Διαλέξεις Χημείας -2014 Αγγελική Μαγκλάρα, PhD Εργαστήριο Κλινικής Χημείας Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Ιωαννίνων
1. Συστατικά 1. Ριβόζη-Δεοξυριβόζη 2. Πουρίνες-Πυριμιδίνες 2. Νουκλεοσίδια ή νουκλεοζίτες 3. Νουκλεοτίδια 1. Δομή 2. Κυκλικά νουκλεοτίδια 3. ΑΤΡ (σύνθεση, υδρόλυση, βιολογική δράση) 4. Δινουκλεοτίδια 1. Φωσφοδιεστερικός δεσμός 2. ΝΑD και FAD
Δομή νουκλεοτιδίων Φωσφορικό οξύ Πεντόζη ριβόζη δεοξυριβόζη Αζωτούχος βάση πουρίνες αδενίνη γουανίνη πυριμιδίνες θυμίνη κυτοσίνη ουρακίλη αζωτούχος βάση φωσφορική ομάδα πεντόζη
Σάκχαρα αλδοπεντόζες δομή φουρανόζης Ριβόζη RNA 2-Δεοξυριβόζη DNA
Αζωτούχες βάσεις Πυριμιδίνες 6-μελείς ετεροκυκλικές αρωματικές αμίνες διαζίνες Νουκλεοβάσεις C, T DNA C, U RNA
Αζωτούχες βάσεις Πουρίνες Αρωματικές ετεροκυκλικές ενώσεις (αμίνες) Νουκλεοβάσεις (A, G) Ενδιάμεσα καταβολισμού πουρινών Διεγερτικά καφεΐνη θεοβρωμίνη
πουρίνες ξανθίνη υποξανθίνη ουρικό οξύ αποβάλλεται με τα ούρα συγκέντρωση υπερουριχαιμία κρυστάλλους ουρική αθρίτιδα (ποδάγρα) διαβήτη πέτρες στα νεφρά(5-10%) Ουρική αθρίτιδα
Lesch-Nyhan syndrome φυλοσύνδετη υπολειπόμενη ασθένεια έλλειψη της φωσφοριβοσυλμεταφοράσης της γουανίνης-υποξανθίνης Συμπτώματα: υπερουριχαιμία νευρολογικές διαταραχές αυτο-ακρωτηριασμός
Χημικές ιδιότητες Ταυτομερή βάσεων T,G,U υπάρχουν και σαν ταυτομερή: Lactam (keto-) Lactim (enol-) σε ph=7 oι σταθερές μορφές είναι οι lactam Ταυτομέρεια: Είδος συντακτικής ισομέρειας στην οποία τα ισομερή διαφέρουν μόνο ως προς την θέση ενός ατόμου Η και ενός διπλού δεσμού. Τα ταυτομερή βρίσκονται σε χημική ισορροπία και αλληλομετατρέπονται στις διάφορες μορφές τους.
Χημικές ιδιότητες Ταυτομερή βάσεων A και C υπάρχουν σαν ταυτομερή: αμινο- ιμινο- σε ph=7 oι σταθερές μορφές είναι οι αμινο-
Χημικές ιδιότητες Απορρόφηση στο υπεριώδες Μέγιστη απορρόφηση στα ~260 nm Ποσοτική μέτρηση βάσεων και DNA Αποστείρωση Μεταλλάξεις καρκινογένεση
Ασθενείς βάσεις διίστανται Επίπεδος αρωματικός δακτύλιος Ταυτομέρεια Ισχυρή απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας Ελάχιστα υδατοδιαλυτές
Μεθυλίωση του DNA επιγενετικός μηχανισμός ανενεργοποίηση γονιδίων DNAμεθυλτρανσφεράσες S-αδενοσυλ-μεθειονίνη (δότης) mc hmc (2009) ΤΕΤ: διοξυγενάσες ενδιάμεσο στάδιο απομεθυλίωσης ρύθμιση γονιδιακής έκφρασης κυτοσίνη * 5-μεθυλκυτοσίνη 5-υδροξυμεθυλκυτοσίνη * DNA methyltransferase ** Ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase **
β-γλυκοζιτικός δεσμός μεταξύ ανωμερικού ατόμου C1 της πεντόζης και: -Ν1 στις πυριμιδίνες -Ν9 στις πουρίνες Σάκχαρο σε μορφή φουρανόζης Ν-γλυκοζίτες πουρινών/πυριμιδινών με D-ριβοφουρανόζη ή με 2-δεοξυ-D-ριβοφουρανόζη.
HO 5' 4' 3' HO O 8 2' X N N 1' 7 NH 2 RNA: X= OH, adenosine (A) DNA: X= H, 2'-deoxyadenosine (da) 9 5 4 N 3 6 N 1 2 HO HO O X N N O N NH NH 2 RNA: X= OH, guanosine (G) DNA: X= H, 2'-deoxyguanosine (dg) HO 4' 3' HO 5 O X NH 2 RNA: X= OH, cytidine (C) DNA: X= H, 2'-deoxycytidine (dc) 4 2' N 1' N 6 1 5' 2 3 O O HO H 3 C O N NH O HO DNA: thymidine (T) O HO O N NH O HO OH RNA: R= H, uridine (U)
Ελεύθερα σε μεγάλες ποσότητες στο κύτταρο. Ισχυρά οξέα λόγω φωσφορικού. Σε ph=7, βρίσκονται σε μορφή ανιόντος PO3 =. Φωσφορικοί εστέρες νουκλεοσιδίων
φωσφοανυδριτικός δεσμός φωσφοεστερικός δεσμός
Μονοφωσφορική αδενοσίνη Μονοφωσφορική γουανοσίνη Μονοφωσφορική κυτιδίνη Μονοφωσφορική ουριδίνη
Δεύτεροι αγγελιοφόροι (second messengers) ορμονικό ερέθισμα ενεργοποίηση πρωτεϊνικών κινασών camp μεταβολισμό γλυκογόνου, λιπίδίων cgmp δράση ακετυλοχολίνης στους μύες δράση PG2α ΑΤΡ camp (αδενυλική κυκλάση) GTP cgμp (γουανυλική κυκλάση) camp AMP (φωσφοδιεστεράση)
ATP Eνεργειακό νόμισμα κυττάρου Τριφωσφορική αδενοσίνη δεσμοί υψηλής ενέργειας Σύνθεση στα μιτοχόνδρια (κυτταρική αναπνοή) καί χλωροπλάστες (φωτοσφωσφορυλίωση)
+Η2Ο -Η4Ρ2Ο7
ATP Ρόλος-Βιολογική δράση Λειτουργίες: βιοσύνθεση μηχανική εργασία μυϊκή συστολή κινητικότητα σπερματοζωαρίων διαχωρισμός χρωμοσωμάτων μεταφορά νευρικών παλμών ενεργητική μεταφορά δότης φωσφορικών ομάδων μετατροπή σε camp, AMP, ADP
Φωσφοδιεστερικός δεσμός Ολιγονουκλεοτίδια μεταξύ ΟΗ του 3 C του ενός νουκλεοτιδίου και της φωσφ.ομάδας του 5 C του επόμενου 3-5 φ.δ. δεσμός ελεύθερο 5 άκρο Μέχρι 50 νουκλεοτίδια ολιγονουκλεοτίδια ελεύθερο 3 άκρο
NAD + και FAD Σημαντικά παράγωγα δινουκλεοτιδίων ΝΑD(P) + Νουκλεοτίδιο νικοτιναμιδίου (μορφή βιτ.β3)+αμρ FAD ριβοφλαβίνη (βιτ.β2) + ΑDP NAD +, NADH FAD, FADH2 συνένζυμα οξειδωαναγωγικές αντιδράσεις μεταβολισμού ριβόζη αδενίνη ριβόζη nicotinamide adenine (phosphate) dinucleotide flavine adenine dinucleotide
Γονιδίωμα, γονιδιακή έκφραση. Δομικές μονάδες νουκλεϊκών οξέων (DNA-RNA) Ενέργεια ΑΤP (ενεργειακό νόμισμα κυττάρου) Ενεργοποίηση μεταβολιτών σε βιοσυνθετικές οδούς UDP-γλυκόζη γλυκογόνο CDP-διακυλογκλυκερόλη φωσφογλυκερίδια Συστατικά συνενζύμων NAD(P) +, FAD και CoA Μεταγωγή σήματος camp και cgmp είναι δευτερογενείς αγγελιοφόροι ΑΤΡ φωσφορυλίωση πρωτεϊνών
Διπλή έλικα του DNA Iστορική αναδρομή 1944: Avery, MacLeod & McCarty Πειραματική απόδειξη ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό. 1950: Chargaff - ανάλυση DNA από πολλούς οργανισμούς Διαφορετικό περιεχόμενο σε A,T, C & G Πάντα όμως: %A=%T και %C=%G (Chargaff Rule) 1953: R.Franklin-απόδειξη της έλικας του DNA (κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ) 1953: Watson & Crick μοντέλο για τη δομή της διπλής έλικας του DNA
δεξιόστροφη διπλή έλικα από αντιπαράλληλες αλυσίδες β-dna βάσεις στοιβαγμένες στο εσωτερικό Δεσμοί Η Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις δεοξυριβόζη και φωσφορικές ομάδες προς το εξωτερικό αρνητικό φορτίο
β- DNA Δευτεροταγής δομή του DNA βήμα της έλικας 3.4 nm με 10 ζεύγη βάσεων διαδοχικές βάσεις 0.34 nm διάμετρος 2 nm αύλακες (grooves) μεγάλη (12Å εύρος) μικρή (6Å) μεγάλη αύλακα μικρή αύλακα 10 ζεύγη βάσεων/πλήρη στροφή
α-dna β-dna z-dna
αριστερόστροφη έλικα ζιγκ-ζαγκ φωσφοδιεστερικός σκελετός εναλλασσόμενες πουρίνες και πυριμιδίνες ασταθής και παροδική δομή του DNA ίσως παίζει ρόλο κατά τη μεταγραφή
DNA περιελιγμένο γύρω από πρωτεϊνικό «πυρήνα» ιστονών ιστόνες 2H2Α 2H2B 2H3 2H4
Noυκλεόσωμα Τριτοταγής δομή του DNA Δομική μονάδα χρωματίνης πακετάρισμα DNA περιέχει 1.67 στροφές DNA = 146 ζεύγη βάσεων. Linker DNA~50bp
Eπιγενετική Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις ιστονών Οι «ουρές» των ιστονών (κυρίως Η3 και Η4) υφίστανται χημικές τροποποιήσεις. Ακετυλίωση Μεθυλίωση Φωσφορυλίωση κλπ Επιγενετικός μηχανισμός ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης. ΌΧΙ αλλαγές στην αλληλουχία του DNA Σημαντικό ρόλο σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις.
Aποδιάταξη DNA Με αύξηση της Τ το δίκλωνο DNA μονόκλωνο Αύξηση της Α στα 260 nm κατά την αποδιάταξη oι αρωματικές βάσεις έχουν μεγαλύτερη απορρόφηση Τm: Τ όπου το 50% του DNA είναι αποδιαταγμένο σύσταση βάσεων μήκος μορίου ιοντική ισχύ δ/τος Επαναδιάταξη ή υβριδισμός με μείωση της θερμοκρασίας
Γιατί το DNA περιέχει δεοξυριβόζη και όχι ριβόζη; Το ΟΗ το κάνει πιο ευαίσθητο σε υδρόλυση. Γιατί το DNA περιέχει θυμίνη (Τ) και όχι ουρακίλη (U); Η κυτοσίνη απαμινώνεται συχνά προς ουρακίλη. Τα ένζυμα επιδιόρθωσης DNA αναγνωρίζουν αυτό το λάθος και αντικαθιστούν την U με C. Δεν μπορούν να διακρίνουν τη φυσική U από την U που προκύπτει από C. Η φύση έλυσε το πρόβλημα με τη χρήση στο DNA Τ (5-μεθυλο-U) αντί U.