kÖlcsÖnhatÁs És dinamika az nmr spektroszkópia, mint...
TRANSCRIPT
KÖLCSÖNHATÁS ÉS DINAMIKA
az NMR spektroszkópia, mint a modern szem
Bodor Andrea
ELTE Szerkezeti Kémiai és Biológiai Laboratórium
A Magyar Tudomány Ünnepe, 2012.11.08.
Edvard Munch: A Nap (1911-1916)
1018 1015 1012 109 106
hullámhossz: frekvencia: energia:
1μm 1mm 1m 1km 1nm
1GHz 1MHz
γ-
sugarak X-
sugarak UV IR távoli
IR mikro-
hullámok rádió-
hullámok
mag
átmenetek belső
elektronok külső
elektronok
rezgések
forgások e- - mágneses
átmenetek mag - mágneses
átmenetek
Mössbauer Optikai spektroszkópia
ESR NMR
AZ ELEKTROMÁGNESES SUGÁRZÁS
AZ NMR SPEKTROSZKÓPIA ÉS A PERIÓDUSOS RENDSZER
ALKALMAZÁSI TERÜLETEK -omika:
metabolomika
Analitika: eredet, minőség
Kémia: szerkezet, konformáció
Gyógyszer kutatás
MRI Szerkezeti biológia
dinamika
AZ NMR SPEKTROSZKÓPIA A BIOLÓGIAI RENDSZEREK SZOLGÁLATÁBAN
OLDAT fiziológiás körülmények pH, ionkoncentráció, (NaCl, Mg2+, Ca2+) hőmérséklet, ...
nem invazív módon: atomi szintű információ
Fehérje szerkezet: feltekeredés –
letekeredés denaturáló közegek (8M urea, 6M GdCl)
FUNKCIÓ Fehérje dinamika: ps – 103 s skálán
szerteágazó mozgások
Mérések: 2D, 3D, nD
AZ NMR MINTA
Térerő: 11,7 – 23,5 T 500 MHz – 1GHz Egyéb NMR aktív magok: 31P, 19F szelektív jelölés, ...
Izotóp jelölés: fehérje expresszió 13C, 15N, 2D jelölés
A maximális mérettartomány: kb. 255 kDa
AZ NMR IDŐSKÁLA
ps ns μs ms s 103s
NOE, R1,R2 R1ρ,CPMG ZZ, STD, csere
vibráció
rotáció diffúzió domén mozgás, kinetika
feltekeredés
OR P
O
O-
O P
O
O-
P
O
O-
OHO
NH
N
N
O
N
O
OH
NH2
+ H2O OR P
O
O-
O P
O
O-
OH + H2PO4-
OH
ahol R=
GTP GDP Pi
Enzim-katalizált foszfoészter kötés hidrolízise
TPPP/P25
I) KÉMIAI KINETIKA
TPPP/p25: p20
(2JRF.pdb)
- Tubulin Polimerization Promoting Protein - 219 aminosav - rendezett és rendezetlen részek - Zn2+ kötő helyek - GTP kötő helyek - GTPáz aktivitás
Zotter, Bodor et al. FEBS Lett, (2011), Biochemistry (2011)
GMP Pi γ GDP GDP α β
200 μM TPPP/p25; 1,36 mM GTP; 4,0 mM Mg2+; 50 mM Tris; pH= 7,0; 300 K
31P{1H} NMR, 250 MHz
reak
ció
idő
I) KÉMIAI KINETIKA β
α γ
OR P
O
O-
O P
O
O-
P
O
O-
OHO
k1 = 0.093 ± 0.001 mM h-1
k2 = 0.178 ± 0.009 mM h-1
k3 = 0.119 ± 0.019 mM h-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
átlag reakció idő (h)
kon
cen
trác
ió (
mM
)
GTP GDP + Pi
GDP GMP + Pi
GMP GMP koord.
k1
k2
k3
I) KÉMIAI KINETIKA
KÖLCSÖNHATÁS - FUNKCIÓ
Fehérje kcat (min-1)
Rac1 H-Ras Rap1A Ran TPPP/p25
0.11 0.028 0.0031 0.0032 0.0155 NMR 0.018 malachitzöld
-a TPPP/p25 GTPáz aktivitása: a kis G fehérjék aktivitásához hasonló - 31P NMR mérések: a reakció teljes útvonala
sebességi állandók meghatározása
I) KÉMIAI KINETIKA
II) TRANSZLÁCIÓS DIFFÚZIÓ
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0
Gradiens (G/cm)
Inte
nzi
tás
II) TRANSZLÁCIÓS DIFFÚZIÓ
I = I(0) exp[-D (2 π γ Gi δ)2 (Δ – δ/3)]
Stokes – Einstein: rH = kT/6 π η D
II) TRANSZLÁCIÓS DIFFÚZIÓ
Rendezetlen fehérjék (IUP, IDP) Más módszerekkel nehezen tanulmányozhatók Szerkezeti vonások: NMR - kémiai eltolódás - hidrodinamikai sugár
RENDEZETLEN – DENATURÁLT – FELTEKEREDETT FEHÉRJÉK HIDRODINAMIKAI SUGARA?
Tompa et al. FEBS Lett, (2005), Uversky et al. Annu. Rev. Biophys. (2008), Jensen et al. Structure (2009)
8.00E-11
1.10E-10
1.40E-10
1.70E-10
2.00E-10
1500 2500 3500 4500 5500
Molekula tömeg (g/mol)
D (
m2 /s
)
rendezetlen
feltekeredett
8M urea
TC5B mutánsok
MPK szubsztrátok
MIIA fragmens
Tb4
AnTx
II) TRANSZLÁCIÓS DIFFÚZIÓ
II) TRANSZLÁCIÓS DIFFÚZIÓ
8
10
12
14
16
18
20
22
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Molekula tömeg (g/mol)
r H (
Å)
rendezetlen
feltekeredett
8M ureaTC5B mutánsok
MPK szubsztrátok AnTx
MIIA fragmens
Tb4
1H NMR: rH denaturált > rH rendezetlen > rH feltekeredett
15N: R1, R2, hetnoe -NH – H2O csere
H2O
III) A PEPTID GERINC DINAMIKÁJA
A molekulák oldatbeli ún. ‘bukdácsoló’ mozgása τc rotációs korrelációs idővel jellemezhető. 1/τc – rotációs frekvencia J(ω) - spektrális sűrűség függvény: J(ω) = 2 τc / [1 + (ωτc)
2]
Mért dinamikai paraméterek: R1, R2, hetnoe = f [J(0), J(ωN), J(ωH)]
0
0.5
1
1.5
2
0 10 20 30 40 50
R1 (
s-1)
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50
R2 (
s-1)
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 10 20 30 40 50
HET
NO
E
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 10 20 30 40 50
clea
nex
5ms10ms
45 aminosav hosszú IUP MIIA:
III) A PEPTID GERINC DINAMIKÁJA
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
J(0) / ns rad-1
J(ω
N)
/ n
s ra
d-1
III) A PEPTID GERINC DINAMIKÁJA
Redukált spektrális sűrűség analízis
Középső régió: legkevésbé mozgékony, inherens helicitás N-terminus:K3-D11 C-terminus: D33-K45
Krisova et al. J. Biomol. NMR (2006), Lefèvre et al., Biochemistry (1996)
KÖLCSÖNHATÁS - SZERKEZET
N71
L8
E26
S47
S17
V73 L32
N33
D74
K29
E91
F30
G27
S23
E44
G50
T42
1H-15N HSQC, 300 K 15N:S100A4d - Ca2+
homodimer
Gingras et al. FEBS Lett, (2008)
KÖLCSÖNHATÁS - SZERKEZET
N71
L8
V73 L32
N33
D74
K29
E91
E26
S47 S17
F30
G27
S23
E44
G50
T42
15N: S100A4d - Ca2+ MIIA – 15N: S100A4d - Ca2+ a két monomer nem egyenértékű
Kiss et al. PNAS, (2012), Elliot et al. Structure (2012)
D74
KÖLCSÖNHATÁS - SZERKEZET
Ca2+ - S100A4
Ca2+ - S100A4 - MIIA- A Ca2+ - S100A4
Ca2+ - S100A4 - MIIA- A Ca2+ - S100A4
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
G S H M A C P L E K A L D V M V S T F H K Y S G K E G D K F K L N K S E L K E L L T R E L P S F L G K R T D E A A F Q K L M S N L D S N R D N E V D F Q E Y C V F L S C I A M M C N E
Δδ(ppm) A
Δδ(ppm) B
KÖLCSÖNHATÁS - SZERKEZET
átlagolt kémiai eltolódás:
22 )(17.0)(NHN
KÖLCSÖNHATÁS - SZERKEZET - FUNKCIÓ
1894 YRKLQRELEDATETADAMNREVSSLKNKLR RGDLPFVVPR RMARK 1937
MIIA:
Komplex: filamentum bontó
NMR
SZERKEZET
DINAMIKA
KÖLCSÖNHATÁS
FUNKCIÓ
Végh Ádám
Stráner Pál
Pálfy Gyula
Taricska Nóra
Pintér István
Rovó Petra
Jákli Imre
Farkas Viktor
Hudáky Ilona
Perczel András
Náray-Szabó Gábor
Zsoldosné Mády Virág
Láng András
Dudás Erika
Papp Dóra
Kovács Bertalan
Csordás Barbara
Karancsiné Menyhárd Dóra
Harmat Veronika
Ángyán Annamária
Kiss-Szemán Anna
Vajda Tamás
Felméry Anna
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
SZKBL:
GTP: Ovádi Judit (MTA/Enzimológiai Intézet) Bányai István (Debreceni Egyetem)
MIIA/S100A: Nyitray László (ELTE, Biokémiai Tszk)
Edvard Munch:Önarckép - fotó
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS