Lecture_9_2011

1. Немцева Елена Владимировна Биология клетки: биофизика Сибирский федеральный университет Институт фундаментальной биологии и биотехнологии 2011 9

2. Лекция 9 Внутримолекулярная динамика белков

3. Биофизика Молекулярная биофизика Строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул Биофизика клетки Строение и функциональность клеточных и тканевых систем. Главные задачи – изучение физики биологических мембран и биоэнергетических процессов Биофизика сложных систем Общие физико-биологические проблемы и физико-математическое моделирование биологических процессов Генерация и распространение нервных импульсов Механохимические процессы Фотобиологические процессы … … Разделы биофизики Физико-химические принципы строения биополимеров 1

6. Динамика гемоглобина Изменение электронной структуры гема при оксигенации Внутримолекулярная динамика белков 4

7. Динамика гемоглобина Гем- Изменение э/м поля окружения иона Изменение спинового состояния иона металла Изменение конформации полипептида Связывание субстрата, изменение температуры Изменение диаметра иона Внутримолекулярная динамика белков 5

9. Присоединение кислорода Каскад перестроек вследствие связывания кислорода Смещение Fe в плоскость гемовой группы Смещение His ( F-8 ) к гему Выталкивание из полости остатка тирозина Разрыв солевых мостиков, смещение субъединиц вдоль контактов Изменение конформации субъединиц Облегченное присоединение последующих молекул кислорода Динамика гемоглобина Кооперативный характер связывания кислорода гемоглобином Смещение F -спирали к центру глобулы Кооперативность, явление кооперативности — это такие изменения состояния системы, взаимодействие элементов которой усиливается с течением процесса изменения так, что существенно ускоряет его ход в целом (положительная кооперативность) ( Wikipedia) Внутримолекулярная динамика белков 7

10. Каскад перестроек Разрыв солевых мостиков, смещение субъединиц вдоль контактов Динамика гемоглобина Внутримолекулярная динамика белков 8

11. Два состояния гемоглобина: R (relaxed) и T (tense) R – высокое сродство к кислороду Т – низкое сродство к кислороду Изменение пространственной структуры гемоглобина при оксигенации Динамика гемоглобина Внутримолекулярная динамика белков 9

13. Динамика других белков Гликоген Фосфорилаза Внутримолекулярная динамика белков 11

14. Дигидрофолат редуктаза HIV- протеаза СОД Кальмодулин HIV -обратная транскриптаза SERC АТФ-аза Конформационные изменения пространственной структуры белков, сопряженные с выполнением функции Примеры внутримолекулярной динамики ферментов ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ Внутримолекулярная динамика белков 12

15. Конформационные превращения как в гемоглобине – относительно крупномасштабные макромолекулярные сдвиги (регистрируются с помощью рентгеноструктурного анализа). Энергия тепловых колебаний: k Б T  2 кДж / моль (при 300 К) Сравнима с высотами энергетических барьеров ! Масштабы конформационной подвижности Как увидеть более мелкие подсостояния? Внутримолекулярная динамика белков 13

17. Люминесцентные методы Возбужденное состояние молекул Поглощение ( 10 -16 - 10 -1 5 c ) Колебательная релаксация ( 10 -11 -10 -12 c ) Флуоресценция ( 10 -8 -10 -9 c ) Методы исследования динамики белков Внутримолекулярная динамика белков 15

18. Люминесцентные методы Влияние подвижности (поляризуемости) растворителя Методы исследования динамики белков Сдвиг флуоресценции – до 30 нм Внутримолекулярная динамика белков 16

19. Люминесцентные методы Методы исследования динамики белков Люминесцирующие а.к.о. в составе белков: Для излучения кванта необходима жесткость структуры молекулы Внутримолекулярная динамика белков 17

20. Оптические характеристики Tyr, Trp, Phe Методы исследования динамики белков Флуорофор Поглощение  Флуоресценция   abs max , нм  max , 10 -3 М -1  см -1  fl max , нм  fl  fl , нс Триптофан 295 5,6 353 0,13 3,1 Тирозин 275 1,4 304 0,14 3,6 Фенилаланин 260 0,2 282 0,02 6,8  abs max – длина волны максимума спектра поглощения,  max – коэффициент молярной экстинкции в максимуме спектра поглощения,  fl max - длина волны максимума спектра флуоресценции,  fl – квантовый выход флуоресценции,  fl – время жизни флуоресцентного состояния Внутримолекулярная динамика белков 1 8

21. Люминесцентные методы Влияние расположения триптофана на спектр его флуоресценции Методы исследования динамики белков Внутримолекулярная динамика белков 1 9

22. Люминесцентные методы Искусственные флуоресцентные метки (зонды) Методы исследования динамики белков Внутримолекулярная динамика белков 20

23. Люминесцентные методы Тушение флуоресценции Методы исследования динамики белков Внутримолекулярная динамика белков 2 1

24. 1 . Каковы особенности внутримолекулярной динамики таких больших молекул как белковые? Вопросы для самоконтроля по теме 3 . Может ли белковая молекула при комнатной температуре самопроизвольно менять одну стабильную конформацию на другую? 4 . Что такое люминесценция? 6 . О чем может свидетельствовать сдвиг максимума спектра флуоресценции белка после воздействия на него какого-нибудь внешнего фактора? 2 . Как на молекулярном уровне обеспечивается кооперативность связывания кислорода гемоглобином? Какова роль иона железа? 5 . Какие элементы в составе белков обусловливают их люминесценцию? В каком диапазоне длин волн наблюдают собственную люминесценцию белков? Внутримолекулярная динамика белков 2 2