Peptydy i białka

1. Peptydy i białka Biofizyka makrocząsteczek

2. Biologiczne układy koloidalne

3. Układ koloidalny • Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona (zawieszona) w drugiej. • Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.

4. Właściwości • W koloidach stopień dyspersji wynosi od 105 do 107 cm-1 – wówczas wielkość cząstek fazy zawieszonej (zdyspergowanej) sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy nią i fazą dyspergującą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz. • Układ dyspersyjny jest układem koloidalnym, gdy rozmiary cząstek fazy rozproszonej (cząsteczek chemicznych lub ich agregatów) albo rozmiary nieciągłości układu koloidalnego są w zakresie od 1 nm do 1 m przynajmniej w jednym kierunku.

5. Składniki układu koloidalnego Typowy układ koloidalny (tzw. koloid fazowy) składa się z dwu faz: • fazy ciągłej, czyli substancji rozpraszającej, zwanej też ośrodkiem dyspersyjnym albo dyspergującym • fazy rozproszonej, czyli substancji zawieszonej (zdyspergowanej) w ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczalnej (liofobowej, hydrofobowej).

6. Koloidy cząsteczkowe • koloidy cząsteczkowe, gdzie fazą rozproszoną są makrocząsteczki, np. polimery tj. żelatyna, skrobia, białka – nie występuje wówczas wyraźna granica fazowa, bo cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do wewnątrz makrocząsteczki • większość koloidów cząsteczkowych powstaje w sposób samorzutny w wyniku rozpuszczania w rozpuszczalniku (koloidy liofilowe, hydrofilowe). Niektóre ich właściwości są inne niż właściwości koloidów fazowych.

7. Rodzaje układów koloidalnych

8. Makrocząsteczki białkowe

9. Fizyczne metody badań dostarczają informacji na temat:

10. Fizyczne metody badań dostarczają informacji na temat: - struktury makrocząsteczek

11. Fizyczne metody badań dostarczają informacji na temat: - struktury makrocząsteczek - ich konformacji przestrzennej

12. Pojęcia podstawowe STRUKTURA – rozmieszczenie atomów w przestrzeni uporządkowane w sposób periodyczny

13. Pojęcia podstawowe STRUKTURA – rozmieszczenie atomów w przestrzeni uporządkowane w sposób periodyczny BAZA STRUKTURY – niezmienny zespół atomów, który periodycznie powtarzając się tworzy strukturę. Może składać się z jednego (w strukturach prostych) lub z wielu (w makrocząsteczkach) atomów

14. Poziomy uporządkowania struktury Wewnętrzny - bazy struktury

15. Poziomy uporządkowania struktury Wewnętrzny - bazy struktury Zewnętrzny - pomiędzy bazami

16. Pojęcia podstawowe KONFORMACJA(1) – względny rozkład atomów w przestrzeni wynikający z obrotu lub skręcenia wiązań kowalencyjnych

17. Pojęcia podstawowe KONFORMACJA(1) – względny rozkład atomów w przestrzeni wynikający z obrotu lub skręcenia wiązań kowalencyjnych • KONFORMACJA(2) – przestrzenna struktura cząsteczki przy praktycznie stałych wartościach: • długości wiązań, • kątów między wiązaniami

18. Fizyczne metody badania makrocząsteczek • metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna),

19. Fizyczne metody badania makrocząsteczek • metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna), • metody hydrodynamiczne,

20. Fizyczne metody badania makrocząsteczek • metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna), • metody hydrodynamiczne, • dyfuzja makrocząsteczek w roztworze,

21. Fizyczne metody badania makrocząsteczek • metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna), • metody hydrodynamiczne, • dyfuzja makrocząsteczek w roztworze, • metody optyczne

22. Analiza rentgenostrukturalna Wykorzystuje zjawisko rozproszenia (dyfrakcji) promieni X przez kryształ

23. Analiza rentgenostrukturalna Wykorzystuje zjawisko rozproszenia (dyfrakcji) promieni X przez kryształ Dyfrakcję promieni X powodują tylko elektrony, stąd rentgenogram pozwala na uzyskanie mapy gęstości elektronowej

24. Analiza rentgenostrukturalna Wykorzystuje zjawisko rozproszenia (dyfrakcji) promieni X przez kryształ Dyfrakcję promieni X powodują tylko elektrony, stąd rentgenogram pozwala na uzyskanie mapy gęstości elektronowej Wymaga substancji oczyszczonych, jednorodnych, występujących w postaci krystalicznej

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

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

27. Analiza rentgenostrukturalna 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

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

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

30. Analiza rentgenostrukturalna Parametry położenia atomów w strukturze xj, yj, zj

31. Parametry położenia atomów w strukturze Amplituda j-tego atomu: gdzie: fj – wielkość zależna od rodzaju atomu, a  - kąt fazowy zależny od pozycji atomu

32. Parametry położenia atomów w strukturze Amplituda promieni dyfrakcyjnych: gdzie: -moduł amplitudyFoblicza się z równania I = F2

33. Analiza rentgenostrukturalna Ryc. Odbicie promieni x od płaszczyzn sieciowych w krysztale

34. Analiza rentgenostrukturalna 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

35. Analiza rentgenostrukturalna Ograniczenia: Warunek konieczny do spełnienia przez fale ulegające dyfrakcji na siatkach przestrzennych , tzn.

36. Analiza rentgenostrukturalna Ograniczenia: 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.

37. Analiza rentgenostrukturalna METODA IZOMORFICZNYCH PODSTAWIEŃ: Jednoczesne wykorzystanie danych dyfrakcyjnych otrzymanych z kryształów kilku pochodnych oznaczanego związku

38. Metody hydrodynamiczne Dostarczają przybliżonych danych o wielkości i kształcie makromolekuł w oparciu o właściwości ich roztworów

39. Metody hydrodynamiczne Dostarczają przybliżonych danych o wielkości i kształcie makromolekuł w oparciu o właściwości ich roztworów Są mniej dokładne, ale łatwiejsze do wykonania od metod rentgenograficznych

40. Metody hydrodynamiczne • lepkość,

41. Metody hydrodynamiczne • lepkość, • dyfuzja makrocząsteczek w roztworze,

42. Metody hydrodynamiczne • lepkość, • dyfuzja makrocząsteczek w roztworze, • sedymentacja w wirówce.

43. Lepkość – gradient prędkości cząsteczek 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

44. Lepkość – siły wprawiające w ruch obrotowy makrocząsteczki, którego utrzymanie wymaga dodatkowej energii, pochodzącej ze wzrostu lepkości roztworu Ryc. Pary sił działające na cząsteczki o różnych kształtach w gradiencie prędkości cieczy

45. Lepkość • dla cząsteczek kulistych (równanie Einsteina) • gdzie 0 – lepkość rozpuszczalnika, a  - stosunek objętości cząsteczki do objętości całego roztworu

46. Lepkość • dla cząsteczek kulistych (równanie Einsteina) • gdzie 0 – lepkość rozpuszczalnika, a  - stosunek objętości cząsteczki do objętości całego roztworu • dla cząsteczek o innych kształtach lepkość wzrasta co można wykorzystać do określania przybliżonego kształtu makromolekuł

47. Dyfuzja makrocząsteczek w roztworze Wykorzystuje zależność współczynnika dyfuzji od kształtu i rozmiaru makrocząsteczek gdzie: NA – liczba cząsteczek w jednym molu substancji, η- lepkość i r – promień cząsteczki.

48. Sedymentacja w wirówce Sedymentacja - osiadanie cząsteczek zawieszonych w ośrodku dyspersyjnym (rozpuszczalniku) wpolu grawitacyjnym lub odśrodkowym

49. Sedymentacja w wirówce Rotor Przeciwwaga Kuweta analityczna Oś obrotu Badany roztwór X Ryc. Schemat rotora wirówki analitycznej

50. Sedymentacja w wirówce Umożliwia wyznaczenie mas molowych w oparciu o równanie Svenberga gdzie:  - gęstość rozpuszczalnika współczynnik sedymentacji: , przyspieszenie jednostkowe: , stosunek objętości cząsteczki do jej masy