Slabe kemijske veze, kemijski sastav stanice, DNA

Transcript

1 Slabe kemijske veze, kemijski sastav stanice, DNA

2 Definicija i područje interesa molekularne biologije Funkcija Biokemija Genetika Proteini Geni Molekularna biologija Molekularna biologija sinteza genetike i biokemije Izraz prvi put upotrijebio kemičar William Astburg, godine Molekularna biologija - proučava fundamentalne biološke pojave i procese na razini molekula.

3 Centralna dogma molekularne biologije općenito DNA RNA PROTEINI specijalno

4 Bakterija, Escherichia coli Prokariotski model i jedan od glavnih modela u molekularnoj biologiji Najbolje istražena vrsta Prirodni stanovnik crijeva čovjeka Štapićasta, gram negativna, duga 2 um, široka 1 um Jednostavan uzgoja u laboratoriju (krute i tekuće podloge) Razmnožavanje, svakih 20 minuta Genom 4,6 milijuna pb gena Prvi podaci o strukturi i funkciji gena, replikaciji, transkripciji, translaciji

5 Usporedba kemijskog sastava tipične bakterijske (E. coli) i animalne stanice Udio u ukupnoj masi stanice Sastojak E. coli Animalna stanica Voda (H 2 o) Anorganski ioni (Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Cl -, itd) Mali metaboliti (šećeri, nukleotidi, 0,5 nm ø) Proteini RNA 6 1,1 DNA 1 0,25 Fosfolipidi 2 3 Ostali lipidi - 2 Polisaharidi 2 2 Ukupni stanični volumen 2 x cm 3 2 x 10-9 cm 3 Relativni stanični volumen

6 Ostali modelni organizmi u molekularnoj biologiji Modelni organizmi - zbog niza pogodnosti osobito puno proučavani Jednostavnost laboratorijskog uzgoja, brzi razvoj do adultnog stadija, kratak životni ciklus, brojno potomstvo, mala veličina tijela i slično Genom sekvenciran Virusi Kvasac, Saccharomyces cerevisiae Oblić, Caenorhabditis elegans Mušica, Drosophila melanogaster Cvjetnica, Arabidopsis thaliana Ribe, Danio rerio, Fugu rubripes Miš, Mus musculus

7 Važnost slabih, nekovalentnih, kemijskih veza u biološkim sustavima Slabe, nekovalentne, kemijske veze: Vodikove veze Van der Waalsove veze Ionske veze Hidrofobne sile (veze)

8 1. Vodikove veze Dva elektronegativna atoma (primjerice N i O) dijele jedan atom vodika Ima tek 1/20 snage jednostruke kovalentne veze Najjače su kad su sva tri atoma u istoj ravnini Između molekula vode Između aminokiselina međusobno povezanih u polipeptidnom lancu Između dušikovih baza u nukleinskim kiselinama (G C i A=T) itd.

9 2. Van der Waalsove sile Na vrlo malim udaljenostima bilo koja dva atoma povezivat će slabe privlačne Van der Waalsove sile Daljnjim približavanjem atoma javit će se sile odbijanja ENERGIJA ODBIJANJA ENERGIJA PRIVLAČENJA UDALJENOST IZMEĐU ATOMA

10 3. Ionske veze Javljaju se između potpuno ili djelomično nabijenih grupa U vodenoj sredini vrlo slabe (stanica je 70% voda) U vakumu i u odsutnosti vode vrlo jake odgovorne za čvrstoću minerala poput mramora Ipak, vrlo važne u biološkim sustavima (npr. enzim-supstrat)

11 4. Hidrofobne sile Nastaju kada se nepolarne hidrofobne molekule nađu u vodenoj sredini Uređena mreža molekula vode prisiljava hidrofobne grupe da se približe jedne drugima Time se minimalizira njihove destruktivni utjecaj na mrežu molekula vode Naknadno povezivanje npr. Van der Waalsovim silama

12 Važnost slabih kemijskih veza u biološkim sustavima Slabe kemijske veze djeluju na dvije razine: Intramolekularno Intermolekularno 1. Intramolekularno djelovanje unutar jedne makromolekule određuje njezinu prostornu konformaciju Primjer: Dvolančana DNA zavojnica vodikove veze između adenina i timina te gvanina i citozina

13 Važnost slabih kemijskih veza u biološkim sustavima Primjer: prostorna struktura proteina Prosječni protein u E. coli ima 300 aminokiselina - nanizane u lanac stvorile bi nit dugačku 100 nm Uslijed slabih kemijskih veza protein se savija i poprima točno definirani oblik skraćuje se na 40-ak nm. Prostorna konformacija proteina bitna je za njegovu funkciju

14 Aminokiseline Hidrofobne aminokiseline (9) Hidrofilne aminokiseline (11)

15 a) Primarna struktura: Četiri razine smatanja proteina - Slijed aminokiselina u polipeptidnom lancu - Aminokiseline su međusobno povezane kovalentnim peptidnim vezama Polipeptidi sadrže stotine ili tisuće ak. Svaki polipetid ima dva različita kraja: N-kraj (N terminus) C kraj (C terminus)

16 Važnost slabih kemijskih veza u biološkim sustavima b) Sekundarna struktura: - Pravilni raspored aminokiselina unutar određene regije polipeptida - Slabe kemijske veze javljaju se u pravilnim intervalima između CO i NH skupina: - α- uzvojnica - dio polipetidnog lanca ovijen oko svoje osi, CO skupina jedne a.k. stvara vodikovu vezu s NH skupinom četvrte a.k. - β-ploča - dva dijela polipeptidnog lanca leže jedan do drugoga povezani vodikovim vezama između CO i NH

17 Važnost slabih kemijskih veza u biološkim sustavima c) Tercijarna struktura - Rezultat je interakcija između bočnih ogranaka aminokiselina - Slabe kemijske veze javljaju se u nepravilnim intervalima - α- uzvojnice i β-ploče povezuju međusobno regijama petlji i smataju u globularne domene - Ključan položaj hidrofobnih aminokiselina u unutrašnjosti proteina i hidrofilnih aminokiselina na površini proteina Ribonukleaza, RNaza - Mali proteini (ribonukleaza i mioglobin) jedna domena Mioglobin, 153 ak., hem skupina je vezno mjesto za kisik

18 Važnost slabih kemijskih veza u biološkim sustavima d) Kvarterna struktura - Povezivanje više polipeptidnih lanaca - Primjer hemoglobin tetramerni protein

19 Važnost slabih kemijskih veza u biološkim sustavima 2. Intermolekularno djelovanje - prepoznavanje i interakcije između makromolekula Primjeri: Enzim supstrat Antigen antitijelo i mnogi drugi

20 Kemijski sastav i struktura DNA Model dvolančane zavojnice

21 Kemijski sastav i struktura DNA Nukleinske kiseline otkrio Friedrich Miescher, švicarski biokemičar godine Kisela tvar bogata fosforom nukelin Hidrolizom dokazano da se DNA sastoji od tri osnovne komponente Fosforne kiseline Šećera Dušikovih baza

22 Kemijski sastav i struktura DNA 1. Fosfatna kiselina H 3 PO 4 Netoksična, vrlo polarna, visoko topiva u vodi Fosfatni ion s hidroksilnom skupinom deoksiriboze i riboze stvara fosfatni ester Mono, -di, tri fosfatni esteri, npr. AMP, ADP, ATP Hidrolizom kisele anhidridske veze P-O-P između 2 fosfata oslobađa se energija za kemijske procese Fosfati odgovorni za ukupno negativan naboj DNA molekule i njezina kisela svojstva

23 Kemijski sastav i struktura DNA 2. Šećer Deoksiriboza u DNA Nema hidroksilnu skupinu na C2 Stabilnija od riboze Riboza u RNA -

24 Kemijski sastav i struktura DNA 3. Dušikove baze PIRIMIDINI CITOZIN=2-keto-4-aminopirimidin TIMIN=2,4-diketo-5-metilpirimidin (5-metiluracil) URACIL=2,4-diketopirimidin PURINI ADENIN=6-aminopurin GVANIN=2-amino-6-ketopurin

25 Kemijske veze između elemenata nukleotida Fosfatno-esterska veza: fosfat i šećer Pirimidinska N-glikozidna veza C1 - N1 Purinska N-glikozidna veza C1 - N9 N-glikozidna veza: šećer i dušikova baza

26 Nukleotid i nukleozid Nukelozid Baza - Nukelozid Adenin (deoksi) adenozin Gvanin (deoksi) gvanozin Timin (deoksi) timidin Citozin (deoksi) citidin Uracil (deoksi) uridin Nukleotid Baza- Nukleotid Adenin (deoksi) adenozin trifosfat Gvanin (deoksi) gvanozin trifosfat Timin (deoksi) timidin trifosfat Citozin (deoksi) citidin trifosfat Uracil (deoksi) uridin trifosfat

27 Povezivanje nukleotida u polinukleotidni lanac 5 3 fosfatno-diesterskom vezom Novi dntp povezuje se s 3 OH krajem

28 Chargaffovo pravilo godine, Erwin Chargaff analizira udjele pojedinih dušikovih baza u DNA molekulama različitih vrsta Zaključci: DNA sastav je vrsno specifičan Isti u različitim tkivima jednog organizma A:T=1:1 i G:C=1:1 A+T G+C Danas govorimo o CG sadržaju (postotku) neke DNA CG postotak varira među srodnim vrstama kod nižih, primitivnijih životinja CG postotak manje varira među evolucijski razvijenijim oblicima U sisavaca je vrlo sličan, oko 40%

29 Model DNA Početkom 1950-te godine, potraga za objašnjenjem prostorne strukture (arhitekture) DNA Linus Pauling, California, SAD DNA trolančana, fosfati u unutrašnjosti povezani H-mostovima Maurice Wilkins i Rosalind Franklin, London, istraživanja DNA kristalografijom X-zrakama

30 Model DNA James Watson, Amerikanac i Francis Crick, Englez, Rade model DNA od žice Spiralna forma DNA 2 lanca Jedinstvena širina od 2 nm Razmak među bazama 0,34 nm U početku smještali fosfatno-šećernu okosnicu unutar spirale Naknadno stavili baze u unutrašnjost lanca Ključno pitanje: koje se baze povezuju međusobno

31 Model dvostruke zavojnice DNA Watson, J. i Crick, F objavili rad o prostornoj strukturi DNA u časopisu Nature Osnovne postavke modela dvostruke zavojnice DNA molekula sastoji se od dva polinukleotidna lanca, savijena u obliku dvostruke zavojnice Šećerno-fosfatna okosnica nalazi se izvana, a unutar nje su dušikove baze. Baze se po principu komplementarnosti sparuju vodikovim vezama A=T i G C Dva polinukleotidna lanca nisu identična nego komplementarna Dva polinukleotidna lanca su antiparalelna ( jedan preokrenut za 180 u odnosu na drugi). Genetička poruka zapisana je u karakterističnom slijedu pirinskih i pirimidinskih baza J. Watson, F. Crick i M. Wilkins Nobelova nagrada za medicinu Rosalind Franklin nije dobila nagradu jer je umrla od posljedica zračenja na poslu Nobelova nagrada ne dodjeljuje se posthumno

32

33 Model dvostruke zavojnice DNA

34 Model dvostruke zavojnice DNA U prirodi najčešća B forma A forma kompaktnija, 11 pb po zavoju i manje hidrirana Z forma pronađena u kristalima sintetički dobivene DNA, 12 pb po zavoju B i A forma desno, a Z forma lijevo savijena

35 RNA Nastaju transkripcijom na kalupu DNA Osnovne razlike RNA u odnosu na DNA 1. Riboza umjesto deoksiriboze 2. Uracil umjesto timina 3. Jednolančane molekula s mogućnošću poprimanja različitih prostornih struktura RNA molekule mogu poprimati raznolike prostorne konformacije