Struktura a funkce biologickch makromolekul Petr Kolenko Obsah

Struktura a funkce biologických makromolekul Petr Kolenko

Obsah předmětu 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Úvod do chemie biologických molekul (2) Struktura a funkce proteinů (2) Struktura a vlastnosti nukleových kyselin (1) Fyzikální techniky studia struktury a funkce biomolekul (2) Základy enzymologie (1 -2) Membránové proteiny, viry a virové proteiny (1 -2) Základní imunitní procesy (1) Buňka a role makromolekul (1)

Život - chemicky komplexní děj mikroskopická organizace schopnost reprodukce schopnost opravy dynamičnost - reakce na změnu prostředí Rozmanité formy života mohou používat překvapivě podobné chemické a biochemické procesy, mechanismy.

Živé organismy http: //cnx. org/resources/e 6 e 64846 eadefb 340 fb 07 bd 992 ffa 58 ba 2 e 81788/Figure_01_02_16. jpg

Dělení dle zdroje energie http: //classes. midlandstech. edu/carterp/courses/bio 225/chap 05/Slide 33. GIF

Prokaryotická buňka - Lodish, Molecular cell biology, 2000. jednoduchá struktura, žádné organely váha 10 -13 g, v lidském těle však okolo 1 kg snadno přizpůsobitelné obtížným podmínkám (nalezeny 10 km pod hladinou moře, ale i ve výšce 60 km nad povrchem Země) snadná manipulace v laboratoři, rychlý růst, snadná reprodukce, levná kultivace, snadné skladování a uchovávání mezi nejprobádanější patří Escherichia coli použití v laboratořích, biotechnologiích apod. chybí spousta mechanismů přítomných v eukaryotických bunkách - nevhodné pro složitější účely a studium

Eukaryotická buňka živočišná - jádro oddělené membránou obsahující DNA funkčně specializované organely oddělené vlastními membránami obecně mnohem větší než bakterie obtížnější genetická manipulace nemají buněčnou stěnu jedno- i vícebuněčné organismy u mnohobuněčných organismů funkčně specializované buňky složitější biochemické děje - širší aplikace v biotechnologiích pomalejší růst, vyšší náklady, média, složitější manipulace a uchovávání

Evoluce eu. buněk - endosymbioza Lynn Margulis - 60. léta 20. století http: //evolution. berkeley. edu/evolibrary/images/history/endosym_graphic. gif

Mendělejevova tabulka prvků http: //media 1. webgarden. cz/images/media 1: 51064 aaceeba 9. jpg/per%20 tabulka. jpg

Biogenní a nebiogenní prvky Nezbytné pro život Vázané v molekulách: H, C, N, O, S, P Volné ionty: Na, Mg, Ca, K, Cl Život ohrožující: U, Ra, Co, Ni, Hg, . . . Tyto prvky však lze výhodně použít v biotechnologiích! (chromatografie, fázování, apod. )

Minimální médium - M 9 http: //www. nature-education. org/water-ecoli. html http: //onlinelibrary. wiley. com/store/10. 1002/adem. 201190033/asset/image_n/ncontent. gif? v=1&s=7784 ce 36 bc b 13 ed 489 a 974 aaed 59 e 19 dd 12 d 9 eb 5

Vlastnosti prvků atomové orbitaly kvantová teorie - výskyt e- s kvantovanou energií kvantová čísla: - hlavní - n - vedlejší - l - magnetické - m - spinové - s

Elektronová konfigurace prvků Pravidla pro obsazování orbitalů - výstavbový princip (obsazování dle minimální energie) - Pauliho princip (nerozlišitelné fermiony nemohou mít stejný kvantový stav - stejná kvantová čísla) - Hundovo pravidlo http: //www. chemie. utb. cz/rvicha/Sac/pics/vystavbprinc. gif http: //www. chemie. utb. cz/rvicha/Sac/pics/Level. gif

Elektronová konfigurace prvků Elektronové konfigurace atomů: - H: 1 s 1 - C: 1 s 2 2 p 2 - N: 1 s 2 2 p 3 - O: 1 s 2 2 p 4 - P: 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 3 - S: 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 4 http: //www. bioinfo. org. cn/book/biochemistry/chapt 03/57 -3. jpg

Vazby uvnitř a mezi molekulami 1. iontová 2. kovalentní 3. koordinačně kovalentní 4. vodíkový můstek 5. van der Waalsovy síly 6. hydrofobní interakce

Iontová vazba - Na. Cl - úplné předání elektronu z jednoho atomu druhému - vznik iontů opačného náboje převážně elektrostatický charakter např. Na. Cl, KCl, Fe 2 O 3, . . . http: //www. school-forchampions. com/chemistry/bonding_types. htm http: //2012 books. lardbucket. org/books/principles-of-general-chemistry-v 1. 0/section_12/95236 acc 5635 a 15 c 238054 d 04 d 2 d 320 e. jpg

Kovalentní vazba - sdílení elektronového páru dvěma atomy - polární a nepolární (rozdíly elektronegativit) - jednoduchá, dvojná, trojná, … http: //www. school-forchampions. com/chemistry/bonding_types. htm PDB: 2 RGS

Polární kovalentní vazba Pokud jsou kovalentní vazbou spojeny dva stejné atomy, přitahují sdílené elektrony stejnou měrou - rozložení el. nábojů je rovnoměrné - vazba je nepolární. Pokud kovalentní vazba spojuje dva různé atomy, sdílení elektronů je nerovnoměrné - vazba je polární, molekula se chová jako permanentní dipól. Vyšší elektronegativita atomu - částečný záporný náboj. Př. : H-F, H-O-H

Polární kovalentní vazba www. kch. tul. cz/sites/. . . /ft-04 -chemicka-vazba. ppt

Univerzálnost vazeb uhlíku http: //www. bioinfo. org. cn/book/biochemistry/chapt 03/sim 0. htm

Koordinačně kovalentní vazba - převážně u těžkých atomů (kovů) vázaných na makromolekulu (Ca, Mg, Zn, Fe, …) donor poskytuje ke sdílení celý elektronový pár, který zaplní orbital akceptoru Fe http: //www. chemguide. co. uk/atoms/bonding/nh 3 bf 3 diag. GIF http: //www. chemguide. co. uk/atoms/bonding/hno 3. GIF PDB: 1 HRC

Prostorové uspořádání vazeb - lineární lomená plošná tetraedr oktaedr

Konfigurace a konformace Konfigurace - prostorové uspořádání atomů v molekule přesně definované kovalentními vazbami. Nelze měnit bez přerušení vazby. Změna konfigurace může vést ke změně aktivity molekuly. Konformace - prostorové uspořádání atomů v molekule v důsledku rotace kolem vazeb. Lze měnit bez nutnosti změny kovalentních vazeb, často ovlivňuje funkci molekuly. Žádný konformační vzorec není jedinou možností uspořádání molekuly, jen jedním ze stavů.

Konfigurace a konformace II. - planární molekula but-2 -en cis - konformace může měnit energetické stavy molekul trans Lehninger Principles of Biochemistry http: //images. slideplayer. cz/10/2857810/slides/slide_13. jpg

R- a S-konfigurace R - rectus - right S - sinister - left Skupina 4 namířena od pozorovatele. Pokud priority dalších skupin klesají podle směru hodinových ručiček - R konfigurace. V opačném případě konfigurace S. Lehninger Principles of Biochemistry

Thalidomid (Contergan) - používán v 50. -60. letech jako sedativum v těhotenství 10 tis dětí s těžkými malformacemi (chybění končetin, uší, apod. ), 50% úmrtnost R-enantiomer - lék, S-enantiomer - teratogen

Aromatické sloučeniny 1. Počet nelokalizovaných elektronů musí odpovídat vztahu 4 n + 2 podle tzv. Hückelova pravidla. Za n se dosazuje celé číslo mimo 0. 2. Molekula musí mít konjugovaný systém π – elektronů. Tedy struktura molekuly musí být aspoň téměř planární. Každý atom musí být sp 2 hybridizovaný, molekula musí být cyklická a musí rezonovat. www. eluc. cz

Zvláštní případy aromatických kruhů

Kovová vazba - nevyskytuje se u biologických makromolekul - 80 % prvků jsou kovy - vzájemné působení tzv. delokalizovaných elektronů (elektronového plynu) a krystalové mříže kovových kationtů http: //www. chemguide. co. uk/atoms/bonding/metalbond. GIF

Vodíkové můstky - nejsilnější slabá vazebná interakce vodík vázaný k elektronegativnímu prvku elektronový pár posunut k elektronegativnějšímu prvku - atom vodíku tvoří vazbu s elektronovým párem dalšího atomu Lehninger Principles of Biochemistry PDB: 2 RGS

Voda jako rozpouštědlo - Voda rozpouští mnoho krystalických solí. - Amfipatické sloučeniny obsahují oblasti, které jsou polární (nabité) a oblasti, které jsou nepolární. Cílem uspořádávání v roztoku je minimalizovat povrch nepolární části s vodou. Lehninger Principles of Biochemistry

van der Waalsovy síly - vzájemné působení dipólů disperzní síly interakce dipól - dipól interakce dipól - indukovaný dipól interakce dipól - iont

Hydrofobní interakce - zvláštní případ van der Waalsových interakcí patří nezi ně �� -�� , NH-�� , OH-�� , CH-�� interakce PDB: 3 M 9 Z http: //www. princeton. edu/chemistry/macmillan/group-meetings/cation%20 pi. pdf

Molekuly a jejich funkční skupiny Lehninger Principles of Biochemistry (fourth edition).

Voda, disociace, p. H - Většina molekul vody zůstává nedisociovaná. - Hodnota p. H definuje koncentraci iontů OH- a H+ v roztoku. - Disociace slabých kyselin - U biologických systémů hrají důležitou úlohu slabé kyseliny a zásady, které například regulují metabolismus apod. V běžných podmínkách nejsou plně disociovány. kyseliny - protonové donory, zásady - protonové akceptory -

Slabé kyseliny, disociační konstanta - Každá kyselina má char. tendenci “ztrácet” proton ve vodném roztoku. - Disociační konstanta Ka - p. Ka jako analog p. H - slabá kyselina - nízké Ka, vysoké p. Ka silná kyselina - vysoké Ka, nízké p. Ka Lehninger Principles of Biochemistry

Pufry a jejich vlastnosti Tris (p. Ka 8. 1) MES (p. Ka 6. 2) Glycine (p. Ka 1 2. 3), (p. Ka 2 9. 6) Lehninger Principles of Biochemistry

p. H závisí na teplotě Molecules 2015, 20(3), 4136 -4147; doi: 10. 3390/molecules 20034136

Pufry - glycin, PBS Lehninger Principles of Biochemistry

Náboj makromolekul - p. I - makromolekuly obsahují mnoho skupin, které jsou schopny se disociovat - měnit svůj náboj lze ODHADNOUT na základě složení náboj molekuly závisí na p. H, ve kterém se molekula nachází p. I - bod, ve kterém má molekula kompenzovány všechny náboje celkový náboj je nulový

Role p. H u aktivity enzymů - Biochemické procesy lze regulovat změnou p. H. Buňka provádí podobné regulace aktivit svých enzymů. E. coli má například membránové proteiny (např. Foc. A), které regulují tok iontů podle p. H uvnitř buňky. Lehninger Principles of Biochemistry Pepsin - digestive enzyme secreted into gastric juice trypsin - digestive enzyme in the small intestine alkaline phosphatase - thought to aid in bone mineralization Yi Wang et al. , 2009, Nature 462, 467 -472.