Βιοφυσική. ΦΥΣ 415 Διδάσκων Σ. Σκούρτης (χειμερινό εξάμηνο ) 1 η Διάλεξη

Transcript

1 Βιοφυσική ΦΥΣ 415 Διδάσκων Σ. Σκούρτης (χειμερινό εξάμηνο ) 1 η Διάλεξη

2 Δύο άλλα παραδείγματα βιολογικής δράσης (και σύγκρισή τους σε ατομικό επίπεδο) Φωτοσύνθεση Επιδιόρθωση του DNA από τη DNA φωτολυάση Σε ατομικό επίπεδο: δρούν με παρόμοιους μηχανισμούς (λαμβάνουν χώρα παρόμοια φυσικά φαινόμενα)

3 Φωτοσύνθεση Μετατροπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε χημικούς δεσμούς Τα αρχικά στάδια λαμβάνουν χώρα σε μοριακά σύμπλοκα που αποτελούνται από πρωτεΐνες και άλλα μόρια. Τα σύμπλοκα βρίσκονται μέσα σε κυτταρικές μεμβράνες Η απορρόφηση φωτονίων από τα σύμπλοκα προκαλεί: -μεταφορά ηλεκτρονίων κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης -μεταφορά πρωτονίων από τη μία μεριά της μεμβράνης στην άλλη

4 Φωτοσυστήματα (PSI, PSII) Απορροφούν φωτόνια και εκτελούν τις αρχικές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων Σε κάθε φωτοσύστημα οι αρχικές μετατοπίσεις ηλεκτρονίων λαμβάνουν χώρα στο φωτοσυνθετικό κέντρο

5 Φωτοσύστημα PS II - μόρια αντένες απορροφoύν την ενέργεια των φωτονίων την εκπέμπουν σε μόρια δότες ηλεκτρονίων -μόρια δότες και δέκτες ηλεκτρονίων Το ηλεκτρόνιο μεταφέρεται από τα μόρια δότες στα μόρια δέκτες

6 G. Feher, J. P. Allen, M.Y. Okamura and D.C. Rees Nature 1989, 6620, 111 Πειραματική Μέθοδος για μέτρηση χρόνων μετάβασης: Ταχεία φασματοσκοπία Laser (Πολλά Nobel)

7 Σχέση δομής (δυναμικής) - λειτουργίας για το φωτοσυνθετικό κέντρο Η μεταφορά των ηλεκτρονίων γίνεται με μεγάλη αποδοτικότητα: Για κάθε φωτόνιο που απορροφάται, ένα ηλεκτρόνιο μεταφέρεται Πως τα καταφέρνει το φωτοσυνθετικό κέντρο;

8 Φυσικά φαινόμενα που παρατηρούνται στο φωτοσυνθετικό κέντρο (και χρησιμοποιούνται από αυτό) Απορρόφηση και εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φωτονίων) Κίνηση ηλεκτρονίων μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγας (tunneling) Πειραματική δομή Θεωρητική και υπολογιστική φυσική Πρόβλεψη των πειραματικών χρόνων μετάβασης του ηλεκτρονίου

9 Το φωτοσυνθετικό κέντρο είναι δομημένο έτσι ώστε: (1) η αρχική μεταφορά ηλεκτρονίου να είναι πολύ γρήγορη για να αποφεύγεται η αποδιέγερση του ηλεκτρονίου χρόνος αποδιέγερσης 10-8 δευτ ps=10-12 δευτ μs=10-9 δευτ (2) οι αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίου να είναι μόνο ως προς μία κατεύθυνση για να απομακρύνουν το διεγερμένο ηλεκτρόνιο από την αρχική του θέση

10 Τα ίδια φυσικά φαινόμενα & μηχανισμοί Διαφορετική βιολογική λειτουργία Επιδιόρθωση του DNA από τη DNA φωτολυάση

11 Απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας από το DNA οδηγήσει σε βλάβες που παραμορφώνουν τη δομή του (διπλή έλικα). Η παραμόρφωση της δομής προκαλεί ασθένειες όπως, π.χ., καρκίνος του δέρματος. Σε διάφορους οργανισμούς (π.χ. ερπετά), το DNA επιδιορθώνεται από την πρωτεΐνη DNA φωτολυάση.

12 Κατεστραμμένο DNA Σφάλμα A. Shancar Chem. Rev. 2003, 103, 2203 A. Mees, T. Klar, P. Gnau, U Hennecke, A. P. M. Eker, T. Carell, L.-O. Essen Science 2004, 306, 1789

13 Δομή της DNA φωτολυάσης Μόριο αντένα Μόριο δότης ηλεκτρονίου Περιοχή ένωσης με DNA A. Shancar Chem. Rev. 2003, 103, 2203

14 Η φωτολυάση αναγνωρίζει το σημείο σφάλματος στην παραμορφωμένη έλικα του DNA. Κολλάει στο DNA (στο σημείο του σφάλματος) και τραβάει το κατεστραμμένο κομμάτι του DNA στο εσωτερικό της Το κατεστραμμένο κομμάτι καταλήγει δίπλα στo μόριο δότη ηλεκτρονίου

15 Πειραματική δομή συμπλόκου DNA-DNA φωτολυάσης (2004) Το μόριο αντένα απορροφά φωτόνιο DNA Η αντένα εκπέμπει φωτόνιο στο μόριο δότη, Η ενέργεια απορροφάται από ηλεκτρ. δότη Σφάλμα Δότης ηλεκτρονίου Αντένα Το ηλεκτρ. Του δότη μεταφέρεται από δότη στο σφάλμα Mees et al. Science 306, (2004) Ξεκινά η διαδικασία επιδιόρθωσης

16 Θεωρητική και υπολογιστική βιοφυσική Μηχανισμός φωτοδιέγερσης-ηλεκτρονιακής ηλεκτρονιακής μετάβασης Σφάλμα του DNA δέκτης ηλεκτρονίου Μόριο δότης ηλεκτρονίου -e -e hν Φωτοδιέγερση Χρόνος μετάβασης: δευτερόλεπτα

17 ΜΕΡΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Μελετώντας τα βιολογικά συστήματα σε ατομικό/μοριακό μοριακό επίπεδο: -κατανοούμε τον τρόπο με τον οποίο οι θεμελιώδεις φυσικοί νόμοι καθορίζουν τη βιολογική δράση -παρατηρούμε ότι φαινομενικά διαφορετικές βιολογικές λειτουργίες διέπονται από παρόμοιους φυσικούς μηχανισμούς -Συνειδητοποιούμε ότι η φύση έχει σχεδιάσει με έξυπνο τρόπο μοριακά συστήματα έτσι ώστε να επιτελούν συγκεκριμένους σκοπούς (μοριακές μηχανές)