p1/1 Čo je molekulárna biológia? - home.saske.skhome.saske.sk/~javorsky/pdf/prednasky/p1.pdf ·...

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........


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).


P1/3

Proteíny-bielkoviny

(prolín, -NH-) určuje chemické vlastnosti AMK

Amfolyty- amfoterné látky

enantiomérne izoméry

Optická aktivita


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


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,


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


P1/7


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


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)


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



β-štruktúra

V modeloch proteínových molekúl sa α-závitnice vyjadrujú valcom a β-štruktúry plochými šípkami

5-10 AMK



β-štruktúra


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


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


P1/15

Zostavovanie oligomérnych proteínov a nadmolekulárnych

štruktúr

Nadmolekulárna štruktúra vírusu tabakovej mozaiky (samozostavovanie nadmolekulárnych proteínových štruktúr - ribozómy)


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


P1/17

Niektoré funkcie a výskyt chaperónových rodín hsp70, hsp60 a hsp90


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


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


P1/20

Proteazóm: zabezpečuje rozpoznávanie, odstránenie nedokončených a

poškodených proteínových štruktúr, nesprávne zbalených alebo

nadbytočných proteínov pomocou proteáz, ktoré boli v bunke označené

ubikvitínom.


P1/21

Schéma cyklu ubiktivínu


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.

p1/1 Čo je molekulárna biológia? - home.saske.skhome.saske.sk/~javorsky/pdf/prednasky/p1.pdf ·...

Documents