slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
VI FESTIWAL NAUKI Fizyka wyjaśnia podstawy zjawisk biologicznych Borys Kierdaszuk Tel.: 55 40 715 Fax: 55 40 001 [email protected]

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 58

VI FESTIWAL NAUKI Fizyka wyjasnia podstawy zjawisk biologicznych Borys Kierdaszuk Tel.: 55 40 715 Fax: 55 40 001 borys - PowerPoint PPT Presentation


  • 167 Views
  • Uploaded on

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki Instytut Fizyki Doświadczalnej Zakład Biofizyki. VI FESTIWAL NAUKI Fizyka wyjaśnia podstawy zjawisk biologicznych Borys Kierdaszuk Tel.: 55 40 715 Fax: 55 40 001 [email protected] Jaka dziedzina fizyki bada zjawiska biologiczne?. Fizyka,

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'VI FESTIWAL NAUKI Fizyka wyjasnia podstawy zjawisk biologicznych Borys Kierdaszuk Tel.: 55 40 715 Fax: 55 40 001 borys' - ismet


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Uniwersytet Warszawski

Wydział Fizyki

Instytut Fizyki Doświadczalnej

Zakład Biofizyki

VI FESTIWAL NAUKI

Fizyka wyjaśnia podstawy zjawisk biologicznych

Borys Kierdaszuk

Tel.: 55 40 715

Fax: 55 40 001

[email protected]

slide2

Jaka dziedzina fizyki bada zjawiska biologiczne?

Fizyka,

nauka o formach materii (zw. czasami formami pierwotnymi lub uniwersalnymi) właściwych wszystkim prostym

i złożonym układom materialnym,

o oddziaływaniu tych form oraz ichruchu.

(...) bada cząstki elementarne, jądra atomowe, atomy i cząsteczki (wraz z makrocząsteczkami), zbiory makroskopowe cząstek materialnych – ciała stałe (kryształy), ciecze i gazy (...), pola wiążące cząstki – pola elektromagnetyczne, grawitacyjne, ...

str. 588

PWN, 1972

(...) dzieli się na szereg działów (f. cząstek elementarnych, f. jądra atomowego, f. atomu, f. cząsteczki, f. ciała stałego,...

slide3

Związek fizyki z innymi naukami przyrodniczymi doprowadził do powstania dyscyplin pogranicznych – biofizyki, astrofizyki, geofizyki, chemii fizycznej, ...

Biofizyka,

dział nauki rozwijający się od niedawna, zajmujący się podstawami fizycznymi makroskopowych i molekularnych procesów życiowych (...) oraz oddziaływaniami zewnętrznych czynników fizycznych na te układy.

Jest typową międzydyscyplinarną dziedziną nauki.

str. 192

PWN, 1972

slide4

Niektóre składniki molekularnych i makroskopowych procesów życiowych

Tkanki

Komórki

Organizmy zakaźne

Cząstki zakaźne

Makrocząsteczki

Cząsteczki

Jony

Atomy

Protony, neutr., elektrony

Mięśnie, . . .

K. Mięśniowe, K. Macierzyste,...

Bakterie, pasożyty, . .

Wirusy, wirusoidy, wiroidy, . . .

Białka, kwasy nukleinowe, . . .

Aminokwasy, nukleozydy, lipidy

+2Ca, +Na, +K,

C, N, O, S, H, . . .

-

+

slide5

Wszystkie organizmy używają do budowy swoich makrocząsteczek (np. białek, kwasów nukleinowych, ...) tych samych elementów konstrukcyjnych

Te same oddziaływania molekularne stanowią o istocie odwracalnych reakcji molekularnych będących przejawem wszystkich form życia:

  • oddziaływania elektrostatyczne:
  • F = q1q2/(r2), - stała dielektryczna
  • wiązania wodorowe:
  • X-H . . . Y, gdzie X, Y = O, N
  • oddziaływania van der Waalsa.
slide6

Celem Biofizyki jest zbadanie

fizycznych podstaw procesów życiowych za pomocą

metod doświadczalnych, między innymi:

rentgenograficznych,

spektrofotometrycznych,

jądrowego rezonansu magnetycznego,

elektronowego rezonansu paramagnetycznego,

(. . .)

oraz teoretycznych:

mechaniki kwantowej cząsteczek

elektrodynamiki, termodynamiki, (. . .)

Podejście to powinno zaowocować poznaniem wspólnych praw dla różnych przejawów życia

slide7

Działy biofizyki z pogranicza fizyki, biochemii, fizjologii i anatomii

  • • Biomechanika
  • • Fizyka narządu słuchu
  • • Optyka oka i procesów widzenia
  • • Fizyka krwiobiegu
  • • Bioenergetyka (termodynamikaukładów otwartych)
  • •Procesy życiowe na poziomie molekularnym:

- budowa biopolimerów,

- przetwarzanie informacjigenetycznej,

- kataliza enzymatyczna,

- fotosynteza,

slide8

Intensywny rozwój kontaktów między fizyką i biologią nastąpił z chwilą wejścia zarówno fizyki jak i biologii w badania struktur cząsteczkowych

Terminu Biofizyka użyto po raz pierwszy w 1892 r.

Szczególnie stymulujący wpływ na zainteresowanie fizyków problematyką zjawiska życia wywarła książka jednego z twórców mechaniki kwantowej, Erwina Schrödingera pt. Co to jest życie – fizyczne podstawy życia komórki.

Dynamiczny rozwój biologii w drugiej połowie ubiegłego stulecia zawdzięczamy w znacznym stopniu fizykom.

slide9

Zwraca uwagę na trudną do wyjaśnieniasprzeczność między konserwatywnym uporządkowaniem procesów życiowych, a prawami fizyki statystycznej ?

Wkrótce fizycy przyczynili się do odkrycia mechanizm przekazywania informacji genetycznej.

Sprzeczność ta okazała się pozorna, bo w komórce istnieją zespoły enzymów, które zapobiegają niedokładnościom procesu replikacji DNA, oraz inne zespoły enzymatyczne, które naprawiają większość błędów.

slide10

Decyzję o utworzeniu Katedry Biofizyki na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego podjęto w 1967 r., a jej organizację powierzono Prof. Davidowi Shugarowi

Była to pierwsza Katedra Biofizyki na Wydziale Fizyki

Jej powstanie było możliwe dzięki poparciu Wydziału Fizyki UW, Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN oraz wielu współpracowników z innych ośrodków naukowych

slide11

Białko jest jednym z głównych składników żywych organizmów na Ziemi

·Białko (ang. Protein, gr. Proteios – pierwszorzędny) termin wprowadzony przez J.J. Berzeliusa w 1883 r.

·Ponad milion organizmów żyjących na Ziemizawiera około10 miliardów(1010)różnych rodzajów cząsteczek białkowych.

·Wszystkie białka to polimery liniowe.

·Składniki polimerów białkowych:

tylko 20 różnych aminokwasów, które różnią się własnościami chemicznymi i fizycznymi.

slide12

Odmienna ilość i kolejnośćułożenia aminokwasów w liniowych łańcuchach polimerowych stwarza niewiarygodną różnorodność trójwymiarowych struktur

Polimer 100-aminokwasowy:

Możliwe są 20100 (~10130) różne sekwencje

Struktura przestrzenna białka:

Sekwencja + Środowisko

Struktura

Funkcja

slide13

C

Polimer liniowy mieszany

N

Lokalnie

20 typów ogniw (20 aminokwasów)

Pofałdowana Kartka 

Helisa 

Białko natywne

slide14

Modele prawoskrętnej helisy 

skok 0.15 nm rotacja 100o

A

B

C

0.5 nm

slide16

Metody badania struktur przestrzennych

białek 

I. Krystalografia:

·Rentgenografia i neutronografia:

wyznaczenie położenia jąder atomów w białku

- Jedna z wielu możliwych konformacji.

II. Metody spektroskopowe:

·Wielowymiarowy magnetyczny rezonans jądrowy (NMR):

struktura trójwymiarowa

·Spektroskopia absorpcyjna w zakresie podczerwieni (IR):

względny udział struktur lokalnych

·Metody teoretyczne: struktura trójwymiarowa.

·Spektroskopia absorpcyjna i emisyjna w zakresie UV i Vis:

odległości między cząsteczkami

·Spektroskopia dichroizmu kołowego (CD):

konformacja cząsteczek

·Metody hydrodynamiczne (ultrawirowanie w gradiencie gęstości):

masy i kształty cząsteczek

slide17

Krystalograficzna struktura na poziomie atomowym

promienie rozproszone

kryształ

wiązka

Źródło prom. X

dyfrakcja

rentgenogram

Rozpraszanie jest proporcjonalne do liczby elektronów.

Fale rozproszone nakładają się.

Nakładanie się fal zależy wyłącznie od rozkładu przestrzennego atomów.

struktura białka

slide18

Zasada spektroskopii NMR

częstotliwość rezonansowa o = (Ho+Hlok)/2

spin 

przejście między stanami spinowymi daje linie NMR

E

Jądro (J = ½)

spin 

napromieniowanie

wzrost Bo

slide19

Jednowymiarowe widmo NMR białka wiążącego wapń (kalmoduliny)

przesunięcie chemiczne (ppm)

slide20

Oddziaływanie sąsiednich jąder (efekt Overhausera) umożliwia identyfikację sąsiadujących par protonów i pomiar odległości między nimi

protonowe przesunięcie chemiczne (ppm)

protonowe przesunięcie chemiczne (ppm)

0.5 nm

slide21

Porównanie struktury białka (plastocjaniny) wyznaczonej za pomocą rentgenografii(niebieski)i NMR(czerwony)

1 nm

slide22

Dichroizm kołowy zawiera informację o konformacji białka

 (cm –1 M -1)

Kłębek statystyczny

Długość fali, nm

slide23

Struktury przestrzenne białek

HEMOGLOBINA IMMUNOGLOBULINA

DEHYDROGENAZA ALKOHOLOWA

IZOMERAZA FOSFPORANÓW

slide24

Jedną z kluczowych funkcji białek jestaktywność katalityczna

Katalizatory białkowe (enzymy) umożliwiają zachodzenie w żywych komórkach reakcji chemicznych, które zachodziłyby w ich nieobecności z niezauważalną szybkością lub nie zachodziłyby w ogóle.

Najważniejszymi cechy enzymów są:

(a) wysoka specyficzność zarówno wobec typu reakcji

jak i związków chemicznych (substratów)

ulegających przemianie w produkty,

(b) zależność aktywności od fazy rozwoju komórki

(organizmu) realizowanej między innymi poprzez

oddziaływanie z produktami przemiany materii

zwanych inhibitorami.

slide25

PNP

PNP

+

PNP

+

Działanie enzymu –fosforylazy nukleozydów purynowych (PNP)

nukleozyd purynowy

fosforan

rybozo-1-fosforan

zasada purynowa

slide26

Dlaczego badamy ten enzym?

  • Całkowity brak jego aktywności jest przyczyną upośledzenia odporności immunologicznej; jest śmiertelny.
  • Z drugiej strony, kontrolowane zmniejszenie jegoaktywności może zapobiegać:
  • odrzutom przeszczepów organów, np. serca,
  • chorobom autoimmunologicznym,
  • niektórym rodzajom nowotworów (białaczek),
  • degradacji aktywności terapeutycznej niektórych pochodnych jego substratów, np. w leczeniu AIDS.
  • 3. Różnice między enzymami z różnych organizmów (np. bakterii i człowieka) mogą być wykorzystane w ”samobójczej” terapii genowej nowotworów.
slide27

Struktura enzymu z parami (substrat + inhibitor) w jego miejscach aktywnych

substrat

inhibitor

Poznanie struktury przestrzennej jest jednym z elementów strategii konstruowania bardzo dobrych substratów i inhibitorów

slide28

Struktura krystalograficzna kompleksu PNP (E.coli) z Formycyną B

Asp204

Arg217

W61

H

H

Ser90

W62

W63

W60

Tyr160

His4

Met180N

(neighbour)

Phe159

Identyfikacja protonów (tzw. form tautomerycznych) za pomocą badań rentgenograficznych nie jest możliwa

slide29

forma 1

85%

forma 2

15%

substrat PNP

0.10

-0.13

-0.51

-0.48

-0.08

0.09

Oddziaływanie PNP z inhibitorem – formycyną A ?

Mapa gęstości elektronowej i ładunki netto

slide30

Zjawisko absorpcji i emisji fotonów

absorpcja

emisja

Długość fali światła ()

slide34

Widma absorpcji i emisji PNP i FA

Fluorescencja

Absorpcja

Fosforescencja

slide35

Względne natężenie fosforescencjidlaformy N(2)-H jest znacząco mniejsze niż dla formy N(1)-H

slide36

Równowaga tautomeryczna FA w kompleksie z enzymem jest przesunięta na korzyśćformy N(2)-H

Kierdaszuk et al., BBA, 1476, 109-128 (2000)

slide37

Powstanie kompleksu enzym-FA jest przyczyną znacznie większego wzrostu fluorescencji niż fosforescencji FA

Włodarczyk et al., 2002

slide38

Komplementarność badań spektralnych (w roztworze) i krystalograficznych (w ciele stałym)

Asp204

Arg217

W61

H

Ser90

W62

W60

W63

His4

Tyr160

Met180N

(neighbour)

Phe159

Spectroskopowa identyfikacja form tautomerycznych usunęła niepewności wbadaniach krystalograficznych

slide39

Wnioski:

  • Identyfikacja preferowanej strukturyinhibitora (różniącej się od innych położeniem wodoru), preferowanej przez enzym.
  • Rozszerzenie wiedzyo mechanizmie działania PNP.
  • Możliwe wykorzystanie tej wiedzy w racjonalnym planowaniu lekówo lepszej i bardziej selektywnej aktywności terapeutycznej.
slide40

(Bio)fizyka wobec chorób XXI wieku

Na przykładzie chorób neurodegeneracyjnych, (encefalopatii gąbczastych: CJD, vCJD, Kuru, FFI)

Mikroskopowy obraz histopatologiczny

M. elektronowyM. fluorescencyjny

  • Podobne objawy:
  • Utrata percepcji
  • Otępienie
  • Degeneracja szarych komórek mózgu
slide41

Śmiertelne encefalopatie gąbczaste

Zwierząt:

Scrapie owiec – Leopoldt, Podręcznik Weterynarii, 1759przypadkowa lub zakaźna

Gąbczasta encefalopatia bydła (BSE), tzw. Choroba szalonych krów –znana od 1986 r. zakaźna

Człowieka:

Choroba Creutzfelda-Jacoba (CJD) – 1920 r. zakaźna, dziedziczna lub przypadkowa

Nowa wersja CJD (vCJD) – od 1996 r. zakaźna

Choroba Kuru – od 1957 r. tylko zakaźna

Śmiertelna dziedziczna bezsenność (FFI) tylko dziedziczna

slide42

Krowy zostały zakażone chorobą podobną do Scrapie owiec, karmą zawierającą resztki chorych owiec

10 000

Zakaz używania resztek zwierząt (owiec) do produkcji pasz

8000

Liczba chorych krów

6000

4000

2000

1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996

Wpływ zakazu używania resztek zwierząt (owiec) do produkcji pasz (1988 r.) na liczbę przypadków choroby szalonych krów (BSE) w Wielkiej Brytanii.

slide43

Encefalopatie gąbczaste mózgu budziły wątpliwości co do możliwości ich wyjaśnienia za popmocą znanych czynników zakaźnych

Dlaczego?

Czynnik zakaźny choroby Scrapie owiec:

Masa cząsteczkowa ~105, typowa dla białek(!), znacznie mniejsza niż znanych wirusów.

Odporny na czynniki degradujące materiał genetyczny (promieniowanie jonizujące, nadfioletowe ~254 nm).

Podatny na czynniki chemiczne degradujące białka.

Odporny na temperatury do 130 oC, znacznie bardziej niż typowe białka. Alper et al.., (1966) BBRC, 22, 278-284. Griffith (1967) Nature, 215, 1043-1044.

slide44

Dawka promieniowania wymagana dla likwidacji infekcyjności czynnika zakaźnego zależy od wielkości jego genomu

Poxvirus

150

HSV

fag 

Adenovirus

30

15

d/s DNA

Genom d/s DNA (x10-3 par zasad)

Scrapie

Genom s/s RNA (x10-3 par zasad)

Paramyxovirus

+

+

Polyomavirus

Flaviviruses

174

+

TMV

+

s/s RNA

3

1.5

+

104

105

106

107

Dawka promieniowania (rad)

Jeśli kwas nukleinowy, to o długości < 80 nukleotydów

slide45

Griffith (1967) sugerował, że czynnikiem zakaźnym może być wyłącznie białko

Białko to nazywane jest obecnie

PRION (PROteinaciousInfectiousAgent)

Białkowy czynnik infekcyjny

S.B. Prusiner, 1982

(Nagroda Nobla, 1997)

slide46

Krowy mogły być zakażone chorobą Scrapie owiec, a człowiek – chorobą BSE krów

Zakażenie człowieka chorobą owiec jest raczej wątpliwe, ze względu na różnice między genami kodującymi białko podejrzane o wywołanie infekcji

Przykładowe różnice między genami _

Owcy i krowy 7 aminokwasów 3 (%)

Myszy i chomika 16 „ 6

Człowieka i krowy 30 „ 12

Człowieka i myszy 28 „ 11

Człowieka i kury 104 „ 41

slide47

Badania Biotechnologiczne

Wyodrębniono białko zakaźne.

Dokonano identyfikacji jego genu.

Okazało się, że ten sam gen koduje zarówno białko zakaźne jak i . . . . białko normalne (!).

Z nieznanych przyczyn, białko zakaźne dodane do roztworu białka normalnego przekształca je w agregaty białka zakaźnego. Podobnie zachowują się białka pomocnicze, tzw. ”chaperones”.

Białka normalne i chorobotwórcze nie różnią się pod względem składu chemicznego.

Wyjaśnienia infekcyjnych własności należy zatem szukać w różnicach strukturalnych między białkiem normalnym i zakaźnym.

slide48

Spektroskopia absorpcyjna w zakresie IR

Wpływ oddziaływań elektrostatycznych (wiązań wodorowych) na stany oscylacyjne grup C=O i N-H:

Białko natywne: C=OH-N

Chaotyczny kłębek:brak wiązań wodorowych

Agregatybiałka zakaźnego

Korzystamy ze spektroskopiiabsorpcyjnejmodelowych struktuyr II-rzędowych:

(a) helisa ikartka: 1685 i 1625 cm-1,

(b) kłębek,skręt: 1641 i 1672 cm-1,

(c) Agregaty białka zakaźnego

slide49

Dichroizm kołowy zawiera informację o konformacji białka

 (cm –1 M -1)

Kłębek statystyczny

Długość fali, nm

slide50

Białko

Kartka 

Helisa 

Skręt

Kłębek

Normalne

3

42

32

23

Zakaźne

43

30

11

16

Najważniejsze wyniki zastosowania spektroskopii absorpcyjnej w podczerwnieni i CD

Udział (%) struktur przestrzennych w formie normalnej i zakaźnej białka prionowego

Błąd względny: 10 %.

Pan K.-M. et al., PNAS, 90, 10962 (1993)

slide51

Struktura białka prionowego naturalnego z myszy (fragment 121-231)

Trzy helisy ułożone w strukturę V Dwuniciowa antyrównoległa kartka 

Potencjał elektrostatyczny na powierzchni

Dokłądność położenia C

Riek R. et al., Nature 382, 180-182 (1996)

slide52

Structura doświadczalna białka prionowego naturalnego (fragment 121-231)

Białko naturalne

Riek R. i wsp. Nature 382, 180-182 (1996)

slide53

Struktury przewidywane teoretycznie na podstawie sekwencji aminokwasów

Huang Z. et al., Folding and Design 1, 13-19 (1995).

infekcyjne

naturalne

slide54

Znaczenie poznanej struktury dla wyjaśnienia roli mutacji w chorobach dziedzicznych

Mutacje genu mogą ułatwiać przemianę strukturalną normalnego białka w zakaźne

slide55

Podsumowanie

Obie formy białka, normalne i zakaźnemają taki sam skład chemiczny, różnią się tylkostrukturą przestrzenną.

Białko normalne: 42 % helis , 3 %kartek

Białko zakaźne: 30 „ 43 „

Autokatalityczne przekształceniastruktury przestrzennej kolejnych cząsteczekbiałka normalnego.

Mutacje genu mogą ułatwiać przemianę strukturalną normalnego białka w zakaźne na skutek destabilizacji struktury -helikalnej na korzyść pofałdowanej -kartki.

Rozwój chorób polega na powstawaniu nierozpuszczalnych włókien białkowych i ubytków w komórkach ośrodkowego układu nerwowego. Związana z tym postępującadegeneracjakończysięśmiercią.

slide56

Czy czynnik infekcyjny składa się tylko z białka?

Hipotezy alternatywne

Znane od 30-tu lat: Problemy (1974)

Scientific American (1974).

I. Mniej ortodoksyjna hipoteza prionowa:

Konwersja białka normalnego w zakaźne zwiększa możliwość zakażenia nieznanymi wirusami, co jest widoczne w postaci wielu odmian encefalofatii gąbczastych.

II.Hipoteza “powolnegowirusa”:

Czynnik zakaźny = białko + DNA (lub RNA)

(prionowe) (wirusowy)

Składnik ”wirusowy” indukuje przekształcenie białka normalnego w formę zakaźną.

·Wirus występuje w organizmie gospodarza.

·Działa znacznie wolniej niż typowe wirusy.

slide57

Podstawowe problemy

Czy istnieje wiele struktur przestrzennych białka prionowego, które mogłby wyjaśnić różne odmiany encefalopatii gąbczastych?

Jaki jest mechanizm przekształcenia struktury naturalnej w zakaźną?

Jaką rolę pełni naturalne białko prionowe?

W jaki sposób białka zakaźne przenikają przez błony międzykomórkowe i dostają się do mózgu?

Czy rysują się perspektywy:

·Diagnostyki przed wystąpieniem objawów choroby ?

·Testowania żywności ?

·Leczenia ?

slide58

PODZIEKOWANIA

Doktoranci

ZAKŁAD BIOFIZYKI

UW

GERASIM STOYCHEV

JAKUB WLODARCZYK

Adjunkt

ZAKŁAD BIOFIZYKI

UW

ANNA MODRAK-WÓJCIK

Profesorowie

ZAKŁAD BIOFIZYKI (UW)

AKADEMIA PODLASKA/SIEDLCE

DAVID SHUGAR

JACEK WIERZCHOWSKI

KOMITET BADAŃ NAUKOWYCH (KBN)

FUNDACJA NA RZECZ NAUKI POLSKIEJ (FNP)

ad