Peptydy i białka

Peptydy i Peptydy i białkabiałka

Biofizyka makrocząsteczekBiofizyka makrocząsteczek

Biologiczne układy Biologiczne układy koloidalnekoloidalne

Układ koloidalny Układ koloidalny

• Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy)Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy) – – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona jedna z substancji jest rozproszona (zawieszona) w drugiej. (zawieszona) w drugiej.

• Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.poziomie pojedynczych cząsteczek.

Właściwości Właściwości

• W koloidach W koloidach stopień dyspersjistopień dyspersji wynosi od 105 wynosi od 105 do 107 cmdo 107 cm-1-1 – wówczas wielkość cząstek – wówczas wielkość cząstek fazy fazy zawieszonej (zdyspergowanej)zawieszonej (zdyspergowanej) sprawia, że sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy nią ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy nią i fazą dyspergującą, jak i oddziaływania i fazą dyspergującą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz. wewnątrz obu faz.

• Układ dyspersyjnyUkład dyspersyjny jest układem koloidalnym, jest układem koloidalnym, gdy rozmiary cząstek fazy rozproszonej gdy rozmiary cząstek fazy rozproszonej (cząsteczek chemicznych lub ich agregatów) (cząsteczek chemicznych lub ich agregatów) albo rozmiary nieciągłości układu koloidalnego albo rozmiary nieciągłości układu koloidalnego są w zakresie od 1 nm do 1 są w zakresie od 1 nm do 1 m przynajmniej w m przynajmniej w jednym kierunku.jednym kierunku.

Składniki układu Składniki układu koloidalnegokoloidalnegoTypowy układ koloidalny (tzw. koloid Typowy układ koloidalny (tzw. koloid

fazowy)fazowy) składa się z dwu faz: składa się z dwu faz:

• fazy ciągłejfazy ciągłej, czyli , czyli substancji substancji rozpraszającejrozpraszającej, zwanej też , zwanej też ośrodkiem ośrodkiem dyspersyjnym albo dyspergującymdyspersyjnym albo dyspergującym

• fazy rozproszonejfazy rozproszonej, czyli , czyli substancji substancji zawieszonej (zdyspergowanej)zawieszonej (zdyspergowanej) w w ośrodku dyspersyjnym i w nim ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczalnej (liofobowej, nierozpuszczalnej (liofobowej, hydrofobowej). hydrofobowej).

Koloidy cząsteczkoweKoloidy cząsteczkowe• koloidy cząsteczkowekoloidy cząsteczkowe, gdzie fazą , gdzie fazą

rozproszoną są makrocząsteczki, np. polimery rozproszoną są makrocząsteczki, np. polimery tj. żelatyna, skrobia, białka – nie występuje tj. żelatyna, skrobia, białka – nie występuje wówczas wyraźna granica fazowa, bo wówczas wyraźna granica fazowa, bo cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do wewnątrz makrocząsteczki wewnątrz makrocząsteczki

• większość koloidów cząsteczkowych powstaje większość koloidów cząsteczkowych powstaje w sposób samorzutny w wyniku rozpuszczania w sposób samorzutny w wyniku rozpuszczania w rozpuszczalniku (koloidy liofilowe, w rozpuszczalniku (koloidy liofilowe, hydrofilowe). Niektóre ich właściwości są inne hydrofilowe). Niektóre ich właściwości są inne niż właściwości koloidów fazowych.niż właściwości koloidów fazowych.

Rodzaje układów Rodzaje układów koloidalnych koloidalnych

Ośrodek rozpraszający

Substancja rozpraszana Rodzaj Przykład

Gaz

Gaz – –

Ciecz aerozol ciekły mgła

Ciało stałe aerozol stały dym

Ciecz

Gaz piana piana mydlana

Ciecz emulsja lakier do paznokci, mleko, majonez

Ciało stałe zol, zawiesina koloidalna (suspensja), roztwór koloidalny

Ag kol w H2O

Ciało stałe

Gaz piana stała pumeks, styropian

Ciecz emulsja stała opal

Ciało stałe zol stały (pirozol) szkło rubinowe

http://pl.wikipedia.org/wiki/Gaz


http://pl.wikipedia.org/wiki/Ciecz

http://pl.wikipedia.org/wiki/Aerozol

http://pl.wikipedia.org/wiki/Mg%C5%82a

http://pl.wikipedia.org/wiki/Cia%C5%82o_sta%C5%82e

http://pl.wikipedia.org/wiki/Aerozol

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dym



http://pl.wikipedia.org/wiki/Piana

http://pl.wikipedia.org/wiki/Piana


http://pl.wikipedia.org/wiki/Emulsja

http://pl.wikipedia.org/wiki/Mleko

http://pl.wikipedia.org/wiki/Majonez

http://pl.wikipedia.org/wiki/Cia%C5%82o_sta%C5%82e

http://pl.wikipedia.org/wiki/Zol

Makrocząsteczki białkoweMakrocząsteczki białkowe

Fizyczne metody badań Fizyczne metody badań dostarczają informacji na dostarczają informacji na temat:temat:


- struktury makrocząsteczek - struktury makrocząsteczek


- struktury makrocząsteczek - struktury makrocząsteczek

- ich konformacji przestrzennej- ich konformacji przestrzennej

Pojęcia podstawowePojęcia podstawoweSTRUKTURA – rozmieszczenie STRUKTURA – rozmieszczenie atomów w przestrzeni uporządkowane atomów w przestrzeni uporządkowane w sposób periodyczny w sposób periodyczny

Pojęcia podstawowePojęcia podstawoweSTRUKTURA – rozmieszczenie STRUKTURA – rozmieszczenie atomów w przestrzeni uporządkowane atomów w przestrzeni uporządkowane w sposób periodyczny w sposób periodyczny

BAZA STRUKTURY – niezmienny zespół BAZA STRUKTURY – niezmienny zespół atomów, który periodycznie powtarzając atomów, który periodycznie powtarzając się tworzy strukturę. Może składać się z się tworzy strukturę. Może składać się z jednego (w strukturach prostych) lub z jednego (w strukturach prostych) lub z wielu (w makrocząsteczkach) atomówwielu (w makrocząsteczkach) atomów

Poziomy uporządkowania Poziomy uporządkowania strukturystruktury

Wewnętrzny - bazy strukturyWewnętrzny - bazy struktury

Poziomy uporządkowania Poziomy uporządkowania strukturystruktury

Wewnętrzny - bazy strukturyWewnętrzny - bazy struktury

Zewnętrzny - pomiędzy bazamiZewnętrzny - pomiędzy bazami

Pojęcia podstawowePojęcia podstawoweKONFORMACJA(1) – względny KONFORMACJA(1) – względny rozkład atomów w przestrzeni rozkład atomów w przestrzeni wynikający z obrotu lub skręcenia wynikający z obrotu lub skręcenia wiązań kowalencyjnychwiązań kowalencyjnych

Pojęcia podstawowePojęcia podstawoweKONFORMACJA(1) – względny KONFORMACJA(1) – względny rozkład atomów w przestrzeni rozkład atomów w przestrzeni wynikający z obrotu lub skręcenia wynikający z obrotu lub skręcenia wiązań kowalencyjnychwiązań kowalencyjnych

KONFORMACJA(2) – przestrzenna KONFORMACJA(2) – przestrzenna struktura cząsteczki przy praktycznie struktura cząsteczki przy praktycznie stałych wartościach:stałych wartościach:

- długości wiązań,długości wiązań,

- kątów między wiązaniamikątów między wiązaniami

Fizyczne metody badania Fizyczne metody badania makrocząsteczekmakrocząsteczek

• metody rentgenograficzne (analiza metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna),rentgenostrukturalna),



• metody hydrodynamiczne,metody hydrodynamiczne,



• metody hydrodynamiczne,metody hydrodynamiczne,• dyfuzja makrocząsteczek w dyfuzja makrocząsteczek w

roztworze,roztworze,



• metody hydrodynamiczne,metody hydrodynamiczne,• dyfuzja makrocząsteczek w dyfuzja makrocząsteczek w

roztworze,roztworze,• metody optycznemetody optyczne

Analiza rentgenostrukturalnaAnaliza rentgenostrukturalna

Wykorzystuje zjawisko rozproszenia rozproszenia (dyfrakcji) promieni X(dyfrakcji) promieni X przez kryształkryształ



Dyfrakcję promieni X powodują tylko elektrony, stąd rentgenogram pozwala na uzyskanie mapy gęstości elektronowejmapy gęstości elektronowej



Wymaga substancji oczyszczonych, substancji oczyszczonych, jednorodnychjednorodnych, występujących w postaci krystalicznej

Dyfrakcję promieni X powodują tylko elektrony, stąd rentgenogram pozwala na uzyskanie mapy gęstości elektronowejmapy gęstości elektronowej


Ryc. Schemat otrzymywania rentgenogramu: 1 – promień pierwotny, 2 – kryształ, 3 – promienie dyfrakcyjne, 4 - błona fotograficzna 1

2 3

4


Możliwa do zastosowania w badaniach struktur biologicznych dzięki zdolności do krystalizacji białek, kwasów nukleinowych i wirusów.


Atomy kryształu tworzą układy częściowo odbijających płaszczyzn – tzw. płaszczyzny sieciowe

Ponieważ rozkład refleksów promieniowania x zależy od parametrów geometrycznych sieci krystalicznej, analizę rentgenostrukturalną wykorzystuje się do badania struktury kryształów nisko- i wysokocząsteczkowych


Ryc. Rentgenogram procesyjny oksyhemoglobiny ludzkiej wykonany w Zakładzie Krystalografii Instytutu Chemii UŁ.


Ryc. Fragment mapy gęstości elektronowej mioglobiny. Widoczne jest otoczenie hemu (wg. M.F.Perutz)


Parametry położenia atomów w strukturzeParametry położenia atomów w strukturze

xj, yj, zj

Parametry położenia atomów Parametry położenia atomów w strukturzew strukturze

jef ij

Amplituda j-tego atomu:

gdzie: fj – wielkość zależna od rodzaju atomu, a

- kąt fazowy zależny od pozycji atomu

Parametry położenia atomów Parametry położenia atomów w strukturzew strukturze

Amplituda promieni dyfrakcyjnych:

jefeFF ji

ij

i

gdzie: - moduł amplitudyFFoblicza się z równania I = FF22


Ryc. Odbicie promieni x od płaszczyzn sieciowych w krysztale


Ograniczenia:Ograniczenia:

Długość fal x musi spełniać warunek Wulfa-

Bragga:

gdzie: λ – długość fali, m – rząd odbicia, θ – kąt pomiędzy kierunkiem padania promieni a płaszczyzną kryształu, d – odległość między sąsiednimi płaszczyznami sieciowymi

md sin2



Warunek konieczny do spełnienia przez fale ulegające dyfrakcji na siatkach przestrzennych

12

sin d

m , tzn. dm 2



Warunek Wulfa-Bragga i długość fali różnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego powodują, że kryształy przepuszczają promienie UV i Vis oraz uginają promienie x, γ oraz elektrony i neutrony.


METODA IZOMORFICZNYCH METODA IZOMORFICZNYCH PODSTAWIEŃ:PODSTAWIEŃ:

Jednoczesne wykorzystanie danych dyfrakcyjnych otrzymanych z kryształów kilku pochodnych oznaczanego związku

Metody hydrodynamiczneMetody hydrodynamiczne

Dostarczają przybliżonych danych o przybliżonych danych o wielkości i kształcie makromolekułwielkości i kształcie makromolekuł w oparciu o właściwości ich roztworówwłaściwości ich roztworów


Dostarczają przybliżonych danych o przybliżonych danych o wielkości i kształcie makromolekułwielkości i kształcie makromolekuł w oparciu o właściwości ich roztworówwłaściwości ich roztworów

Są mniej dokładnemniej dokładne, ale łatwiejsze do łatwiejsze do wykonaniawykonania od metod rentgenograficznych


• lepkość,lepkość,


• lepkość,lepkość,• dyfuzja makrocząsteczek w dyfuzja makrocząsteczek w

roztworze,roztworze,


• lepkość,lepkość,• dyfuzja makrocząsteczek w dyfuzja makrocząsteczek w

roztworze,roztworze,• sedymentacja w wirówce.sedymentacja w wirówce.

LepkośćLepkość – gradient prędkości – gradient prędkości cząsteczek w cieczy rzeczywistejcząsteczek w cieczy rzeczywistej

Ryc. Zachowanie się makrocząsteczki w cieczy, w której występuje gradient prędkości: a – prędkości warstw cieczy względem nieruchomego układu odniesienia, b – prędkość cieczy względem makrocząsteczki M

LepkośćLepkość – siły wprawiające w ruch – siły wprawiające w ruch obrotowy makrocząsteczki, którego obrotowy makrocząsteczki, którego utrzymanie wymaga dodatkowej energii, utrzymanie wymaga dodatkowej energii, pochodzącej ze wzrostu lepkości roztworupochodzącej ze wzrostu lepkości roztworu

Ryc. Pary sił działające na cząsteczki o różnych kształtach w gradiencie prędkości cieczy

LepkośćLepkość• dla cząsteczek kulistych (równanie dla cząsteczek kulistych (równanie

Einsteina)Einsteina)

gdzie gdzie 00 – lepkość rozpuszczalnika, a – lepkość rozpuszczalnika, a - stosunek - stosunek objętości cząsteczki do objętości całego roztworuobjętości cząsteczki do objętości całego roztworu

)5,21(0

• dla cząsteczek kulistych (równanie dla cząsteczek kulistych (równanie Einsteina)Einsteina)

gdzie gdzie 00 – lepkość rozpuszczalnika, a – lepkość rozpuszczalnika, a - stosunek - stosunek objętości cząsteczki do objętości całego roztworuobjętości cząsteczki do objętości całego roztworu

• dla cząsteczek o innych kształtach dla cząsteczek o innych kształtach lepkość wzrasta co można wykorzystać lepkość wzrasta co można wykorzystać do określania przybliżonego kształtu do określania przybliżonego kształtu makromolekułmakromolekuł

LepkośćLepkość

)5,21(0

Dyfuzja makrocząsteczek w Dyfuzja makrocząsteczek w roztworzeroztworzeWykorzystuje zależność współczynnika dyfuzji od kształtu i rozmiaru makrocząsteczek

rkT

D6

gdzie: NA – liczba cząsteczek w jednym molu substancji, η- lepkość i r – promień cząsteczki.

ANRk

KmolJ

TpVR

31,8

15,2730224,0101300

Sedymentacja w wirówceSedymentacja w wirówce

Sedymentacja - osiadanie cząsteczek zawieszonych w ośrodku dyspersyjnym (rozpuszczalniku) w polu grawitacyjnym lub odśrodkowym


Przeciwwaga

Rotor

Oś obrotuKuweta analityczna

Badany roztwór

Ryc. Schemat rotora wirówki analitycznej

X

gdzie: - gęstość rozpuszczalnika

współczynnik sedymentacji: ,

przyspieszenie jednostkowe: ,

stosunek objętości cząsteczki do jej masy


)1( VDRTs

M

xdtdx

s 2

22 1

smxa

mVV

Umożliwia wyznaczenie mas molowych w oparciu o równanie Svenberga

Metody optyczneMetody optyczne

Rozpraszanie światłą (efekt Tyndalla)



Rozpraszanie promieni Rentgena



Rozpraszanie promieni Rentgena

Metody spektrofotometryczne

Poziomy organizacji Poziomy organizacji cząsteczki białkacząsteczki białka

Struktura pierwszorzędowa (sekwencja aminokwasów)



Struktura drugorzędowa (układ przestrzenny głównego łańcucha polipeptydowego, np. -helix, struktura )




Struktura trzeciorzędowa (sposób zwinięcia w przestrzeni łańcucha o określonej strukturze drugorzędowej)




Struktura trzeciorzędowa (sposób zwinięcia w przestrzeni łańcucha o określonej strukturze drugorzędowej)

Struktura czwartorzędowa (układ przestrzenny podjednostek oraz zespół oddziaływań i kontaktó między nimi

Poziomy Poziomy organizacji organizacji cząsteczki białkacząsteczki białka

Geometria wiązania Geometria wiązania peptydowegopeptydowego

a. Sprzężenie wiązań i częściowe pokrywanie się powłok elektronowych

a. Wymiary kątów i poszczególnych wiązań w ugrupowaniu peptydowym

Geometria wiązania Geometria wiązania peptydowegopeptydowego

Mechanizm sprzęgania Mechanizm sprzęgania wiązań wiązań

C' N+

H

C2

C2

O+ C' N

H

C2

C2

O

C' NH

C2

C2

O

Cechy wiązania peptydowegoCechy wiązania peptydowegoPodwójny charakter wiązań C’ = N umożliwia swobodną rotację atomów, która wymaga jednak pewnych nakładów energii. Kąt obrotu wokół C’ = N, czyli kąt deformacji oznaczany jest symbolem


Polarność ugrupowania peptydowego stwarza możliwość występowania konfiguracji cis i trans. Konfiguracja trans jest korzystniejsza energetycznie i bardziej typowa dla otwartych łańcuchów peptydowych


Polarność ugrupowania peptydowego stwarza możliwość występowania konfiguracji cis i trans. Konfiguracja trans jest korzystniejsza energetycznie i bardziej typowa dla otwartych łańcuchów peptydowych

Ugrupowania peptydowe mogą się ze sobą łączyć wiązaniami wodorowymi

Konformacja polipeptydów Konformacja polipeptydów (założenie podstawowe)(założenie podstawowe)

Cząsteczki w stanie równowagi termodynamicznej przyjmują konformację najbardziej korzystną energetycznie

Konformacja polipeptydów Konformacja polipeptydów (założenie podstawowe)(założenie podstawowe)


Konformację prostych związków organicznych można ustalić w oparciu o mechanikę kwantową

Konformacja polipeptydów Konformacja polipeptydów (założenia podstawowe)(założenia podstawowe)


Konformację prostych związków organicznych można ustalić w oparciu o mechanikę kwantową

Celem ustalenia konformacji makrocząsteczek (np. białek), ze względu na ich złożoność, stosuje się metody półempiryczne

Energia potencjalna Energia potencjalna polipeptydupolipeptydu

Vn – suma energii oddziaływań van der Wallsa, Vt – energia oddziaływania torsyjnego (orientacji wiązań), Vel – energia oddziaływań elektrostatycznych, VH – energia tworzenia wiązania wodorowego, VW, Vk – energia deformacji długości i kątów wiązań, Vhydr – energia hydratacji.

hydrkWHeltn VVVVVVVV

Warunki trwałości konformacji łańcucha Warunki trwałości konformacji łańcucha peptydowego peptydowego (Pouling, Carey i Branson 1951)(Pouling, Carey i Branson 1951)

Wszystkie aminokwasy wchodzące w skład łańcucha peptydowego muszą należeć do tego samego szeregu konfiguracyjnego

Każda wiązanie peptydowe ma konformację płaską (koplanarną) o parametrach typowych dla związków niskocząsteczkowych

Warunki trwałości konformacji łańcucha Warunki trwałości konformacji łańcucha peptydowego peptydowego (Pouling, Carey i Branson 1951)(Pouling, Carey i Branson 1951)

Grupy C’ = O i N – H tworzą wewnętrzne wiązania wodorowe o długości 0,272nm, odchylające się od lini prostej o kąt nie większy od 30º

Ustawienie przestrzenne wiązań C’ – C i C – N odpowiada odpowiada minimalnej energii obrotu wokół tych wiązań

Konformacje Konformacje polipeptydówpolipeptydów

(a) Heliks- (b) Struktura-

Konformacje helikalneKonformacje helikalne

HELIX - : 5,1 reszt aminokwasowych na 1 zwój; kąt odchylenia wiązania wodorowego od osi heliksu wynosi 10º

Konformacje helikalneKonformacje helikalne



Charakterystyka Charakterystyka - heliksu - heliksu

Średnica heliksu wynosi 1,01 nm



Odległości między skrętami wynoszą 0,54 nm




Translacja (tzn. przesunięcie wzdłuż osi o 1 resztę aminokwasową wynosi 0,15 nm




Translacja (tzn. przesunięcie wzdłuż osi o 1 resztę aminokwasową wynosi 0,15 nm

Może być prawo- (dla D-aminokwasów) lub lewoskrętny (dla L-aminokwasów)

Prawo- i Prawo- i lewo-lewo-skrętny skrętny -heliks-heliks

Rodzaje struktury Rodzaje struktury

Struktura Struktura

RównoległaRównoległa


Struktura Struktura


AntyrównoległaAntyrównoległa


Struktura Struktura


AntyrównoległaAntyrównoległa

-cross-cross

Struktura Struktura a)a) równoległarównoległab)b) antyrównoległaantyrównoległa

Struktura Struktura -cross-cross

Charakterystyka struktury - Charakterystyka struktury -

Struktura warstwowa, zbudowana z położonych obok siebie łańcuchów peptydowych



Wiązania wodorowe powstają między ugrupowaniami peptydowymi sąsiednich łańcuchów



Wiązania wodorowe powstają między ugrupowaniami peptydowymi sąsiednich łańcuchów

W strukturze -cross wiązania wodorowe powstają zarówno między ugrupowaniami peptydowymi sąsiednich łańcuchów jak i w obrębie tego samego łańcucha

Struktura Struktura kolagenukolagenu

Charakterystyka struktury kolagenuCharakterystyka struktury kolagenu

Jednostkę struktury stanowią trzy łańcuchy polipeptydowe o konformacji rozciągniętego lewoskrętnego heliksu



Parametry pojedynczego heliksu: promień heliksu 0,1 nm; skok 0,251 nm przy 3 resztach aminokwasowych na zwój




Wiązania wodorowe występują tylko między łańcuchami polipeptydowymi w liczbie 1 mostek na 3 jednostki peptydowe




Wiązania wodorowe występują tylko między łańcuchami polipeptydowymi w liczbie 1 mostek na 3 jednostki peptydowe

Małe heliksy skręcają się wokół wspólnej osi tworząc duży prawoskrętny heliks

Parametry konformacji helikalnych Parametry konformacji helikalnych peptydówpeptydów

Pierścień Heliks- prawoskrętny Heliks- prawoskrętny Heliks- lewoskrętnyPłaska wstęga

n – liczba reszt aminokwasowych na 1 zwój

h(d) – translacja wzdłuż osi heliksu na 1 resztę aminokwasową

p – odległość między sąsiednimi skrętami mierzona wzdłuż osi heliksu

Parametry konformacji peptydów – Parametry konformacji peptydów – kąty rotacji wokół pojedyńczych kąty rotacji wokół pojedyńczych wiązań wiązań

= 0

- kąt rotacji wokół wiązania N - C

- kąt rotacji wokół wiązania C - C

- kąt rotacji wokół wiązania N – C

- kąt rotacji wokół wiązania N – C przyjmuje wartości 0º lub 180º

W łańcuchu rozciągniętym zachodzi równość: = = = 180º

Mapa konformacyjna wg. Mapa konformacyjna wg. RamachandranaRamachandrana

Mapa konformacyjna wg. Mapa konformacyjna wg. Ramachandrana c.d.Ramachandrana c.d.

Documents

Peptydy i białka