Inovatyvūs mokymosi metodai ir naujausios technologijos gamtos mokslų bakalaurų rengimui

ESF2004/2.4.0-K01-160

Molekulių atpažinimas

ir kokia iš to nauda

2005 lapkričio 23 d.

Valdas Laurinavičius

valdasL@bchi.lt

Atpažinimo proceso dalyviai

Fermentai

Antikūnai Receptoriai

Nukleorūgštys

Geometrinė forma

Biocheminis atpažinimas

Tarmolekulinės sąveikos

+

Tarpmolekulinės sąveikos 

Tarpmolekulinės sąveikos, yra sąveikos tarp krūvių, kuriuos turi arba įgyja duota molekulė.

Joninė sąveika

100

200

300

400

500

600

700

800

Ryšio energija, kJ/mol

Si-O

C-F

C-HC-OHC-NH2C-C

C-I

C-NO

0

10

20

30 Vandenilinis ryšysStekingas, koordinacinis ryšysHidrofobinė sąveikaSąveika jonas-dipolisDipolių sąveika

Van der Valso ir kitos indukuotos sąveikos

Joninė sąveika

+ - N + CO

O-

H

H H

1/r4-30 kJ/mol

Sąveika: jonas-jonas

Tarpmolekulinės sąveikos energija (U) gali būti išreikšta priklausomybe: 

r

qqkU

21

U - energija, kurią reikia sunaudoti norint išskirti krūvininkus nuo atstumo tarp jų r iki begalybės

- aplinkos dielektrinė skvarba

- vandens aplinkai apie 80;

- higrofobinei baltymo daliai apie 1÷10 .

Dipolinė sąveika

Dipoliai yra pastovūs ir indukuojami.

Dipolio - jono sąveika

-+- N O

-H

H H

+....

H

H

1/r2 1-10 kJ/mol

Dipolio – dipolio sąveika

-+-+ O

-+ ....H

H

-C O

1/r3 1-3 kJ/mol

Atostūmos jėga

Van der Valso spindulys

Traukos jėga

Van der Valso sąveika

0

-

+ rv

r0

Van der Valso sąveika

Traukos jėgos (1/r6)

Stūmos jėgos (1/r12)

--

Stekingas (aromatinių sistemų orbitalių sąveika)

Iki 25 kJ/mol

(- sąveika, hipsochrominis efektas)

H AkceptoriusDonoras . . . --

+

-

Vandenilinio ryšio ilgis

Vandenilinis ryšysKovalentinis ryšys

Nepadalinta elektronų pora

Vandenilinis ryšys

Iki 25 kJ/mol

Koordinacinė sąveika

NH2

R-CH C=O

O=C

O

Cu

O

CH-R

NH2

......

Ryšio energija Cu+2 kompleksų su aminorūgštimis siekia 23-24 kJ/mol. Tokių kompleksų disociacijos konstantos (K):

103 – 106 Fe+2, 108 – 1012 Fe+3, 104 – 1010 Zn+2 jonams.

Hidrofobinė sąveika

...

...

... .

... ....

.....

..

OOC-CH-CH2

NH3+

8-12 kJ/mol (dviems benzeno radikalams)

FERMENTAI•Atpažįsta savo substratą ir jį suriša aktyviame centre

•Katalizuoja surišto substrato cheminį virsmą

Baltymas, kurio M=100 000 Da,

•apie 900 aminorūgščių;

•Apie: •4500 C atomų,•6500 H atomų,•1100 N atomų,•1300 O atomų.

OH

H-C-H

H-C-CO

ON H

CO

CH

R

N HC

O

-

OH

H

.

..

..

..

Zn+2...

....

..

. .

....

N

N

H

N NH

His 69

.

.

..

His 196

..

O-

... .

Glu 72H

OTyr-248...

.. ...

H

HN C

NH2

NH

...... Arg 145

+

Substrato (polipeptido) grandinė

Atakuojanti vandensmolekulė

Polipeptido C galinė karboksigrupė

Fermento hidrofobinė"kišenė'

Hidrolizuojamasryšys

Karboksipeptidazės A aktyvaus centro struktūra

Kokia iš to nauda?

Gamtos pažinimas Matematinis biologinių procesų modeliavimas

Analitinių uždavinių sprendimas

Biojutikliai

Gamyba Bioelektrosintezė

Analitė

Atpažinimas

Signalas

Informacija

?

Problemos

Selektyvumas Struktūriniai izomerai

Jautrumas 10-9 – 10-14 mol/L

Atsako laikas Realiame laike

Biosensoriai - tai analitinės sistemos, susidedančios iš biologinės dalies ir elektrocheminio vertiklio

Biologinės dalies funkcija - atpažinti analitę,Elektrocheminės dalies funkcija - atpažinimo reakciją paversti elektriniu signalu

BIOSENSORIAI

Biosensoriaus principinė struktūra

Substratas

Produktas

Signalovertiklis

Biologinė sistema

Registravimosistema

Gliukozės amperometrinio biosensoriaus struktūra

D-Gliukono laktonas

-D-Gliukozė O2

H2O2

2e-

Gliukozės oksidazėPt elektrodas + 0,6 V

Signaloregistratorius

D-Gliukono laktonas

-D-Gliukozė O2

H2O2

2e-

Gliukozės oksidazė

Pt elektrodas + 0,6 V Mirozinazė

Gliukozinoliatai (Sinigrinas)

CH2=CH-CH2-NCS + H2SO4

alilizotiocianatas

Sinigrino ir kitų glikozinoliatų ir glikozidų biosensoriaus struktūra

OOH

HO

CH2OH

HO

SC=N-O-SO 3K

CH2CH=CH2

Mediatorinio biosensoriaus su PQQ dehidrogenaze schema

Substratas

Produktas PQQ

PQQH2 Med.red.

Med.oksid.

2e-

N

N

N

N

N

N

H COOH

HOOC

HOOC O

O

H COOH

HOOC

HOOC OH

O

+e-; +H+

.

+e-; +H+

H COOH

HOOC

HOOC OH

OH

PQQPQQH

PQQH2

.

Mediatorinio gliukozės biosensoriaus struktūra 

Gliukozė

GDHPQQ

Gliukonolaktonas

2e-

Elektrodas

Hemas

Hemas

HemasHemas

e-

Elektrodas

S

P

PQQ

FeFe

Fe

FeAnglies dalelės

Hidrofobinė pasta

Bereagentinio etanolio biosensoriaus struktūra

ProjektasInovatyvūs mokymo(si) metodai ir naujausios technologijos

gamtos  mokslų bakalaurų rengimui

Projektą finansuoja

Europos Socialinis Fondas

Projekto vykdytojaiVytauto Didžiojo Universitetas

Lietuvos Miškų Institutas