in (A). (D) View of the quaternary interactions between ES6 and ES3 at the back of the 40S. The RNA is displayed as a cartoon with the proteins omitted for clarity. ES6 helices are colored in a gradient from light to dark magenta and labeled from A to E... ES3 is highlighted in pink, and the rest of the 18S rRNA is colored in gray. (E) The position of helix h16 in bacterial 30S [left…] and in 40S. Bez názvu15 kopie http://www.sciencemag.org/content/331/6018/730/F1.large.jpg Bez názvu15 kopie MikroRNA (dle wikipedie) •Též miRNA neboli microRNA jsou jednovláknové řetězce nekódující RNA o délce 21-23 nukleotidů, které se podílejí na regulaci genové exprese. miRNA vznikají transkripcí z genův DNA, ale následně nedochází k jejich translaci v protein. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/MiRNA_processing.svg/250px-MiRNA_processi ng.svg.png Po úpravách nukleázami Drosha a Pasha pre-miRNA vstupuje do cytoplazmy, kde interaguje s endonukleázou jménem Dicer za vzniku miRNA, jenž se váže do komplexu RISC (RNA-induced silencing complex). Právě RISC je schopen utlumovat expresi genů, jev známý jako RNA interference. Bez názvu15 kopie Konformační změny a denaturace biopolymerů •Změny sekundární, terciární a kvartérní struktury biopolymerů označujeme jako konformační změny. •Mohou být jak reverzibilní tak ireverzibilní. •nativní stav biopolymeru = funkční stav biopolymeru. Jinak se biopolymer nachází v denaturovaném stavu. Bez názvu15 kopie Denaturační faktory •Fyzikální: ØZvýšená teplota ØIonizující záření ØUltrazvuk Ø….. •Chemické: ØZměny pH ØZměny v koncentraci elektrolytů ØTěžké kovy ØDenaturační činidla rozrušující vodíkové vazby - močovina Ø….. •Kombinace těchto faktorů: ionizující záření nebo ultrazvuk působí přímo a/nebo nepřímo (chemicky prostřednictvím volných radikálů) Bez názvu15 kopie Autor: Vojtěch Mornstein Obsahová spolupráce: Carmel J. Caruana, Viktor Brabec Grafika: Lucie Mornsteinová Poslední revize: listopad 2018