Biofizyka
description
Transcript of Biofizyka
Biofizyka
Ćwiczenia 1.E. Banachowicz
Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM
http://www.amu.edu.pl/~ewashttp://www.amu.edu.pl/~ewas
Budowa aminokwasów i białek
Ogólna budowa aminokwasów
C NH2 COOH
H
R
grupa aminowa - NH2
grupa karboksylowa - COOH
C NH3
+ COO-
H
R
• w neutralnym pH
Ogólna budowa aminokwasów- glicyna
C NH2 COOH
H
R = H H
Gly, G
Ogólna budowa aminokwasów- alanina
C NH2 COOH
H
R = CH3
CH3
• alfa- amiokwasy• L - aminokwasy
Ala, A
L-aminokwasy - centrum asymetrii
D
C
H
COO-
NH3+
R
H
COO-
NH3+
C
L L
Reguła CORN
R
C
H
COO-
NH3+
L – lewoskrętny (COO-R-N)
20 aminokwasów białkowychkod 1- i 3- literowy
alanina A, Alaarginina R, Argasparagina N, Asnkw.asparaginowy D, Aspcysteina C, Cysglutamina Q, Glnkw.glutaminowy E, Gluglicyna G, Glyhistydyna H, Hisizoleucyna I, Ileleucyna L, Leulizyna K, Lysmetionina M, Met
fenyloalanina F, Pheprolina P, Proseryna S, Sertreonona T, Thrtryptofan W, Trptyrozyna Y, Tyrwalina V, Val
aminokwasy hydrofobowe/niepolarne
A V L I P Y F W M C
Ala Val Leu Ile Pro
Tyr Phe Trp CysMet
alifatycznearomatyczne
zawierającesiarkę
aminokwasy hydrofilowe/polarne
N Q S T K R H D E
N, Asn Q, Gln S, Ser T, Thr K, Lys
R, Arg H, HisD, Asp E, Glu
naładowane (+)
naładowane (-)
Diagram Venn’a
Specyficzne własności reszt aminokwasowych decydują o strukturze i aktywności biologicznej białek.
cechy/kryteria:• hydrofobowe/hydrofilowe• alifatyczne• aromatyczne, oddziaływujące warstwowo • polarne-neutralne• polarne naładowane dodatnio/ujemnie• kwasowe, zasadowe• C-β rozgałęzione• małe/duże• zawierające siarkę• tworzące wiązania wodorowe• wzmacniacze/łamacze struktur
Łańcuch polipeptydowy- struktura pierwszorzędowa
• struktura I-rzędowa: kolejność, sekwencja aminokwasów w łańcuchu(skład i kolejność kolejność decydują strukturze i funkcji)
NH2 - AlaValGlySerThrLeuIle - COOH
NH2 - AVGSTLI - COOH
Ala
Val
Gly
Ser
Thr
Leu
Ile
Wiązanie peptydowe
+ +H3N Cα C
O
O+
H
H
+H3N Cα C
O
O+
H
H
H2O
+H3N Cα C
O H
H
N
H
Cα C
O
O+
H
H
wiązanie peptydowe
Kierunkowość łańcucha, nazewnictwo
+H3N Cα C
O
R1
H
N
H
Cα C
H
R2
C
O+
N
H
Cα C
R3
H
O
O
N
H
Cα
H
R4
O
N- koniec C- koniec
a)
b)
a) 4-Alanina lub tetra-Alanina, b) tetrapeptyd o sekwencji R1R2R3R4
Łańcuch aminokwasów: 2-10 – oligopeptyd, 10-100 – polipeptyd, powyżej 100 reszt aminokwasowych – białko.
Wiązanie peptydowekąt torsyjny ω i konformacja Trans
H
C C
R1
C
NH3+
N
O
H H
R2
C
O
ω=180o
180o
0o
90o
Sekwencja białka determinuje jego strukturę przestrzennąPrekursor
mRNA
mRNA (1)
mRNA (2)
Sekwencja aminokwasowa (1)
Sekwencja aminokwasowa (2)
Struktura drugorzędowa
Przestrzenne ułożenie łańcucha opisane za pomocą kątów torsyjnych φ i ψ.
φ
ψ
ω
Elementy struktury II-rzędowej
• helisy:– prawoskrętna α helisa
– 310 helisa
– π helisa
helisa φ ψ ω reszt na skręt
przesunięcie na resztę
wiązania wodorowe
α helisa -57 -47 180 3,6 1,5 i+4
310 helisa -49 -26 180 3,0 2,0 i+3
π helisa -57 -70 180 4,4 1,2 i+5
α - helisa
α - helisa
310 - helisa
π - helisa
22-reszty aminokwasowe
Elementy struktury II-rzędowej
• beta-harmonijki, (β-kartki, struktury pofałdowanej kartki):– równoległe– antyrównoległe– mieszane
harmonijka φ ψ ω reszt na skręt
przesunięcie na resztę
równoległa -139 135 180 2 3,2
antyrównoległa -119 113 -175 2 3,4
β-harmonijki
Wykres Ramachandrana
(Biochemistry, Jeremy Berg, John Tymoczko, Lubert Stryer. 5th ed,PWN 2005).
Wykres Ramachandrana
(Biochemistry, J.Berg, J.Tymoczko, L.Stryer.,PWN 2005).
Wykres Ramachandranadla białka
φ ψ
β-równoległa -119 113
β-antyrównoległa -139 135
α - helisa -57 -47
310 - helisa -49 -26
π - helisa -57 -70
Łamacze i wzmacniacze
Wzmacniacze Łamacze
- helisa M L E C A P G Y T S
- harmonijka równoległa V I F M L Y P G D E A N S K
- harmonijka antyrównoległa
Q T R H W C
kłębek, zwrot G P D N S Y, naładowane
Wiązanie wodorowe
donor
akceptor
• oddz. elektrostatyczne między dwoma względnie elektroujemnymi atomami• energia: 4 - 13 kJ/mol (energia wiązań kowalencyjnych: 418 kJ/mol)
C
O
H
N
δ+
δ-
δ- δ+ δ-
N — H · · · · · ·NN — H · · · · · ·OO — H · · · · · ·NO — H · · · · · ·O
δ- δ+ δ-
N — H · · · · · ·NN — H · · · · · ·OO — H · · · · · ·NO — H · · · · · ·O
Wiązania wodorowe dla - harmonijki
struktura równoległa
struktura anty-równoległa
Wiązania wodorowe dla α - helisy
i i+4
Wiązania wodorowe dla zwrotu (skrętu)
Wiązanie wodorowe
białko
ligand
Wiązanie wodorowe
Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę
• oddziaływania wodorowe • oddziaływania hydrofobowe• oddziaływania van der Waalsa• mostki dwu-siarczkowe • mostki solne
Oddziaływania hydrofobowe• Zasady termodynamiki:
układ
otoczenie
I. Energia otoczenia i układu jest stała
II. W procesach spontanicznych entropia rośnie (ΔS>0)
ciepło
S - entropia - miara przypadkowości i nieuporządkowaniaH - entalpia - zawartość ciepła w układzie(zwiększenie = wzrost entropii)
ΔSotoczenia = -ΔHukładu/T
G - energia swobodna (Gibbsa)
ΔG = ΔHukładu-TΔSukładu < 0
Reakcja zajdzie spontanicznie jeśli ΔG < 0
Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek
układ nieuporządkowany- duża entropia (S)
układ nieuporządkowany- duża entropia (S)
Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek
układ nieuporządkowany:- grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody - spadek entropii
układ nieuporządkowany:- grupy hydrofobowe porządkują cząsteczki wody - spadek entropii
grupy hydrofobowe
grupy hydrofilowe
Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek
układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii
układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii
grupy hydrofobowe
grupy hydrofilowe
Oddziaływania hydrofobowe-spontaniczne zwijanie białek
układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii
układ uporządkowany (niższa entropia?):- grupy hydrofobowe połączone- uwolnione cząsteczki wody są nieuporządkowane - wzrost entropii
grupy hydrofobowe
grupy hydrofilowe
wzrost entropii wodykompensuje jej spadek związany ze zwijaniem białek!
ΔG = ΔHbiałka-TΔSbiałka < 0
ΔSwody = -ΔHbiałka/T
Rodzaje oddziaływań stabilizujących strukturę
• oddziaływania wodorowe • oddziaływania hydrofobowe • oddziaływania van der Waalsa• mostki dwu-siarczkowe • mostki solne
Oddziaływania van der Waalsa
• ładunek - dipol
• dipol - dipol
• dyspersja (indukowane dipole)
N+ O Cδ- δ+
OCδ-δ+
C OHδ+
CH3 H3Cδ-δ+ δ+ δ-
Mostek dwu-siarczkowy
--CH2-S-S-CH2----CH2-S-S-CH2--
sekwencja insuliny wołowej
Struktura trzeciorzędowa
• przestrzenne ułożenie elementów struktury II-rzędowej pojedynczego łańcucha
Struktura czwartorzędowa
Przestrzenne ułożenie dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych tworzących natywną cząsteczkę białka
białko Cro z bacteriofaga , jest dimerem złożonym z identycznych podjednostek
tetramer 22 hemoglobiny
(1G0B.pdb) dimer hemoglobiny
Struktura VI-rzędowa
Struktura IV-rzędowa
Ferytyna - 24mer (1BG7.pdb) Insulina (1APH.pdb)
Oddziaływanie białek z ligandami
Jądrowy receptor hormonu
Grupy prostetyczne to często kofaktoryApoproteina - białko bez grupy prostetycznej
Ćwiczenia - RasMol
http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm
http://www.amu.edu.pl/~ewas/pracownia/c1_budowa.htm