CST126 Karel Kubíček 1 CORE126 Moderní technologie pro studium života Karel Kubíček: Základní stavební prvky buňky y:\Presentations\080513_KampusBohunice_Mornstein\composition_earth_seawater_human_body.png CST126 Karel Kubíček 2 Chemické složení lidského těla a.(65.0 %) Voda b.(20.0 %) Proteiny c.(12.0 %) Lipidy (tuky) d.(01.1 %) Nukleové kyseliny e.Ionty (Na+, K+, Cl-, PO43- ...) f.Plyny (O2, CO2, …), karbohydráty (glukóza), hydroxyapatit (forma vápníku a fosfátu – zuby, kosti), volné radikály, etc. g. CST126 Karel Kubíček 3 Credit to prof. Robert Vácha CST126 Karel Kubíček 4 74 anomalií vody http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_anomalies.html •Phase anomalies P1-P13 •Density anomalies D1-D22 •Material anomalies M1-M18 •Thermodynamic anomalies T1-T11 •Physical anomalies F1-F10 CST126 Karel Kubíček 5 Hustota vody ● charakteristická vlastnost vody ● významná pro existenci života na Zemi ● hustotní maximum při 4 °C → led má menší hustotu než kapalná voda, a proto plave na hladině CST126 Karel Kubíček 6 CST126 Karel Kubíček 7 Kapalná voda x led •počet sousedů je v kapalné vodě 5, v ledu 4 •průměrný počet vodíkových vazeb na molekulu je v kapalině ~3.5 v ledu 4 •úhel H-O-H je v kapalině 104.5° ⇒ menší než v ledu 109.5° •molekuly vody mohou vyplňovat mezery přítomné ve struktuře ledu •v ledu je vyšší protonová vodivost a mobilita (protony přeskakují podél sítě vodíkových vazeb – Grotthussův mechanismus) CST126 Karel Kubíček 8 CST126 Karel Kubíček 9 Vodíková vazba IUPAC: The hydrogen bond is an attractive interaction between a hydrogen atom from a molecule or a molecular fragment X-H in which X is more electronegative than H, and an atom or a group of atoms in the same or a different molecule, in which there is evidence of bond formation. LED VODA CST126 Karel Kubíček 10 Vodíková vazba •interakce v důsledku přenosu náboje mezi donorem a akceptorem •atomy X a H jsou spojeny kovalentní vazbou, která je polarizovaná – s rostoucí elektronegativitou X roste i síla vazby H...Y •vodíková vazba je obvykle planární – čím více se úhel blíží 180°, tím je vodíková vazba silnější a vzdálenost H...Y menší •při vzniku vodíkové vazby obvykle dochází k nárůstu délky vazby X-H, což se v IR spektroskopii projeví červeným posunem, ale existují i vodíkové vazby, které způsobují modrý nebo žádný posun vibračních frekvencí v IR •vodíková vazba vykazuje charakteristické signatury v NMR spektroskopii •kritérium, že délka vodíkové vazby je menší než součet van der Waalsových poloměrů, neplatí obecně, platí pouze pro silné vodíkové vazby CST126 Karel Kubíček 11 CST126 Karel Kubíček 12 CST126 Karel Kubíček 13 CST126 Karel Kubíček 14 CST126 Karel Kubíček 15 three_types_atom_movement.gif CST126 Karel Kubíček 16 H2_graf.gif Proteiny CST126 Karel Kubíček 17 Levels of Protein Structure CST126 18 Karel Kubíček C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\leu.gif 6) Aminokyseliny s alifatickým postranním řetězcem C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\ala.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\gly.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\ile.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\val.gif 19 Karel Kubíček CST126 7) Aminokyseliny s hydroxylovou (OH) skupinou C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\ser.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\thr.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\tyr.gif 8) Aminokyseliny s atomem síry C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\cys.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\met.gif 20 Karel Kubíček CST126 9) Aminokyseliny s acidickými skupinami nebo jejich amidy C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\asn.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\asp.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\gln.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\glu.gif 10) Imino kyselina C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\pro.gif 21 Karel Kubíček CST126 11) Aminokyseliny s basickými skupinami C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\arg.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\his.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\lys.gif 12) Aminokyseliny s aromatickými kruhy C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\phe.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\trp.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\tyr.gif C:\Documents and Settings\lelli\Documenti\Immagini\AMMINOACIDI\his.gif 22 Karel Kubíček CST126 A chart of different types of chemical formulas AI-generated content may be incorrect. https://chemistrytalk.org/wp-content/uploads/2023/03/ProteinogenicAminoAcids.svg-1024x819-1.png CST126 Karel Kubíček 23 A chart of different chemical formulas AI-generated content may be incorrect. CST126 24 A graph of different colored bars AI-generated content may be incorrect. Composition in percent for the complete database CST126 Karel Kubíček 25 Karel Kubíček 26 III] Peptidy, proteiny – vznik polymerů polymerizační reakcí polymerizace.png CST126 peptidova_vazba_2.png Karel Kubíček 27 IV] Peptidová vazba – pseudo dvojitá vazba => amidová rovina peptidova_vazba.png peptidova_vazba_1.png peptidova_vazba_3.png CST126 Karel Kubíček 28 parametry_polypept_reterze.png V] Proteinová páteř, primární struktura, číslování od N-konce (terminu) směrem k C-konci CST126 CST126 Karel Kubíček 29 Informace o 3D (proteinové) struktuře jsou zapsány v kartézských souřadnicích Nejrozšířenější formát PDB (ProteinDataBank, www.pdb.org ) ATOM 128 N HIS O 18 20.321 6.124 17.761 1.00 11.40 ATOM 129 CA HIS O 18 21.097 5.169 18.563 1.00 13.62 ATOM 130 C HIS O 18 22.581 5.413 18.454 1.00 17.00 ATOM 131 O HIS O 18 23.031 5.592 17.321 1.00 15.45 ATOM 132 CB HIS O 18 20.883 3.747 18.034 1.00 16.68 ATOM 133 CG HIS O 18 19.557 3.103 18.437 1.00 11.72 ATOM 134 ND1 HIS O 18 19.252 2.806 19.725 1.00 11.66 ATOM 135 CD2 HIS O 18 18.479 2.751 17.657 1.00 16.32 ATOM 136 CE1 HIS O 18 18.021 2.238 19.730 1.00 14.91 ATOM 137 NE2 HIS O 18 17.552 2.185 18.473 1.00 17.58 HETATM 1633 NC HEM O 104 15.182 3.191 16.831 1.00 21.22 HETATM 1634 C1C HEM O 104 15.433 3.334 15.488 1.00 17.49 HETATM 1635 C2C HEM O 104 15.046 4.605 15.145 1.00 31.21 HETATM 1636 C3C HEM O 104 14.623 5.242 16.323 1.00 14.38 HETATM 1637 C4C HEM O 104 14.661 4.346 17.360 1.00 14.50 HETATM 1638 CMC HEM O 104 15.299 5.349 13.850 1.00 15.54 HETATM 1639 CAC HEM O 104 14.314 6.707 16.409 1.00 31.67 HETATM 1640 CBC HEM O 104 13.170 7.262 15.615 1.00 10.23 HETATM 1609 FE HEM O 104 15.801 1.483 17.954 1.00 9.37 ftp://ftp.wwpdb.org/pub/pdb/doc/format_descriptions/Format_v33_A4.pdf amide_plane.png Karel Kubíček 30 AEKGYA.png f - CO, N, Ca, CO (CO někdy značeno C’) y - N, Ca, CO, N CST126 CST126 Karel Kubíček 31 Structural element f y n d p a-helix -57 -47 3.6 1.5 5.5 310-helix -49 -26 3.0 2.0 6.0 b-helix -57 -70 4.4 1.1 5.0 Polyproline II helix -79 +149 3.0 3.1 9.4 Parallel b-strand -119 +113 2.0 3.2 6.4 Antiparallel b-strand -139 +135 2.0 3.4 6.8 Structural parameters for protein secondary structures fand y are the conformational angles of the mainchain, with w ~180°(trans conformation) n = number of residues per turn d = displacement between successive residues along the helix/strand axis p = the pitch of helix/strand, the distance along the helix/strand axis of a complete sec. struct. element. Note that p=n x d (equation is exact, error is in rounding of n and d) Karel Kubíček 32 ramachandran.png VI] Ramachandranův diagram CST126 CST126 Karel Kubíček 33 ramachandran_proteins_2003_50_437.png ramachandran_proteins_2003_50_437B.png Ramachandranův diagram – komplet CST126 Karel Kubíček 34 https://proteopedia.org/wiki/index.php/Tutorial:Ramachandran_principle_and_phi_psi_angles Text Description automatically generated CST126 Karel Kubíček 35 helix_3.png Karel Kubíček 36 VII] Sekundární struktura 1)a-šroubovice (a-helix) 2)b-skládaný list (b-sheet) 3)Ohyb, smyčka (loop/turn) helix_1.png helix_2.png helix_zobr.png CST126 CST126 Karel Kubíček 37 1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 CST126 Karel Kubíček 38 Ostatní motivy sekundární struktury : 1.polyprolinová šroubovice I & II – levotočivá, 3.3 nebo 3 (PPI, PPII, v uvedeném pořadí) aminokyseliny/otočku 2.šroubovice 310 (srovnej s 3.613)– pravotočivá, 3 aminokyseliny/otáčku, 10 atomů vytváří kruh uzavřený vodíkovou vazbou, např. poly-Ala 3.p-šroubovice – pravotočivá, 4.1 aminokyseliny/otáčku 4.b-šroubovice – vzniká uspořádáním b-skládaných listů do pravo- i levotočivé šroubovice. CST126 Karel Kubíček 39 Karel Kubíček 40 VII] Sekundární struktura 1)a-šroubovice (a-helix) 2)b-skládaný list (b-sheet) 3)Ohyb, smyčka (loop/turn) beta_sheet.png antiparalelní uspořádání paralelní uspořádání beta_sheet_zobr.png beta_sheet_zobr.png beta_sheet_zobr.png CST126 Karel Kubíček 41 VII] Sekundární struktura 1)a-šroubovice (a-helix) 2)b-skládaný list (b-sheet) 3)Ohyb, smyčka (loop/turn) beta_smycka.png gama_beta_smycka.png b-smyčka/ohyb (4 residua) g-smyčka/ohyb (3 residua) CST126 Karel Kubíček 42 CST126 Disulfide bonds Created through oxidation of sulfhydryl groups 2 RSH → RS-SR + 2 H+ + 2 e- This process of oxidation can produce: 1)stable protein dimers, 2)polymers, 3)complexes, in which the sulfide bonds can help in protein folding. 4) Disulfide bonds i)intramolecularly – within a polypeptide chain, usually responsible for stabilizing tertiary structures of proteins ii) ii)Intermolecularly – between polypeptide chains, are attributed to stabilizing quaternary protein structures iii) https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Chemical_Bonding/_Disulfide_bonds A structure of a chemical formula AI-generated content may be incorrect. Salt bridge combination of two non-covalent interactions: i)hydrogen bonding ii)ionic bonding a)most often arises from the anionic carboxylate (RCOO−) of either aspartic or glutamic acid and the cationic ammonium (RNH3+) from lysine or the guanidinium (RNHC(NH2)2+) of arginine b)other residues with ionizable side chains such as histidine, tyrosine, and serine can also participate c)The N-O distance required is less than 4 Å. Greater than this distance apart do not qualify as forming a salt bridge. https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_bridge_(protein_and_supramolecular) A diagram of chemical formulas AI-generated content may be incorrect. CST126 Karel Kubíček 43 CST126 Karel Kubíček 44 Primary sequence reveals important clues about a protein One sequence keeps silent about its three-dimensional structure Two aligned sequences whisper But tables of many aligned sequences shout out loud Primary sequence reveals important clues about a protein • Evolution conserves amino acids that are important to protein structure and function across species. Sequence comparison of multiple “homologs” of a particular protein reveals highly conserved regions that are important for function. • Clusters of conserved residues are called “motifs” -- motifs carry out a particular function or form a particular structure that is important for the conserved protein. DnaG E. coli ...EPNRLLVVEGYMDVVAL... DnaG S. typ ...EPQRLLVVEGYMDVVAL... DnaG B. subt ...KQERAVLFEGFADVYTA... gp4 T3 ...GGKKIVVTEGEIDMLTV... gp4 T7 ...GGKKIVVTEGEIDALTV... small hydrophobic large hydrophobic polar positive charge negative charge motif CST126 45 Karel Kubíček :::: ** :* . CST126 Karel Kubíček 46 Structure of function identified Motif Nucleotide-binding site G*G**G N-glycosylation site N*S or N*T Nuclear protein transit sequence KKKRKV Factor IX proteinase cleavage site IEGR Serine proteinase active site GDSGG Acid proteinase active site FDTGS Fibronectin cell adhesion sequence RGDS Copper binding site H***H…H or H****H…H * = any single amino acid (AA) *** = several AAs ... = any number of AAs Some motifs in protein sequences Karel Kubíček 47 Protein folding The Levinthal paradox states that if an averaged sized protein would sample all possible conformations before finding the one with the lowest energy, the whole process would take billions of years. Proteins typically fold within 0.1 and 1000 seconds, therefore the protein folding process must be directed some way through a specific folding pathway. CST126 Protein folding Anfinsen's Classic Experiment: The "Protein Folding Problem" asks a very simple question: "How does the primary structure of a protein determine its 2ｰ and 3ｰ structure?". We have known for many decades that proteins fold into their correct 3-D structures inside the cell. But correct folding during synthesis on the ribosome or later with assistance from unknown cellular factors could explain the in vivo results. In the 1960's, Anfinsen and his coworkers performed a series of seminal experiments in vitro that answered a key part of the problem. The original work led Anfinsen to propose his "Thermodynamic Hypothesis", which states that the native conformation of a protein is adopted spontaneously. In other words, there is sufficient information contained in the protein sequence to guarantee correct folding from any of a large number of unfolded states. A schematic diagram of Anfinsen's experiment is shown below in two parts: CST126 48 Karel Kubíček anfinsen.png CST126 49 Karel Kubíček Anfin CST126 50 Karel Kubíček Karel Kubíček 51 VII] Terciární struktura proteinů primar-sek-terciar_strukt.png 1) Kolagen Primární struktura: Sekundární struktura: Terciární struktura: CST126 Karel Kubíček 52 3) Strukturní motivy v proteinech motivy_proteinu.png b-meandr Řecký klíč Swiss/Jelly roll CST126 Charged and polar R-groups tend to map to protein surfaces CST126 53 Karel Kubíček Karel Kubíček 54 3D-struktury.png CST126 Karel Kubíček 55 VIII] Kvartérní struktura proteinů 1)Multimery 2)Homo-/hetero- -mery kvarterni_struktura.png CST126 Examples of other quaternary structures Tetramer Hexamer Filament SSB DNA helicase Recombinase Allows coordinated Allows coordinated DNA binding Allows complete DNA binding and ATP hydrolysis coverage of an extended molecule CST126 56 Karel Kubíček CST126 Karel Kubíček 57 Grigoryan and Keating, 2008 CST126 Karel Kubíček 58 CST126 Karel Kubíček 59 CST126 Karel Kubíček 60 Confidence in structural features of proteins determined by X-ray crystallography (estimates are very rough and strongly depend on the quality of the data) Structural feature Resolution 5 Å 3 Å 2.5 Å 2 Å 1.5 Å Chain tracing - Fair Good Good Good Secondary structure Helices fair Fair Good Good Good Sidechain conformations - - Fair Good Good Orientation of peptide planes - - Fair Good Good Protein hydrogen atoms visible - - - - Good Karel Kubíček 61 XII] Metody pro určování třídimenzionální struktury (bio)molekul na atomární úrovni 1)NMR – nukleární (=jaderná) magnetická rezonance – měření (také) v kapalném prostředí 2)Rentgenová krystalografie - (měření především v krystalu) 3)Kryo-elektronová mikroskopie CST126 CST126 Karel Kubíček Screen Shot 2015-09-29 at 11.15.37.png J Mol Graph Model 19, 2001, 26-59 62 CST126 Karel Kubíček Screen Shot 2015-09-29 at 11.11.31.png BiochimBiophysActa 1804, 2010, 1231-64 63 Karel Kubíček 64 IX] Funkce proteinů: 1)Enzymy – katalyzátory biologických reakcí 2)Transportní proteiny (hemoglobin) 3)Regulační proteiny (např. hormon insulin) 4)Skladovací (storage) – např. ovalbumin – zdroj dusíku pro vyvíjející se ptačí embryo 5)“Pohybové” proteiny – actin, myosin, tubulin, dynein, kinesin 6)Strukturní proteiny – zajišťujicí vytvoření a udržení biologické struktury – a-keratin, kolagen, elastin, fibroin etc. 7)Ochranné – imunoglobuliny, fibrinogen, thrombin 8) 8) CST126 Karel Kubíček 65 X] Proteinová databáze – PDB WWW.RCSB.ORG XI] Vizualizační programy 1)ChimeraX 2)Chimera 3)PyMol 4)VMD CST126 Nukleové kyseliny CST126 Karel Kubíček 66 Základní stavební kameny nukleových kyselin: 1)Báze i)Purinové – menší, číslování arom. kruhu protisměru hod. r., adenin (A), guanin (G), obecně R ii)Pyrimidinové – větší, číslování ve směru hod. r., cytosin (C), uracil (U), thymin (T), obecně Y 2)Cukr – 2’-deoxyribóza (DNA), ribóza (RNA) 3)Fosfát 4) Báze: 1)Standardní 2)Modifikované: N6-methyl-dA, 5-methyl-dC, xanthin, hypoxanthin, uric acid, 7-methylguanine, dimetylaminoadenin 67 Karel Kubíček CST126 purin_pyrimidin.png Purin (R) Pyrimidin (Y) CST126 68 Karel Kubíček UC.png T.png AG.png CST126 69 Karel Kubíček UC.png T.png AG.png Vyměnitelné a aromatické vodíkové atomy CST126 Karel Kubíček 70 charges_dna.png Hustoty nábojů v nukleotidech rozdělené podle Del Reho s nábojů (Roman) a Hückelových p nábojů (kurzíva) CST126 Karel Kubíček 71 Screen Shot 2011-09-26 at 1.28.53 PM.png CST126 Karel Kubíček 72 tautomerie.png Tautomerie amino (amin<->imin) a keto (keto<->enol forma) skupin purinů a pyrimidinů, fyziologické podmínky favorizují amino a keto formy CST126 Karel Kubíček 73 Nukleosidy a nukleotidy ATP_ADP_AMP.png Nukleotid vzniká esterifikací fosforylu na –OH skupinu nukleosidu. V riboze lze esterifikovat 3 skupiny (ve 2’-deoxy-riboze pouze 2 –OH skupiny) , přesto má drtivá většina ribonukleotidů fosfát v poloze 5’. CST126 Karel Kubíček 74 sid_tid.png Název báze, X=H Nukleosid, X=(deoxy)ribóza Nukleotid, X= fosfo.ribóza Adenin Adenosin Adenosinmonofosfát AMP Guanin Guanosin Guanosinmonofosfát GMP Cytosin Cytidin Cytidinmonofosfát CMP Uracil Uridin Uridinmonofosfát UMP Thymin Thymidin Thymidinmonofosfát TMP CST126 Karel Kubíček 75 CST126 Karel Kubíček 76 Cukr furanoza_deoxy_riboza.png CST126 Karel Kubíček 77 AMP dAMP UMP dTMP CST126 Karel Kubíček 78 syn_anti.png Vlivem stérického bránění báze se vyskytují dvě konformační uspořádání báze-cukr: syn/anti Oba způsoby uspořádání se vyskytují v přírodě, přičemž ANTI převažuje CST126 Karel Kubíček 79 suger_pucker01.jpeg suger_pucker01.jpeg suger_pucker01.jpeg suger_pucker01.jpeg Konformace cukru - Sugar pucker backbone_sugarKK.gif CST126 Karel Kubíček 80 Fosfát; páteř nukleové kyseliny tetrahedral_fosfat.png mono_pater.png Tetrahedrální uspořádání fosfátové skupiny (a), volnost rotace (b) CST126 Karel Kubíček 81 paterDNA.tiff Páteř nukleové kyseliny náboj 2- 1- 1- 1- protináboj negativně nabité páteři: Na+, K+ Báze v páteři nukleových kyselin číslujeme od 5’-konce směrem ke 3’-konci: 5’-GCAT-3’ CST126 Karel Kubíček 82 DNA_RNA.png RNA DNA CST126 Karel Kubíček 83 DNA_RNA.png RNA DNA CST126 Karel Kubíček 84 wrong_dna_pauling.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.24.53.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.25.19.png CST126 Karel Kubíček 85 watson_crick.png Párování bází NK: Watson-Crick, NC za medicínu a fyziologii 1962 [Watson(*1928)] Vodíkové vazby Jednotlivé řetězce dvojité šroubovice drží díky complementárními vazbami N•••H-N a =O•••H-N, které vznikají mezi Cytosinem a Guaninem a Thyminem a Adeninem. Hbond.png Každá vodíková vazba přispívá cca 20 kJ/mol ke stabilizaci dvojšroubovice CST126 86 Karel Kubíček CST126 Karel Kubíček 87 AT.png GC.png rozložení náboje v nukleobázích + 0 -, šipky označují dipólový moment CST126 Karel Kubíček 88 base_pairing.png AT.png GC.png Watson-Crickovské párování bazí dna_wc_base_pairing.png dna_base_pairing_hoogsteen.png CST126 Karel Kubíček 89 CST126 Karel Kubíček 90 dna_karelk.jpg double.jpg DNA_Overview1.png CST126 Karel Kubíček 91 Screen Shot 2014-10-21 at 08.39.34.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.40.47.png CST126 Karel Kubíček 92 Screen Shot 2014-10-21 at 08.29.54.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.29.54.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.37.53.png CST126 Karel Kubíček 93 Screen Shot 2014-10-21 at 08.40.13.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.40.47.png CST126 Karel Kubíček 94 Screen Shot 2014-10-21 at 08.44.03.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.42.45.png Geometrie páru bazí duplex_characteristics_twist_roll_shear.jpg http://nar.oxfordjournals.org/content/31/17/5108/F1.large.jpg CST126 Karel Kubíček 95 CST126 Karel Kubíček 96 Interkalace – vmezeření 1)Planární molekuly (nejčastěji organické polycyklické aromatické kruhy) mohou interagovat s molekulami nukleových kyselin interkalací, tzn. vmezeřením se mezi dvě po sobě jdoucí báze n. páry bazí 2)Důsledkem je změna strukturních parametrů dvoušroubovice => narušení např. replikace DNA 3)Chemoterapie, značení nukleových kyseliny (ethidium bromid) atp. 800px-Ethidium_bromide.png Ethidium bromide !!! Mutagenní !!! CST126 Karel Kubíček 97 800px-DNA_intercalation2.jpg Ethidium bromide DNA CST126 Karel Kubíček 98 1s8.1.png 1s8.png Decamer DNA šroubovice interkalovaný dvěma 2-HYDROXY-3-(PYREN-1-YLMETHOXY)PROPYL DIHYDROGEN fosfátovými bázemi (PDB ID: 1S88) CST126 Karel Kubíček 99 1x95.png Hexamer DNA šroubovice interkalovaný bispphenazinem – protinádorovým léčivem (1-METHYL-9-[12-(9-METHYLPHENAZIN-10-IUM-1-YL)-12-OXO-2,11-DIAZA-5,8-DIAZONIADODEC-1-ANOYL]PHENAZIN -10-IUM) PDB ID: 1X95 CST126 Karel Kubíček 100 Peptidová nukleové kyseliny (PNA) -Nejsou kyselinami!!! -Jsou syntetické, nicméně se předpoládá(lo), že mohli figurovat jako vývojový stupeň v počátcích vzniku života (naproti tomu stojí “RNA svět”) -Nemají v páteři negativně nabitý fosfát => silnější vazba mezi bázemi Screen Shot 2012-11-20 at 9.44.00 AM.png N-aminoethyl glycin Screen Shot 2012-11-27 at 12.14.04 PM.png Screen Shot 2012-11-20 at 9.44.00 AM.png CST126 Karel Kubíček 101 Screen Shot 2012-11-20 at 9.45.17 AM.png a - triplexová struktura, b – triplexová struktura nahrazením jednoho DNA řetězce, c – duplexová struktura nahrazením jednoho DNA řetězce Interakce mezi PNA a DNA dvoušroubovicí CST126 Karel Kubíček 102 ABZ_DNA.png Nejběžnější typy DNA: B-DNA (a), A-DNA (b), Z-DNA (c) DNA konformace B A Z Směr vinutí pravotočivá pravotočivá levotočivá Počet parů bazí na otáčku 10.5 11.0 12.0 Průměr šroubovice ~2.0 nm ~2.6 nm ~1.8 nm Konformace cukru C2’-endo C3’-endo C2’-endo (pyr) C3’-endo (pur) Velký žlábek Major groove široký, hluboký úzký, hluboký plochý Malý žlábek Minor groove úzký, hluboký široký, mělký úzký, hluboký dna_torsions.png torsion_angle_definition.png Definice dihedrálních a torzních úhlů CST126 Karel Kubíček 103 aI_aII_bI_bII_zI_zII.png Nucleic Acids Research, 2008, Vol. 36, No. 11, 3690–3706 CST126 Karel Kubíček 104 CST126 Karel Kubíček 105 Stabilita DNA dvojšroubovice: 1)Vodíkové můstky 2)Londonovy disperzní síly (LDF), dipól-dipólové interakce 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3)Patrové interakce – stacking Nukleopár Vodíkové vazby LDF Celková E A:T -26 +1.0 -25.0 G:C -40 -16.3 -56.3 Energie v kJ/mol A:T – opačné dipóly, G:C – působí atraktivně Působí mezi jednotlivými patry nukleopárů, stabi-lizují dvojšoubovici díky elektronovým korelacím, van der Waalsovým a Coulombickým interakcím Screen Shot 2011-09-26 at 6.02.19 PM.png CST126 Karel Kubíček 106 Non-Watson-Crickovské (Hoogsteenovo – Karsten Hoogsteen) párování bazí Triplexové struktury triplex_bonding.png CST126 Karel Kubíček 107 Hoogsteen.png triplex.png Triplexové struktury CST126 Karel Kubíček 108 Quadruplexové struktury quadruplex.png LUK-obr2.005.tiff CST126 Karel Kubíček 109 Polymorfie telomerických opakování in vitro Na+ K+ K+ K+ K+ Wang et al. Structure (1993) Parkinson et al. Nature (2002) Lim et al. J Am Chem Soc. (2009) Dai et al. Nucleic Acids Res. (2007) Ambrus et al. Nucleic Acids Res. (2006) X-ray NMR NMR Sekvenčně závislé K+/PEG Heddi et al. J Am Chem Soc. (2011) CST126 Karel Kubíček 110 Polymorfie telomerických opakování in vivo Hansel et al. Nucl Acids Res (2011) In-cell NMR ? X Sekvenčně závislé CST126 Karel Kubíček 111 CST126 112 Další významné formy DNA: 1)Hollidayův spoj (Holliday junction) klíčový meziprodukt v mnoha typech genetické rekombinace a také při opravě dvouřetězcových zlomů. 2) 2) 2) 2) 2)displacement loop (D-loop, D-smyčka) 3)R-loop (R-smyčka) 4) 4) 4)Křížová struktura DNA (cruciform) 5) 5) 5) 5)i-motif DNA 6) 6)DNA nanotechnologie – DNA origami Diagram, schematic Description automatically generated A screenshot of a computer Description automatically generated with medium confidence Diagram, schematic Description automatically generated Pictures credited to: wikipedia.org Karel Kubíček CST126 113 Další významné formy DNA: 1)Hollidayův spoj (Holliday junction) klíčový meziprodukt v mnoha typech genetické rekombinace a také při opravě dvouřetězcových zlomů. 2) 2) 2) 2) 2)displacement loop (D-loop, D-smyčka) 3)R-loop (R-smyčka) 4) 4) 4)Křížová struktura DNA (cruciform) 5) 5) 5) 5)i-motif DNA / i-motif RNA 6) 6)DNA nanotechnologie – DNA origami Pictures credited to: wikipedia.org Karel Kubíček CST126 Karel Kubíček 114 kazdodenni_modely_DNA.png CST126 Karel Kubíček 115 Superhelikální cirkulární DNA Lk = Wr + Tw Lk - linking () – topologická vlastnost cirkulární DNA, udává, kolikrát je jeden řetězec DNA obtočen kolem druhého v pravotočivém směru (vzhledem k tomu, že referenční je B-DNA). Lk zůstává pro danou cirkulární DNA konstantní (neboť “konce” jsou zafixované a nemůže docházet k rozvinutí). Lk nabývá vždy celočíselných hodnot (konce DNA dvoušroubovice na sebe musí “pasovat”, aby došlo k uzavření kruhu). Tw - twisting (otočení) – v relaxovaném stavu se Tw=Lk. Tw udává počet 360° otoček, které jsou na dvojšroubovici podél celé kružnice. Vzhledem k tomu, že pro B-DNA připadá cca 10 párů bazí na jednu otočku, Tw je přibližně rovno počtu párů bazí / 10. Pro pravotočivé otáčky je Tw kladné. Wr - writhing (skřížení) – z důvodu strukturních “potřeb” DNA různé hodnoty Lk kružnice mohou způsobit nikoliv změnu v otáčkách (Tw), ale vznik superhelixu (superšroubovice). Vznik superhelixu je definován číslem Wr. Pro pravotočivé superšroubovice je Wr záporné!!! CST126 Karel Kubíček 116 Screen Shot 2012-11-27 at 1.09.28 PM.png Vzhledem k tomu, že má DNA tendenci udržet B-DNA topologii, Tw se zvýší zpět na 42. Lk je ovšem topologické číslo, které MUSÍ zůstat konstantní, tedy 36 a k zachování rovnice Lk=Wr+Tw Wr musí nabýt hodnoty Wr=-6. dna_super_coil_writhing.png CST126 Karel Kubíček 117 CST126 Karel Kubíček 118 circular_DNA.png CST126 Karel Kubíček 119 supercoil.png Lipidy CST126 Karel Kubíček 120 CST126 121 Karel Kubíček Lipidy -Hydrofobní (nerozpustné ve vodě; obsahující pouze nepolární skupinu) nebo amfifilní (obsahují jak polární, tak nepolární skupinu) -Zásobarny metabolické energie Mastné kyseliny -Dlouhý, nepolární –CH2- konec -Polární karboxylová skupina -Nasycené (stearová, plamitová, arašídová) -Nenasycené - mono- (jedna dvojitá vazba; olejová)/poly-(více dvojitých vazeb) nenasycené CST126 Karel Kubíček 122 Screen shot 2010-10-26 at 9.57.46 AM.png CST126 Karel Kubíček 123 Screen shot 2010-10-26 at 9.55.45 AM.png CST126 Karel Kubíček 124 Fosfolipidy - Esenciální prvek biologických membrán schema_fosfolipidu.png Mastná kyselina glycerol fosforylovaný alkohol CST126 Karel Kubíček 125 fosfatidinova_kys.png Kyselina fosfatidová –základní sloučenina fosfolipidů CST126 Karel Kubíček 126 CST126 Karel Kubíček 127 CST126 Karel Kubíček 128 Screen shot 2010-11-15 at 11.42.49 PM.png CST126 Karel Kubíček 129 CST126 Karel Kubíček 130 Screen shot 2010-11-15 at 11.04.10 PM.png CST126 Karel Kubíček 131 dvojvrstva.png Hydro- -filní -fobní -filní Lipidová dvojvrstva CST126 Karel Kubíček 132 usporadane_lipidy.png CST126 Karel Kubíček 133 multilamelarni_vesicle.png monolamelarni_vesicle.png micela.png Micela Unilamelární vesikula Multilamelární vesikula CST126 Karel Kubíček 134 agregaty.png CST126 Karel Kubíček 135 Screen shot 2010-11-15 at 11.44.49 PM.png CST126 Karel Kubíček 136 Screen shot 2010-11-15 at 11.06.53 PM.png CST126 Karel Kubíček 137 Screen Shot 2011-11-01 at 8.16.53 AM.png 1)Gorter & Grendel 2)Harvey, Danielli, Davson 3)Robertson (X-ray diffraction) 4)Benson 5)Singer & Nicolson 6) --------”---------- 7)Green 8)Sjostrand & Lucy 9)Brown (1971) 10) CST126 Karel Kubíček 138 CST126 Karel Kubíček 139 Membránové kanály Výměna iontů mezi vnitřním a vnějším prostředím buňky je uskutečňována membránovými kanály. Kanály se liší od přenašečů mají pevná vazebná místa pro ionty a v membráně vytvářejí póry propustné pro vodu. Otevírání/uzavírání těchto pórů/kanálů (vrátkování/gating) se může dít několika mechanismy. Vedle elektrického je vrátkování některých kanálů ovládáno jinými podněty (chemickou vazbou látek, mechanickým napětím aj.). Průchod iontů celým kanálem nelze považovat za volnou difuzi. Většina kanálů je totiž charakterizována větší či menší mírou selektivity v propustnosti iontů. V tomto smyslu hovoříme o sodíkových, draslíkových, vápníkových nebo chloridových kanálech. Transport iontů kanály nevyžaduje dodání energie. CST126 Karel Kubíček 140 Otevírání/zavírání kanálů (gating/vrátkování) ion_channel.jpg CST126 Karel Kubíček 141 Otevírání/zavírání kanálů (gating/vrátkování) ion_channel_vg_ig_mg.jpg CST126 Karel Kubíček 142 Buňky CST126 Karel Kubíček 143 CST126 144 Karel Kubíček zakl_tvary_bunek.png Tvary a velikosti vybraných bakterií rozdeleni_ziveho_sveta.png Základní rozdělení živého světa 1)Prokaryoty 2)Eukaryoty CST126 145 Karel Kubíček vibrio_cholerae_bakterie.png e.coli.png Vibrio cholerae Escherischia coli (E.coli) CST126 146 Karel Kubíček eucaryoticka_bunka.png Eukaryotická buňka CST126 147 Karel Kubíček CST126 Karel Kubíček 148 Screen Shot 2011-11-28 at 9.12.24 PM.png CST126 Karel Kubíček 149 Screen Shot 2011-11-28 at 8.49.45 PM.png Screen Shot 2011-11-28 at 8.50.22 PM.png Další organely v rostlinné buňce CST126 Karel Kubíček 150 Screen Shot 2011-11-28 at 9.14.51 PM.png CST126 Karel Kubíček 151 Screen Shot 2011-11-28 at 9.51.51 PM.png Makromolekulární konsenzus v buňce E. coli CST126 Karel Kubíček 152 Screen Shot 2011-11-28 at 9.49.04 PM.png CST126 Karel Kubíček 153 Screen Shot 2011-11-28 at 9.56.44 PM.png CST126 Karel Kubíček 154 Screen Shot 2011-11-28 at 9.57.15 PM.png CST126 Karel Kubíček 155 Screen Shot 2011-11-28 at 9.54.31 PM.png CST126 Karel Kubíček 156 exocytosis.gif endocytosis.jpg ENDO- -CYTOSIS EXO- mitochondrie.png Mitochondrie CST126 157 Karel Kubíček zacleneni_mitochondrie.png Vznik mitochondrie CST126 158 Karel Kubíček CST126 Karel Kubíček 159 Screen Shot 2011-11-28 at 9.45.57 PM.png Fission – dělení mitochondrie Graphical user interface, application Description automatically generated https://www.biorxiv.org/ CST126 Karel Kubíček 160 CST126 Karel Kubíček 161 Text Description automatically generated CST126 Karel Kubíček 162 Graphical user interface, application, website Description automatically generated https://time.com/collection/best-inventions-2022/6229912/deepmind-alphafold/ CST126 Karel Kubíček 163 Graphical user interface Description automatically generated 164 A screenshot of a cellphone Description automatically generated with low confidence CST126 Karel Kubíček CST126 Karel Kubíček 165 Text Description automatically generated CST126 Karel Kubíček 166 A picture containing text, indoor, items, cluttered Description automatically generated CST126 Karel Kubíček 167 A map of a city Description automatically generated with low confidence CST126 Karel Kubíček 168 A picture containing chart Description automatically generated CST126 169 A picture containing text Description automatically generated Shape Description automatically generated Karel Kubíček