Struktura - kształt – funkcja

Ogólne reguły procesów życiowych

Rodzaje wiązań chemicznych zaangażowanych

w tworzenie makromolekuł

oddziaływania

chemia wiązania

kowalencyjne, jonowe

udział ładunku elektrycznego elektrostatyczne, nielektrostatyczne

oddziaływania ze środowiskiem

hydrofobowe

odległość (zasięg)

bliskiego i dalekiego zasięgu

energia wiązania

silne (kilkadziesiąt kcal/mol)
słabe (kilka kcal/mol)

Hierarchia struktur w procesie morfogenezy:

białko
polimer (np. włókna tubulinowe, aktynowe)
struktury mikroskopowe
organelle
komórki
tkanki
organizm

Biologia strukturalna a biochemia „rozpuszczalna”

Biochemia i biologia molekularna zajmują się wielkościami skalarnymi
takimi jak np. ilość, stężenie

Zrozumienie struktury i formy a zwłaszcza działania struktur
komórkowych wymaga poznania wielkości wektorowych tzn. takich,
które wyznaczają kierunek, miejsce, gradient stężenia itp.

stabilność oddziaływań i ich odwracalność
powinny być strukturalnie stabilne ale muszą być gotowe do przystosowania się do innych
warunków

kształt i oddziaływania - ograniczenie czynnika dyfuzyjnego

unieruchomienie
lokalizacja w komórce

- zmniejszenie częstości
zdarzeń przypadkowych

rozpoznawanie kształtu źródło specyficzności oddziaływań cząsteczek

nie może być doskonałe

błędy rozpoznawania

substrat-enzym
białko-białko
parowanie DNA itp.

konieczność istnienia mechanizmów kontrolujących powstawanie,

utrzymywania
i regulacji
sprawdzających i naprawczych w przypadku nieprawidłowości
(koszt energetyczny, pojemność informatyczna np. genomu)

Makromolekuły składają się z prostych chemicznie podjednostek

(około 40 rodzajów)

Makromolekuły tworzone są w wyniku polimeryzacji podjednostek

podjednostki połączone wiązaniami kowalencyjnymi i niekowalencyjnymi

(wiązania wodorowe, van der Waalsa, hydrofobowe)

makromolekuły

tworzenie różnorodności strukturalnej i funkcjonalnej poprzez łączenie ze sobą niewielkiej ilości
różnych podjednostek jeśli nada się pewnym układom strukturalnym pewne znaczenie –
może to prowadzić do gromadzenia informacji (pojemność informatyczna)

Możliwa jest zmiana struktury bez zmiany funkcji – zamiana jednej z podjednostek na inną o podobnych
Własnościach ważne ze względu na niemożność ścisłej (absolutnej) regulacji struktury
– dopuszczalność powstawania w układzie biologicznym błędów

Etapy tworzenia układów (struktur) biologicznych

Struktury komórkowe mogą być tworzone w wyniku

procesu samoorganizacji

Stabilne struktury komórkowe mogą być wynikiem

stanu dynamicznej równowagi

Struktura-kształt-funkcja

dlaczego samoorganizacja?

samoorganizacja – tworzenie struktur uporządkowanych na podstawie

dopasowania kształtu i działania oddziaływań słabych

np.

wirus mozaiki tytoniowej
błony lipidowe
mikrotubule
aparat Golgiego itp.

Struktura-kształt-funkcja

stabilność oddziaływań i ich odwracalność

ograniczenie czynnika dyfuzyjnego

unieruchomienie
kompartmentalizacja (różne rozmieszczenie/lokalizacja cząsteczek/struktur w komórce)

rozpoznanie kształtu cząsteczek jako jedno ze źródeł specyficzności oddziaływań

nie może być doskonałe, dopuszczalne błędy rozpoznania (substrat enzymu, parowanie zasad DNA itp.)

konieczność istnienia mechanizmów sprawdzających i naprawczych
– tworzenie bardzo skomplikowanych układów strukturalnych na podstawie dopasowania kształtu i słabych
oddziaływań bliskiego zasięgu