Johdatus biofysiikkaan Introduction to biophysics

Transkriptio

1 Johdatus biofysiikkaan Introduction to biophysics nd lecture: Biophysics of biomolecules, by Marja Hyvönen please preferably contact me by p room (door J3 from orange corridor) biomolecular systems, and material computationally modelling and molecular dynamics (MD) simulations SCALES 1

2 red cells about the molecular structure and their interactions DNA 1 m 1 dm 10-1 m 1 cm 10-2 m 1 mm 10-3 m 10-4 m 10-5 m 1 µm 10-6 m 10-7 m 10-8 m 1 nm 10-9 m 1 Å m

3 DIFFERENCE between atoms and molecules - ATOMS: An atom has the nucleus and electrons circulating around it at their electronic orbitals (electron cloud) e.g. He atom In biological molecules (of organic molecules) most important atoms are C, H, O, N, S, and P about the molecular structure and their interactions - MOLECULES (the focus of this course!): Molecules form when two or more atoms share their electrons (electron orbitals) COVALENT BONDS Such condition is favorable, as the energy minimum is achieved! Breaking of the covalent bond requires energy Bond energy esim. N N O O 3

4 Esimerkiksi MD-simulaatioita varten systeemin osien (perinteisesti atomien) väliset vuorovaikutusenergiat kuvataan voimakentän avulla, kunkin sidoksen ominaisuudet huomioon ottaen... E = E + E + E + E + E + E + tot pituus kulma kierto taso vdw elec SIDOSVÄLITTEISET KAIKKIEN ATOMIEN VÄLILLÄ molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset SIDOKSET määrävät suurelta osin molekyylien molekyylisysteemien rakenteen ja toiminnan E vdw JA E elec taso:

5 - Orgaanisten molekyylien erikoisuus: kaksoissidokset kovalenttinen sidos, joka on muodostunutkin kahden jaetun elektroniorbitaalin avulla molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset tyypillistä erityisesti hiilen muodostamien ketjujen sidoksissa C C kaksoissidosta ja sitä sisältäviä yhdisteitä kutsutaan tyydyttymättömiksi, esim. tyydyttymättömät rasvahapot (luonnossa yleensä cis-muodossa trans-muodot aikaiseksi teollisen käsittelyn seurauksena) H C H Kaksoissidoksilla on kaksi olennaista merkitystä biofysiikan kannalta: 1) Rakenteellinen: Yksinkertainen kovalenttinen sidos on yleensä rotaatiosymmetrinen, ts. atomit voivat kääntyä sidosakselin ympäri vapaasti Kaksoissidos taas on jäykempi ja vaatii kiertyäkseen suhteellisen paljon energiaa molekyylit lukkiutuvat kaksoissidoksen suhteen tiettyyn muotoon, joka sallii usein vain pientä värähtelyä C C C C 5

6 molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset 2) Kvanttifysikaalinen: Kaksoissidokset voivat esiintyä monimutkaisissa molekyyleissä vuorottelevana sarjana, ts. yksöis- ja kaksoissidoksen vaihtelevana ketjuna Tällöin sidoksien elektronit jakautuvat koko tämän rakennelman alueelle ns. π-orbitaalina (hiiliketjuissa) π Tällaisten elektronien absorptio- ja C C C C C emissioenergiat ovat yleensä näkyvän valon alueella näköaistimme perustuu juuri näiden π-orbitaalien muodostumiseen A- vitamiinin johdannaisen, retinaalin, hiilisidoksissa retinaali taas vaikuttaa verkkokalvon valoenergiaa solujen rodopsiiniproteiinien aktiivisessa alueessa 6

7 molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset Voimakkain ja hyvin tavallinen ei-kovalenttinen molekyylejä koossapitävä vuorovaikutus on ionisidos ( E elec ) Perustuu sähköisiin varauksiin: ionisidoksessa atomeilla (tai molekyyleillä) on erimerkkiset varaukset johtuen elektronivajauksesta tai -ylimäärästä + - Kahden varatun kappaleen (varaukset q 1 ja q 2 ) välillä (etäisyydellä r) vaikuttaa voima F, jolle on voimassa ns. Coulombin laki: F qq = C r 1 2 2, missä C on verrannollisuuskerroin C 1 = 4πε, jossa edelleen ε 0 = 8, C 2 /(Nm 2 ) = tyhjön permittiivisyys 0 Voiman vaikuttaessa jossakin väliaineessa (eikä tyhjössä): F = qq 1 2 πε ε r 4 0 r 2, missä (yksikötön) kerroin ε r on ns. (ko. väliaineen) eristys- eli dielektrisyysvakio Väliaineen ominaisuus ε r on aina lukuarvoltaan suurempi kuin 1 (ε r > 1) ja siis pienentää (vaimentaa) sähköistä vuorovaikutusvoimaa 7

8 Dielektrisyysvakio on ilmalle hieman yli 1:n, mutta vedelle se on noin 81 Vesi, jossa kaikki elämä tapahtuu, vaimentaa siis sähköisiä vuorovaikutuksia noin tekijällä 1/81 verrattuna ilmaan ilmassa kidemäiset aineet (esim. suolat ja sokeri) liukenevat veteen, kun ionisidokset purkautuvat Sähköisen vuorovaikutuksen vuoksi esim. liuoksissa (vaikkapa solunsisäisessä nesteessä) olevat varaukseltaan erimerkkiset molekyylit liikkuvat toisiaan kohti, + - kunnes läheisyys aiheuttaa hylkimisvoimia mm. atomiydinten/elektroniorbitaalien päällekkäisyyden + - vuoksi, jolloin molekyylit jäävät värähtelemään tämän energiaminimin (ΣF = 0) ympärille Sähköisestä vetovoimasta aiheutuu siis molekyyleille ja niiden osille potentiaalienergiaa: sähköisten voimien potentiaalienergia on muotoa r F eli ko. energia on suoraan verrannollinen etäisyyteen r (voimathan puolestaan ovat kääntäen verrannollisia etäisyyden neliöön, ks. Coulombin laki edellä) 8

9 Molekyylit voivat muodostaa dipoleja: - kun sinänsä varauksettoman molekyylin sisällä on (tai tapahtuu) varauksien erottelua molekyylin sisällä ja ympärillä on (tai muodostuu) sähkökenttä molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset + q + d - dipolien voimakkuutta kuvataan dipolimomentilla = (erotetun) varauksen q ja poolien välisen etäisyyden d tulo eli q d - q - - molekyylien muodostamien dipolien lokalisoituneet varaukset ovat yleensä kokonaista alkeisvarausta (e = elektronin varaus = 1, C) pienempiä eli joku sen murto-osa - liuoksissa vapaasti liikkuvat dipolit luonnollisesti vetävät toisiaan puoleensa (erimerkkiset) ja hylkivät toisiaan (samanmerkkiset); van der Waalsin (vdw) voimat - riippuvuus etäisyydestä on eristetyille (tyhjössä, ilmassa) molekyylidipoleille 1 / r 3 liuoksissa 1 / r 6 1 / r 7 9

10 Dipoli-dipoli-vuorovaikutukset molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset Hyvin paikallisia (lyhyen etäisyyden) voimia, vaikuttavat olennaisesti dipoleja sisältävien liuosten ja aineiden rajapintojen (esim. solukalvojen ja -nesteiden) organisaatioon Kun dipolit ovat liuoksessa lähellä toisiaan, ne asettuvat alimpaan energiatilaansa erimerkkiset varaukset ovat mahdollisimman lähellä toisiaan ja samanmerkkiset mahdollisimman kaukana toisistaan - molekyylien 3-D-rakenne ja dipolimomentin suunta määräävät tarkan ryhmityksen H 2 O H 2 O H 2 O - ilmiö toistuu, tosin monimutkaisempana, kun useita dipolimolekyylejä on vuorovaikutuksessa keskenään, esim. vedessä H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O + - H 2 O H 2 O 10

11 M. Hyvönen, T.T. Rantala and M. Ala-Korpela, Structure and Dynamic Properties of a Diunsaturated PLPC Lipid Bilayer from a Molecular Dynamics Simulation, Biophys. J., 73 (1997) solukalvo 1m 1 dm 10-1 m 1 cm 10-2 m 1 mm 10-3 m 10-4 m 10-5 m 1 µm 10-6 m 10-7 m 10-8 m 1 nm 10-9 m 1Å m 11

12 molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset Dipolien induktio - dipolimolekyylit voivat indusoida (sähkökenttänsä eli sähköisten vuorovaikutusvoimiensa avulla) dipoli-muodostuksen sellaisissakin molekyyleissä/ atomissa, joissa luonnostaan/yksinään ei ole dipolimomenttia - + liuosten polaariset molekyylit (, joilla on nollasta eroava dipolimomentti, esim. vesi) tekevät apolaarisista molekyyleistä (, joilla ei ole luonnostaan dipolimomenttia) polaarisia lisäksi apolaarissa molekyyleissä esiintyy satunnaisia ja lokaalisia varauksen muutoksia, jotka voivat hetkellisesti muuttaa molekyylin polaariseksi muodostuu hetkellisiä apolaaristen molekyylien välisiä dipolidipoli-interaktioita eli ns. Londonin dispersiovoimia (esim. lipidien hiiliketjujen alueella vaikuttavat koheesiovoimat ) 12

13 molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset heikkopeikko vetysidos, orgaanisten molekyylien rakentumisessa hyvin tärkeä Muodostuu vedyn ja eräiden muiden atomien (esim. O, N, C) välille Tavallaan osittain kovalenttinen: yhteinen elektroniorbitaali on hyvin epästabiili, ja on siten voimassa vain noin kymmenesosan ajasta Tällöin sidosenergia (siis perustilan ja sidostilan energioiden välinen erotus) on vain n. kymmenesosa kovalenttisesta sidoksesta H O Matala sidosenergian arvo, n kj/mol, on lähellä luonnostaan käytettävissä olevaa lämpöenergiaa (eli rikkoutuu, kun lämmitetään, esimerkiksi vesi kiehuu SIIS vetysidos on heikko, ja yksinään vain vähän aikaa voimassa 13

14 Vetysidoksen kaksi keskeisintä ominaisuutta: 1) Muodostumisen yleisyys; vety on orgaanisissa molekyyleissä aina läsnä (usein myös happi, hiili ja typpi, joiden kanssa yhdessä sidos voi syntyä) Kahden suuren molekyylin välillä tai myös ison molekyylin sisällä voi olla suuri määrä vetysidoksia, joiden yhteisvaikutus on huomattavan suuri 2) Geometria; vetysidoksen muodostumiseen liittyy yleensä hiilen, hapen, vedyn ja typen ryhmittyminen lähes suoralle, mikä pyrkii lukitsemaan molekyylit tiettyyn muotoon Systeemin 3D muoto voi määräytyä vetysidosten perusteella (esimerkiksi DNA:n kaksoiskierre) C O H N 14

15 molekyylien rakenne ja niiden vuorovaikutukset Molekyylien vuorovaikutukset; tässäpä tärkeimmät pituusskaaloja biomolekyylisysteemeissä atomi vai molekyyli sidostyyppejä molekyyleissä ja niiden välillä kaksoissidos erityistapauksena ionisidos dipolit, ja niiden indusoituminen vetysidos 15

16 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä PERUSRAKENNUSPALIKOISTA... I. vesi II. nukleiinihapot DNA, RNA III. aminohapot proteiinit ja peptidit (eli valkuaisaineet) IV. lipidit eli rasva-aineet molekyylitason kalvot, esim. solukalvo V. sokerit eli hiilihydraatit

17 Vesi, H 2 O tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä H O H - on kaikkien elävien olentojen tärkein molekyyli - osallistuu suoraan moniin elimistön reaktioihin, mutta on myös kaikkialla mukana aineena, jossa muut molekyylit ovat - on hyvin polaarinen aine: elektronien orbitaalit ovat hyvin epäsymmetriset molekyylin vetykärjet ovat positiivisesti varautuneet ja happi negatiivisesti varautunut, ts. muodostavat voimakkaan dipolin o

18 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä - vesimolekyylit vaikuttavat toisiinsa dipoli-dipoli-vuorovaikutuksen kautta - nestemäisenäkin veden dipolimomentti on suuri osa vesimolekyyleistä on aina vetysidoksilla kiinni toisissaan - niinpä nesteenä oleva vesi on tavallaan rakenteinen ja siinä olevat vesimolekyylit ovat koko ajan vaihtuvassa, vetysidosten määräämässä ryhmityksessä - jos vesiliuoksessa ei ole riittävästi lämpöenergiaa, muodostavat eri molekyylien vedyt ja hapet lisää vetysidoksia, jotka sitovat veden tetraedrin muotoisiksi kiteiksi lopulta lämpöenergian määrän laskiessa vesi jäätyy - veden puolestaan kuumetessa se muuttuu vähitellen vähemmän ja vähemmän rakenteiseksi eli vetysidosten olemassaolo lyhenee ja vähenee, kunnes kiehuessaan vesi höyrystyy vetysidosten kokonaan kadotessa 18

19 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä - vesiliukoisten, ns. hydrofiilisten aineiden on oltava myös hyvin polaarisia yhdisteitä, liuetessaan näiden aineiden on kilpailtava vesimolekyylien kanssa sidosmuodostuksesta Kääntäen: veteen liuenneet molekyylit, ollen polaarisia, jakavat veden kanssa samat ominaisuudet, ja ovat normaalisti voimakkaasti vuorovaikutuksessa sekä vesimolekyylien kanssa että keskenään, sekä vetysidosten että dipoli-vuorovaikutusten kautta - vedellä, ja (etenkin) orgaanisten aineiden vesiliuoksilla, voidaan näin sanoa olevan eräänlainen stokastinen (satunnaisesti järjestäytynyt) rakenne - monet apolaariset aineet, kuten rasvat eivät liukene veteen ja vesiseoksessa erottuvat omaksi faasikseen pienimpään mahdolliseen energiatilaan (misellit ja membraanit) 19

20 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä LIPIDEJÄ ~ itseorganisoituminen vesiolosuhteissa... - vesihakuiset, hydrofiiliset eli polaariset osat - vesipakoiset, hydrofobiset eli apolaariset osat liposomi miselli kaksoiskalvo

21 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Molekyylien liikkeistä Molekyylien ja isompienkin aineiden satunnaisista liikkeistä liuoksissa raportoitiin ensimmäisen kerran 1800-luvun alkupuolella, jolloin Robert Brown havaitsi siitepölyn liikkeet vesiliuoksessa. Hän oletti myös vesimolekyylien oman satunnaisliikkeen oleellisesti vaikuttavan asiaan tämän kaltaiselle liikkeelle käyttöön nimitys Brownin liike Brownin liikkeen eli diffuusion perustan tutkimukset olivat Albert Einsteinin ensimmäisiä merkittäviä julkaisuja aivan 1900-luvun alussa (näiden perusteella yhdessä valosähköisen ilmiön selvittämisen kanssa hän myös sai Nobelin palkinnon) Kaikki molekyylit (ja partikkelit) ovat liuoksissa (kuten kaasuissakin) aina liikkeessä: - molekyylien (partikkelien) kineettinen liike-energia riippuu lämpötilasta - tämä molekyylien satunnaisliike on perusteena molekyylien, ionien yms. partikkelien diffuusiolle ja muille ominaisuuksille nesteissä ja soluissa 21

22 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä PERUSRAKENNUSPALIKOISTA... nukleiinihapot DNA FOSFORI- HAPPO EMÄS SOKERI adeniini guaniini tymiini sytosiini

23 nukleiinihapot DNA tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä FOSFORI- HAPPO EMÄS SOKERI FOSFORI- HAPPO EMÄS A T;C G EMÄS SOKERI FOSFORI- HAPPO EMÄS A T;C G EMÄS SOKERI FOSFORI- HAPPO EMÄS A T;C G EMÄS SOKERI

24 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Niitä heikkoja vetysidoksia, jotka kuitenkin pitävät kierteen kasassa!

25 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä vetysidoksia! oikeita kovalenttisia sidoksia!

26 Solun jakautuessa DNA kahdentuu tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä

27 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Valkuaisainesynteesi 1. transkriptio: DNA tumassa lähetti-rna (mrna), joka on emäsjärjestykseltään peilikuva DNA:sta 2. translaatio: mrna tuman ulkopuolelle kolmen peräkkäisen emäksen koodi vastaa yhtä aminohappoa - soluliman ribosomeissa vesiliukoiset valkuaisaineet - solun sisäisten kalvojen ribosomeissa kalvoihin kiinnittyvät valkuaisaineet (kalvoproteiinit)

28 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä DNA TEKNIIKAT YHDISTELMÄ-DNA TEKNIIKKA: organismin geneettistä materiaalia voidaan hallitusti eristää, muuntaa ja siirtää toiseen organismiin - elintarviketuotannossa systemaattisesti käytössä - lääketuotannossa joiltain osin rutiinia, esim. insuliinituotanto - geeniterapiassa kehitteillä virus- ja lipidipohjaisia kuljettimia

29 PERUSRAKENNUSPALIKOISTA tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä aminohapot proteiinit ja peptidit (eli valkuaisaineet) poolittomat sivuketjut: Gly Ala Val Leu Ile Met Pro Phe Trp polaariset sivuketjut: varautumattomat: Ser Thr Asn Gln Tyr varautuneet: Cys Lys Arg His Asp Glu

30 PERUSRAKENNUSPALIKOISTA tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä aminohapot proteiinit ja peptidit (eli valkuaisaineet) peptidisidoksen muodostuminen: jäävät vapaiksi vetysidoksia varten polypeptidiketju

31 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä PERUSRAKENNUSPALIKOISTA aminohapot proteiinit ja peptidit (eli valkuaisaineet) laskostuminen: alfa-kierteeksi beta-levyksi tai sitten ei random coil

32 paha LDL (Low Density Lipoprotein) Amfifiilinen β-levy, 67 aminohappoa sähköstaattinen potentiaali Tyr & Trp osallistuvat hydrofobiseen pintaan kiinnittymiseen Koivuniemi, Kovanen, & Hyvönen; Molecular Dynamics Simulations of a Lipovitellin derived Amphiphilic β-sheet Homologous to ApoB-100 β-sheets at a Hydrophobic Decane-water Interface, BBA Proteins and Proteomics, 3. Nov

33 PERUSRAKENNUSPALIKOISTA... tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Lipidejä ~ rasva-aineita... solukalvo 1 m 1 dm 10-1 m 1 cm 10-2 m 1 mm 10-3 m 10-4 m 10-5 m 1 µm 10-6 m 10-7 m 10-8 m 1 nm 10-9 m 1 Å m

34 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä LIPIDEJÄ ~ RASVA-AINEITA... fosfatidyylikoliini PC kolesteroliesteri CE triglyseridi TG sfingomyeliini SM kolesteroli CHOL Kaksoiskalvojen rakenteissa Kuljetus ja varastointi

35 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä RAKENNE- & SÄÄTELYTEHTÄVÄ: kaksoiskalvot - solukalvoissa - solun sisäisissä kalvoissa KULJETUS- & VARASTOINTI- TEHTÄVÄ: - kuljetus solun ulkoisesti lipoproteiineissa - varastointi solun sisäisissä dropleteissa paha LDL (Low Density Lipoprotein) kolesteroliesteri, jonka rasvahappo on w-3 dokosaheksanoaatti eli ns. välttämätön rashahappo

36 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Lipidien ketjujen kaksoissidosten vaikutus Hyvönen, et al., Biophys.J., Hyvönen & Kovanen, Eur. Biophys. J., Ollila, et al., J. Phys. Chem. B, fysiologisesti tavallisimmat omega-3

37 Lipidien ketjujen kaksoissidosten vaikutus 41 o C fysiologisesti tavallisimmat -5 o C -15 o C... vaikutus kalvon faasitransitiolämpötilaan havaittavissa kalorimetrilla: Cullis et al., Physical properties and functional roles of lipids in membranes, In Biochemistry of lipids, lipoproteins, and membranes. Vance & Vance, Elsevier, Amsterdam. p. 1-33

38 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Lipidien ketjujen kaksoissidosten vaikutus vaihdetaan punasolujen solukalvon POPC ja PLPC suurelta osin DPPC:ksi : Kuypers, et al., J. Cell Biol., 1984

39 tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Lipidien ketjujen kaksoissidosten vaikutus LATERAALINEN PAINEPROFIILI p KAKSOISKALVON YLI johtuu paikallisista voimista kalvon pinnan tasossa kaksoissidosten määrä kasvaa paine kalvon keskellä laskee Ollila et al, Polyunsaturation in lipid membranes: dynamic properties and lateral pressure profiles. J. Phys. Chem. B

40 Lipidien ketjujen kaksoissidosten vaikutus PAINEPROFIILI KAKSOISKALVON YLI VAIKUTUS ESIM. KALVOKANAVAPROTEIINIEN TOIMINTAAN? tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä paine kalvon keskellä laskee esim. rodopsiini toimii paremmin monityydyttymättömien lipidien kanssa! MIKSI? Ehkä sillä on vaan paremmin tilaa muuttaa 3D muotoaan

41 Lipidien epätasainen jakautuminen pinnan tasossa lipidien lauttamaisten muodostelmien arvellaan olevan tärkeässä roolissa biologisten kalvojen rakenteellisten ominaisuuksien ja sitä kautta niiden toiminnan säätelyssä esim. Simons & Ikonen, Functional rafts in cell membranes. Nature. tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Lipidilauttojen (raft) raft - koko? kaikkea >nm ehdotettu; erittäin vaikea tutkia; todennäköisesti hyvin dynaamisia - koostumus? SM & CHOL -vuorovaikutus ajava voima - merkitys kalvoproteiineille? SIMULAATIOT POPC & SM & CHOL - SEOKSILLE lipids in total - simulations of 100 ns tietyt proteiinit vaativat tietyn lipidikoostumuksen toimiakseen

42 Lipidien epätasainen jakautuminen pinnan tasossa lipidien lauttamaisten muodostelmien arvellaan olevan tärkeässä roolissa biologisten kalvojen rakenteellisten ominaisuuksien ja sitä kautta niiden toiminnan säätelyssä esim. Simons & Ikonen, Functional rafts in cell membranes. Nature. tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä Niemelä et al, Assessing the nature of lipid raft membranes. PLoS Comp. Biol. POPC:SM:CHOL = 1:1:1 SIMULAATIOT POPC & SM & CHOL - SEOKSILLE lipids in total - simulations of 100 ns POPC:SM:CHOL = 2:1:1 POPC:SM:CHOL = 62:1:1

43 Lipidien epätasainen jakautuminen pinnan tasossa tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä lipidien lauttamaisten muodostelmien arvellaan olevan tärkeässä roolissa biologisten kalvojen rakenteellisten ominaisuuksien ja sitä kautta niiden toiminnan säätelyssä esim. Simons & Ikonen, Functional rafts in cell membranes. Nature. Niemelä et al, Assessing the nature of lipid raft membranes. PLoS Comp. Biol. jo ~100 ns aikaskaalalla ja 10 nm pituusskaalalla lipidimolekyylit eivät enää satunnaisesti pinnan tasossa, vaan voidaan erottaa toisistaan, esim. ketjujen järjestyksen suhteen poikkeavia alueita 1:1:1 SIMULAATIOT POPC&SM&CHOL - SEOKSILLE 2:1: lipids in total ns simulations for each system 62:1:1

44 PERUSRAKENNUSPALIKOISTA Sokerit ~ hiilihydraatit... tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä - tärkeimmät kasvien glukoosipolymeerit - selluloosa: tärkkelys: b(1-4) linkki hyvä lujuus amyloosia/amylopektiiniä (kuten selluloosa, mutta a(1-4) / a(1-6) linkki) joustava ja helposti entsyymeillä sulatettava kasvien energiavarasto, ja suurin osa ihmisravinnosta (paitsi karppaajilla)

45 PERUSRAKENNUSPALIKOISTA Sokerit ~ hiilihydraatit... tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä - glykogeeni, eläinten glukoosipolymeeri - analoginen amylopektiinille ihmisten energiavarasto

46 PERUSRAKENNUSPALIKOISTA Sokerit ~ hiilihydraatit... tyypillisiä biomolekyylejä ja niistä koostuvia tärkeimpiä systeemejä - osana elimistön elintärkeitä rakennekomponentteja, kuten glykolipidit: sokeriosa lipidin hydrofiilisenä pääryhmänä tai sen osana glykoproteiinit: esim. solun ulkopinnalla solun puolustukseen ja tunnistukseen liittyviä tehtäviä proteoglykaanit: solun ulkoisessa verkostossa (extracellular matrix) esim. vahvasti negatiivisesti varautunut C6S (chondroitin-6-sulphate) -polymeeri kykenee tarttumaan LDL-lipoproteiineihin mahdollisesti LDL:n pinnalla olevien positiivisten Lys-rikastumien avulla rooli ateroskleroosin synnyssä?

47 Kysymyksiä...? 47