Slide1 l.jpg
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 58

VI FESTIWAL NAUKI Fizyka wyjaśnia podstawy zjawisk biologicznych Borys Kierdaszuk Tel.: 55 40 715 Fax: 55 40 001 [email protected] PowerPoint PPT Presentation


  • 126 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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,

Download Presentation

VI FESTIWAL NAUKI Fizyka wyjaśnia podstawy zjawisk biologicznych Borys Kierdaszuk Tel.: 55 40 715 Fax: 55 40 001 [email protected]

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

  • 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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

C

Polimer liniowy mieszany

N

Lokalnie

20 typów ogniw (20 aminokwasów)

Pofałdowana Kartka 

Helisa 

Białko natywne


Slide14 l.jpg

Modele prawoskrętnej helisy 

skok 0.15 nm rotacja 100o

A

B

C

0.5 nm


Slide15 l.jpg

Antyrównoległa pofałdowana Kartka 


Slide16 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

Jednowymiarowe widmo NMR białka wiążącego wapń (kalmoduliny)

przesunięcie chemiczne (ppm)


Slide20 l.jpg

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 l.jpg

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

1 nm


Slide22 l.jpg

Dichroizm kołowy zawiera informację o konformacji białka

 (cm –1 M -1)

Kłębek statystyczny

Długość fali, nm


Slide23 l.jpg

Struktury przestrzenne białek

HEMOGLOBINA IMMUNOGLOBULINA

DEHYDROGENAZA ALKOHOLOWA

IZOMERAZA FOSFPORANÓW


Slide24 l.jpg

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 l.jpg

PNP

PNP

+

PNP

+

Działanie enzymu –fosforylazy nukleozydów purynowych (PNP)

nukleozyd purynowy

fosforan

rybozo-1-fosforan

zasada purynowa


Slide26 l.jpg

  • 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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

Zjawisko absorpcji i emisji fotonów

absorpcja

emisja

Długość fali światła ()


Slide31 l.jpg

Badamy różnicę między absorpcją fotonów substratu i produktu w zależności od czasu


Slide32 l.jpg

Badamy różnicę między emisją fotonów substratu i produktu w zależności od czasu


Slide33 l.jpg

Opis reakcji enzymatycznej: Vmax, Km, Ki


Slide34 l.jpg

Widma absorpcji i emisji PNP i FA

Fluorescencja

Absorpcja

Fosforescencja


Slide35 l.jpg

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


Slide36 l.jpg

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

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


Slide37 l.jpg

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

Włodarczyk et al., 2002


Slide38 l.jpg

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 l.jpg

  • 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 l.jpg

(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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

Dichroizm kołowy zawiera informację o konformacji białka

 (cm –1 M -1)

Kłębek statystyczny

Długość fali, nm


Slide50 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

Structura doświadczalna białka prionowego naturalnego (fragment 121-231)

Białko naturalne

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


Slide53 l.jpg

Struktury przewidywane teoretycznie na podstawie sekwencji aminokwasów

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

infekcyjne

naturalne


Slide54 l.jpg

Znaczenie poznanej struktury dla wyjaśnienia roli mutacji w chorobach dziedzicznych

Mutacje genu mogą ułatwiać przemianę strukturalną normalnego białka w zakaźne


Slide55 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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 l.jpg

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)


  • Login