Struktura živé hmoty 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 některých elektrolytů je pojednáno podrobněji v přednášce věnované membránovým jevům. Další poučení je třeba hledat v učebnicích biologie a biochemie. Voda Vodíková vazba mezi molekulami vody Koloidy Koloidy – označované též jako nepravé roztoky – jsou tvořené 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, jejich podjednotky jsou spojeny kovalentními vazbami) Slabé chemické vazby • Vodíková vazba • Hydrofobní interakce • van der Waalsovy vazby 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. • Ultramikroskopie – před elektronovou mikroskopií bylo možno pozorovat koloidní částice ve světelném mikroskopu jako svítící body na temném pozadí (pozorování v tmavém poli). – Optická aktivita: Některé koloidy mohou stáčet rovinu procházejícího polarizovaného světla Elektrické: viz přednáška o přístrojových metodách v molekulární biofyzice Tyndallův jev v micelárním a molekulárním koloidu 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) Chemické složení bílkovin Podle výsledku hydrolýzy: • jednoduché (v hydrolyzátu jen aminokyseliny) • složené (v hydrolyzátu nejen aminokyseliny) Ø Nukleoproteiny Ø Hemoproteiny Ø Flavoproteiny Ø Metaloproteiny Ø Lipoproteiny Ø ….. Struktura bílkovin • Strukturální jednotky bílkovin jsou aminokyseliny (AK), spojené peptidovou vazbou: -RCH-NH-CO-RCH-, která může hydrolyzovat: -RCH-NH-CO-RCH- + H[2]O ¬¾® -RCH-NH[2] + HOOC-RCH- • 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: -NH[2] + H^+ ¬¾® -NH[3]^+ • 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 sulfhydrylovou skupinu (-SH), která se oxiduje dehydrogenací a spojuje s dehydrogenovanou skupinou jiného cysteinového zbytku kovalentním disulfidickým můstkem (vazba -S-S-). Struktura bílkovin Struktura bílkovin • Primární (sekvence kovalentně vázaných AK zbytků) • Sekundární (vzájemné prostorové uspořádání sousedních článků polypeptidového řetězce – dána především vodíkovými vazbami) Ø a-šroubovice Ø b-struktura (skládaný list) Ø jiná • 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) Ø Homogenní – všechny podjednotky jsou stejné Ø Heterogenní – podjednotky dvou nebo více druhů b-struktura (skládaný list – antiparalelní model) http://www-structure.llnl.gov/Xray/tutorial/protein_structure.htm Trojitá šroubovice kolagenu http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG04_34.JPG Struktura nukleových kyselin (NA) • Mononukleotidy (strukturní podjednotky NA) jsou tvořeny: Ø Pyrimidinovými (C, U, T) nebo purinovými (A, G) dusíkatými bázemi Ø Cukrem (ribózou nebo deoxyribózou) Ø Zbytkem kyseliny fosforečné ^• DNA: až stovky tisíc podjednotek. M.h. 10^7 – 10^12. Dva řetězce (vlákna) tvoří antiparalelní dvoušroubovici.^ • RNA: Ø m-RNA (mediátorová, messenger) Ø t-RNA (transferová) Ø r-RNA (ribosomální) Ø (virová RNA) B-DNA http://cwx.prenhall.com/horton/medialib/media_portfolio/text_images/FG19_15aC.JPG A-DNA – dehydratovaná, B-DNA – běžně se vyskytuje za fyziologických podmínek, Z-DNA – v sekvencích bohatých na páry CG Nadšroubovicová (superhelikální) struktura kruhové DNA 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 •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 Ribosomální RNA http://www.imb-jena.de/cgi-bin/htmlit.pl?color=ffffff&id=GIF&src=1c2w.gif&name=Image%20Library%20Th umb%20Nail%201C2W 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. Denaturační faktory • Fyzikální: Ø Zvýšená teplota Ø Ionizující záření Ø Ultrazvuk Ø ….. • Chemické: Ø Změny pH Ø Změny v koncentraci elektrolytů Ø Těžké kovy Ø Denaturační činidla rozrušující vodíkové vazby - močovina Ø ….. • Kombinace těchto faktorů: ionizující záření nebo ultrazvuk působí přímo a/nebo nepřímo (chemicky prostřednictvím volných radikálů) Autor: Vojtěch Mornstein Obsahová spolupráce: Carmel J. Caruana, Viktor Brabec Grafika: Lucie Mornsteinová Poslední revize: Červen 2009