Osmolyty jsou malé rozpustné organické molekuly, které jsou využívány živými organismy ke kontrole rozpustnosti a struktury komplexních biomolekul, např. proteinů. Osmolyty tradičně rozdělujeme na dvě skupiny, denaturanty, jako jsou močovina, nebo krátké alkoholy a stabilizující osmolyty, jako je TMAO, betain a další. Prostředí buňky je komplexní směsí různých osmolytů. TMAO, nejsilnější stabilizující osmolyt je využíván hlubokomořskými rybami k ochraně před enormním hydrostatickým tlakem [1]. Je zajímavé, že TMAO je také schopné působit proti denaturačnímu efektu močoviny. Směsem těchto osmolytů byl věnován intenzivní experimentální a teoretický výzkum [2, 3], který se zabýval původem a mechanismem jejich vzájemného protipůsobení. Betain, vyskytující se v rostlinách je chemickým složením a strukturou …podobný TMAO [4], také dokáže kompenzovat denaturační účinky močoviny. Mechanismus jeho účinku je zatím neznámý. V této práci jsme použili kombinaci experimentálních technik (měření hustoty a osmometrii) a aparátem Kirkwoodovy-Buffovy inverze jsme provedli termodynamickou analýzu směsí močovina-betain [5, 6]. Skutečné párové interakce v těchto roztocích jsme kvantifikovali prostřednictvím Kirkwoodových-Buffových integrálů, které jsou využívány našimi spolupracovníky (Prof. Joan-Emma Shea, ústav chemie a biochemie, UC Santa Barbara) ke kalibraci silových polí pro molekulárně dynamické simulace, které následně poskytnou vhled do struktury roztoku. V závěrečné části této diplomové práce se student pokusí změřit a vyhodnotit interakci mezi osmolyty, resp. směsmi osmolytů, a vybranými polymery, nebo biomolekulami [7]. Tyto experimenty poslouží jako prubířský kámen plánovaným molekulárně dynamickým simulacím, které mají kvantitativně modelovat denaturace a renaturace proteinů.
ANNOTATION
Osmolytes, well soluble small organic molecules, are used by living organisms to control the solubility and structure of complex biomolecules e.g. proteins. Two groups of osmolytes are available, denaturing agents, such as urea or short alcohols, and protecting agents, such as TMAO, betaine etc. Naturally, the cell environment is a complex mixture of various osmolytes. TMAO, the strongest natural osmoprotectant is employed by deep see fish to compensate for the enormous hydrostatic pressure [1]. Interestingly, TMAO is able to counteract the denaturing ability of urea, and their mixtures attracted recently joint experimental and theoretical research [2, 3], aiming the understanding of origins and mechanism of this counteraction. Betaine, chemically similar to TMAO, is more abundant in plants [4] and is …also able to counteract denaturing effect of urea, yet the mechanism of action is unknown. In this work, we have employed combination of experimental techniques (densimetry, osmometry) and within the apparatus of Kirkwood-Buff inversion we have perform thermodynamic analysis of urea-betaine-water mixtures [5,6]. We quantified the true pair interactions in the mixed solution, so called Kirkwood-Buff integrals, which are used by our collaborators (Prof. Joan-Emma Shea, departement Chemistry and Biochemistry, UC Santa Barbara) for force-field calibration in molecular dynamics simulations, and gathering microscopic insight in the solution structure. In the final part of the project, student will attempt to investigate the interaction of osmolytes and osmolytes' mixtures with selected polymers or biomolecules [7]. These experiments will serve as a stringent test of planned molecular dynamics simulations of quantitative protein denaturation and renaturation studies.
