Презентация на тему "Геометрия и "живые" молекулы"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Геометрия и "живые" молекулы

• 
  Слайд 2

  “Живые” молекулы

  • ДНК – центральный архив информации; содержит инструкции (1) по производству белков; (2) по тому, когда, каким клеткам и какие белки производить
  • Белки – активные действующие лица, “живые" …
  • РНК ….

  Хорошо ли молекулы называть живыми?

• 
  Слайд 3

  3D Геометрия

  3D Геометрия – это наука о пространственных отношениях между телами, поверхностями, линиями и точками

• 
  Слайд 4

  Вот как выглядят белки

  • Порин из бактерии Klebsiellapneumoniae
  • Зеленый флюоресцентный белок из медузы Aequorea victria
• 
  Слайд 5

  Еще примеры: РНК-зависимая РНК полимераза полиовируса

• 
  Слайд 6

  А важна ли 3D геометрия молекул?

  • РНК-зависимая РНК полимераза полиовируса – молекулярная машина по полимеризации новой молекулы РНК.
  • Как всякая машина, молекулярная машина состоит из множества согласованно работающих частей
• 
  Слайд 7

  Пример удачного описания 3D геометрии живого

  • Витрувианский человек
  • Леонардо да Винчи
• 
  Слайд 8

  В чем состоит описание этого 3D объекта

  • Выделяем структурные единицы – части, эти части имеют названия
  • Функции частей нам известны
  • Подвижность частей нам тоже известна
  • Внутреннее строение частей описано наукой (анатомией, физиологией)
  • Важные геометрические параметры объекта и его частей и их вариации у разных объектов данного класса тоже описаны (рост, длина руки, форма зубов и др.)
• 
  Слайд 9

  Как мы все это узнали?

  • Глаза
  • Длительное наблюдение за объектами
  • Возможность измерять
  • Анатомия, физиология, биометрика
• 
  Слайд 10

  “Живые” молекулы - маленькие

  • ДНК: толщина - 20Å , длина - ?(участок из 10 пар оснований имеет длину около 35 Å) (геном кишечной палочки – около 5 млн пар оснований 4639675 п.о.)(геном человека – более 3 млрд пар оснований)
  • РНК: тРНК имеет диаметр около 70Å
  • Диаметр белка может быть от 10 до многих сотен ангстрем (и даже тысяч)
• 
  Слайд 11
  

  Если бы мы могли стать очень маленькими и поместились бы в одну живую клетку, то увидели бы.

• 
  Слайд 12
  

  Разные молекулы (вода, ионы, маленькие молекулы – лиганды, белки и др.) налетают со всех сторон. Разобраться что к чему непросто!

• 
  Слайд 13

  Как же нарисовали модели белков?

  • Рентгено-структурный анализ - примерно, одномоментная фотография одной молекулы (или одновременно нескольких связанных друг с другом молекул), образующих кристаллическую структуру.
  • Не видим: движения белков, подвижность отдельных частей(*), поведения при встрече с другими молекулами и др.
  • Приходится а) проводить эксперименты; б) интерпретировать результаты и, часто, догадываться о том, что происходит

  (*) не совсем так, иногда кое-какие движения можно восстановить на основании экспериментальных данных – ЯМР, например.

• 
  Слайд 14

  Геометрическое описание РНК-зависимой

  РНК полимеразы полиовируса, наверное, должно выглядеть так:

• 
  Слайд 15

  Про жирафа и объем наших знаний о жизни белков

• 
  Слайд 16

  ДНК – архив информации, значит, должны быть

  • Писатели
  • Читатели, которые используют информацию
  • Архивариусы, которые следят за тем, чтобы нужную информацию получали нужные читатели, заботились об архиве
  • Копировщики архива (клетки размножаются)
• 
  Слайд 17

  2 способа чтения ДНК белками

  ДНК находится в B-форме. В такой форме она обычно хранится в хромосоме

• 
  Слайд 18

  В ДНК закодирована информация

  И как же ее переписать, разглядывая (нам, людям) или “щупая" (ДНК-зависимой РНК-полимеразе)?

• 
  Слайд 19

  Этим и займемся – для участка ДНК

  Где же буквы A, T, G, C? Чтобы найти буквы нам (людям) нужно упростить картинку, найти и назвать части молекулы

• 
  Слайд 20

  Сахаро-фосфатный остов ДНК (выделен)

• 
  Слайд 21

  В каком направлении читать ДНК?

• 
  Слайд 22

  Глазами легко увидеть различные пары оснований

• 
  Слайд 23

  ДНК-зависимая РНК-полимераза

  • только переписывает буквы
  • расплетает две цепиДНК
  • изгибает одну цепь так, как ей удобно
  • работает с каждым основанием по отдельности
  • располагает это основание в стандартном положении
  • коды атомов основания – донор протона или акцептор протона позволяют ей правильно подобрать комплементарное основание
• 
  Слайд 24

  Схема работы ДНК-зависимой РНК полимеразы

• 
  Слайд 25

  Вот как выглядят коды оснований в расплетенной цепи ДНК

  • Кислород, акцептор протона
  • Азот,
  • донор протона
  • Азот,
  • Акцептор протона
• 
  Слайд 26

  Коды оснований, используемые при переписывании (транскрипции)

  • Кислород, акцептор
  • Азот, донор
  • Азот, акцептор
• 
  Слайд 27

  Регуляторным белкам приходится читать ДНК, не расплетая цепей

  История про белок TetR

• 
  Слайд 28
  
• 
  Слайд 29
  
• 
  Слайд 30
  
• 
  Слайд 31
  
• 
  Слайд 32

  Вот он, белок TetR, собственной персоной

  Димер TetR, взаимодействующий с двумя молекулами тетрациклина

• 
  Слайд 33
  

  • Расплетение двойной спирали ДНК не предусмотрено!
  • Чтобы выполнить свою миссию, молекула TetR должна отыскать на ДНК участок с последовательностью
• 
  Слайд 34

  Давайте читать ДНК, на расплетая цепей!

  • Так ничего не понять!
  • Нужно выделить части!
  • Сахаро-фосфатный остов
  • Малая бороздка ДНК
  • Большая бороздка ДНК
• 
  Слайд 35
  

  Какие атомы на поверхности ДНК различаются в зависимости от оснований ДНК (“букв")?

  • Акцептор протона
  • Донор протона
  • Большая бороздка ДНК:
  • Акцептор протона
  • Донор протона
  • Малая бороздка ДНК:
  • Основные различия – в большой бороздке!

• 
  Слайд 36

  “Химический код” в большой бороздке ДНК

  • Акцептор протона
  • Донор протона
  • Гидрофобная группа атомов (-CH3 )

• 
  Слайд 37
  

  • Разглядывая большую бороздку, человек может узнать последовательность ДНК, не расплетая двойной спирали.
  • Но у белков нет глаз, им приходится работать на ощупь, различая атомы по их свойствам Очевидно, важна геометрия большой бороздки ДНК!
• 
  Слайд 38
  

  Поверхность дна большой бороздки ДНК хорошо приближается поверхностью, называемой “Геликоид”.

  Определение 1. Геликоид – поверхность, образованная равномерным вращением отрезка, перпендикулярного оси, и равномерно перемещающегося вдоль нее.

• 
  Слайд 39
  
• 
  Слайд 40

  Большая бороздка ДНК, приближенная геликоидом

  Параметры геликоида подгоняются к каждому участку ДНК. Поэтому геликоид искривлен

• 
  Слайд 41

  Ось ДНК проходит по дну большой бороздки и совпадает с осью геликоида

• 
  Слайд 42

  Давайте изобретать белок для распознавания ДНК

  • Белок глобулярный, т.е. сохраняет свою форму, очень условно, эллипсоидальную
  • В нем нет длинных гибких “щупалец"
  • Значит, надо изобрести структурную единицу белка, помещающуюся в большую бороздку
  • Такой структурной единицей может быть альфа-спираль
• 
  Слайд 43

  Вот как это делает тетрациклиновый репрессор

• 
  Слайд 44

  Некоторые выводы

  • Одна молекула белка взаимодействует с коротким участком ДНК - 4-5 пар оснований
  • В большой бороздке ДНК белок ищет шифр в области поверхности большой бороздки; для него ДНК не разделена на пары оснований
  • Форма поверхности большой бороздки важна для узнавания своего участка ДНК
• 
  Слайд 45
  

  Регуляторным белкам надо узнавать участки ДНК из ок. 10 пар оснований, как минимум

  • Димеризация белка – это способ удлинить узнаваемый участок
  • Какое свойство последовательности регуляторного участка ДНК (участка, который узнает регуляторный белок) следует ожидать из-за того, что этот белок димеризуется?
• 
  Слайд 46

  Димер тетрациклинового репрессора на ДНК

  • Вид сбоку
  • Вид со стороны ДНК
• 
  Слайд 47

  Вот последовательность, узнаваемая тетрациклиновым репрессором

  Что в ней особенного?

• 
  Слайд 48

  Задача

  • Тетрациклиновый репрессор умеет узнавать участок ДНК со свой любимой последовательностью
  • Люди (даже ученые) не научились как следует решать эту задачу!
  • Задача. Дан регуляторный белок; знаем все о его строении. Найти участок ДНК, с которым этот белок свяжется – т.е. указать последовательность ДНК этого участка
• 
  Слайд 49

  Значит, мы знаем не все, что использует белок для узнавания

  • Роль растворителя – воды, ионов
  • Геометрия участка ДНК может зависеть от последовательности оснований
  • Изгибаемость двойной спирали ДНК может зависеть от последовательности оснований
• 
  Слайд 50
  

  Почему же тетрациклиновый репрессор, связавшись с тетрациклином, перестает связываться с ДНК?

  Две структуры наложе друг на друга В структуре с тетрациклином, например, глютамин-38 изменил свое положение по сравнению со структурой с ДНК и наезжает на ДНК.

• 
  Слайд 51

  Вернемся к порину и зеленому флюоресцентному белку

  Ничего общего?

• 
  Слайд 52

  Порин

• 
  Слайд 53
  

  Капсид вируса - сателлита вируса табачной мозаики – сложен из 60 одинаковых молекул белка

  Задача. Как сшить сферу из одинаковых лоскутов?

• 
  Слайд 54
  

  Вот адрес базы данных PDB, в которой хранятся 3D структуры белков, ДНК, РНК

• 
  Слайд 55
  
• 
  Слайд 56
  
• 
  Слайд 57

  Оболочка вируса, вызывающего “мозаику” огурцов

• 
  Слайд 58

  Оболочка риновируса – вируса, вызывающего насморк

• 
  Слайд 59

  Вирус ящура