C6770 Strukturní analýza biomolekul s využitím NMR

Přírodovědecká fakulta
jaro 2002
Rozsah
2/0/0. 3 kr. Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
doc. RNDr. Radovan Fiala, CSc. (přednášející)
prof. RNDr. Vladimír Sklenář, DrSc. (přednášející)
Mgr. Jaromír Toušek, Dr. (přednášející)
prof. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Vladimír Sklenář, DrSc.
Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Vladimír Sklenář, DrSc.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Osnova
  • 1. Principy vícedimenzionální NMR spektroskopie přednáší V. Sklenář 1.1 Historie NMR spektroskopie a současné trendy - využití NMR ke studiu molekulární struktury v kapalné a pevné fázi, NMR versus X-ray krystalografie. 1.2 Základní principy magnetický dipól, rezonanční podmínka Fourierova spektroskopie klasický popis - Blochovy rovnice relaxační procesy - spin-mřížková a spin-spinová relaxace Fourierova transformace, citlivost měření. 1.3 Součinový operátorový formalismus základní principy, názvosloví vývoj součinových operátorů Hamiltonián v součinové bázi, složené rotace, pozorovatelné veličiny. 1.4 1D Fourierova spektroskopie excitační sekvence principy spinového echa selektivní a složené pulsy přenos polarizace - metody INEPT a DEPT, TOCSY homo- a heteronukleární decoupling (GARP, WALTZ) pulsní gradienty Bloch-Siegertův posun měření v H20 roztocích principy NOE (homonukleární a heteronukleární NOE) 1.5 nD Fourierova spektroskopie základní principy a formální teorie detekce NMR ve více frekvenčních dimenzích kvadraturní detekce v nepřímých dimenzích metody nepřímé detekce 1.6 Základní metody nD spektroskopie korelace chemických posunů - COSY J-rozlišená spektroskopie - měření spin-spinových skalárních interakcí korelace dipól-dipólových interakcí a chemické výměny - NOESY (EXCY) fázové cykly, varianty pro měření homo- a hetero-nukleárních spinových systémů editace spekter, heteronukleární korelace s nepřímou detekcí HSQC, HMQC, zvýšení citlivosti s využitím gradientů mag. pole. 2. Struktura DNA přednáší R. Fiala 2.1 Základní principy struktury nukleových kyselin Stavební prvky molekul DNA a RNA - báze A, G, U, T, C, ribóza, deoxyribóza, nukleosidy, nukleotidy Páry bází Watson-Crickova a Hoogsteenova typu Konformace oligonukleotidů, jednovláknové a dvouvláknové molekuly, hairpiny, šroubovice typu A, B, Z, bulges, triplexy, kvadruplexy Definice helikálních parametrů (twist, tilt, roll, slide, rise) a torzních úhlů cukr-fosfátové páteře, pseudorotační úhel, glykosidický torzní úhel, syn- a anti-konformace 2.2 Atomy pozorovatelné v NMR spektrech nukleových kyselin Vlastnosti jader izotopů 1H, 13C, 15N a 31P, gyromagnetické poměry, přirozené zastoupení, citlivost v NMR spektroskopii Příprava a složení vzorků nukleových kyselin pro NMR měření, koncentrace vzorků, obsah solí, stabilizační látky, rozpouštědla, izotopicky obohacené vzorky Protonová spektra nukleových kyselin, typické hodnoty chemických posunů, interakčních J-konstant a relaxačních rychlostí, měření spekter atomů podléhajících rychlé chemické výměně, potlačení signálu vody Spektra jader 13C, 15N a 31P, rozsahy chemických posunů, interakční J-konstanty a relaxační vlastnosti. 2.3 Homonukleární (protonová) 2D a 3D spektra nukleových kyselin COSY spektrum a jeho využití k identifikaci a přiřazení signálů ve spektru, RELAY-COSY, TOCSY Měření proton-protonových interakčních J-konstant a jejich využití ke studiu konformace cukrů, 2QF- a 3QF-COSY, COSY-45, E.COSY, P.E.COSY Využití NOESY spekter k přiřazení signálů a určování vzdáleností mezi protony, spinová difuze, typické kovalentní 1H-1H vzdálenosti v A-, B- a Z-DNA, ROESY spektra a identifikace chemické výměny. 3D a pseudo 3D homonukleární metody, TOCSY-NOESY, NOE-NOE, HOENOE 2.4 Heteronukleární 2D a 3D metody Přiřazení signálů a měření skalárních interakčních konstant v 1H-31P spektrech. Selektivní a neselektivní 1H-31P HETCOR, hetero TOCSY, 2D a 3D hetero TOCSY-NOESY 1H-13C a 1H-15N korelace v přirozeném izotopickém zastoupení. HMQC a HSQC, 15N-HMQC s potlačením signálu vody Dvojrezonanční metody aplikovatelné na izotopicky obohacené vzorky. CT-HSQC, gHSQC, HCCH-COSY, HCCH-TOCSY, Zjednodušení spekter pomocí heteronukleární filtrace v jedné či dvou dimenzích. 13C- a 15N-filtrované NOESY experimenty. Trojrezonanční metody pro korelaci signálů přenosem magnetizace přes chemickou vazbu. HCN, HCNCH, HCP, HCCNH-TOCSY Interakční konstanty 3J(H,P) a 3J(C,P) - zdroj informací o konformaci cukr-fosfátové páteře. Experimenty HCCH-E.COSY a P-FIDS-CT-HSQC. 2.5 Shrnutí - přehled experimentů pro určování struktury nukleových kyselin 3. Struktura proteinů přednáší L. Žídek 3.1 Základní principy struktury proteinů Určování struktury v kontextu studia proteinů Struktura proteinů a NMR Polypeptidová páteř Struktury aminokyselinových zbytk? Trojrozměrná struktura 3.2 Přiřazení frekvencí atom?m v přirozeném zastoupení izotopů Přehled experimentů (COSY, TOCSY, NOESY) Určení totožnosti aminokyselin Určení primární struktury - sekvenční přiřazení 3.3 Přiřazení frekvencí atomům s využitím izotopového značení Izotopové značení proteinů Nástroje multi-nukleární spektroskopie (pulsy, prodlevy, echa, decoupling, konstantní čas, gradienty) Strategie přiřazení založená na 1H- 15N- 13C 3D experimentech (HNCA, HN(CO)CA, HNCACB, (HBHA)CBCA(CO)NH) Strategie přiřazení založená na NOESY-HSQC Přiřazení postranních řetězců (TOCSY experimenty, přiřazení aromatických skupin Stereospecifcké přiřazení 3.4 Získání údajů o geometrii Problém určení konformace Měření třívazebných skalárních interakčních konstant Měření zbytkových dipolárních interakčních konstant Měření NOE Určení sekundární struktury Určení trojrozměrné struktury Určení vyšších struktur 3.5 Limity a jejich posouvání Velké proteiny, membránové proteiny (deuterace, TROSY, micely, PISEMA) 4. Dynamika biomolekul přednáší R. Fiala a L. Žídek 4.1 Vztah mezi dynamikou molekul a relaxací v NMR Proč relaxují NMR signály, Brownův pohyb a interní pohyby molekul, pohyby na pomalé (s-ms), střední (ms-ms) a rychlé časové škále Charakteristika pohybu molekul v roztoku (difúze, difúzní tenzor, korelační funkce, funkce spektrální hustoty a vnitřní pohyby molekul) 4.2 Klasická a semiklasická teorie relaxace Relaxace v Blochově rovnici Principy semiklasické Redfeldovy teorie relaxace 4.3 Relaxační mechanismy Dipolární relaxace Příspěvek CSA a kvadrupólového momentu 4.4 Experimentální aspekty relaxačních měření Měření heteronukleární NMR relaxace Pulzní sekvence pro měření R1, R2 a NOE u jader 13C a 15N Praktické aspekty relaxačních měření 4.5 Interpretace relaxačních dat prostřednictvím parametrů popisujících pohyb molekul Výpočet parametrů charakterizujících pohyb molekul na základě experimentálních dat, volba modelu na základů statistických kritérií "Model-free" analýza Mapování funkce spektrální hustoty Konformační změny a jejich odraz v relaxačních parametrech 4.6 Využití výpočtů molekulové dynamiky při interpretaci relaxačních dat 4.7 Příklady Dynamika MUP na základě relaxace 15N Dynamika RNA smyček na základě relaxace 13C 5. Molekulová dynamika přednáší J. Toušek 5.1 Molekulová mechanika Silové pole Vazebné energetické termy Nevazebné energetické termy Efektivní energetické termy - zahrnutí experimentálních dat do molekulové mechaniky 5.2 Molekulová dynamika Parametry molekulové dynamiky Molekulová dynamika při konstantní teplotě Periodické okrajové podmínky ? zahrnutí solventu Analýza trajektorie 5.3 Distanční geometrie Generování distanční matice Regularizace 5.4 Simulační protokoly Protokoly s využitím distanční geometrie Protokoly s náhodným generováním výchozí geometrie (Ab initio) Protokoly pro nukleové kyseliny Výpočty s využitím relaxační matice 5.5 Analýza výsledků Kriteria pro výběr akceptovatelných struktur Vyjádření přesnosti výpočtu 5.6 Shrnutí
Literatura
  • CAVANAGH, John a Wayne J. FAIRBROTHER. Protein NMR Spectroscopy. Principles and Practice. San Diego: Academic Press, 1996, 587 s. ISBN 0-12-164490-1. info
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2000, jaro 2001, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.