Woda

1
Woda

• Budowa i wlasciwosci

2
Budowa molekularna


H
r
r
H
?

• r 1,38 10-10 m
• 104,5 109,5º
• OH 0,96 1,00 10-10 m

O
--
3
Charakterystyka czasteczki wody

• Kowalencyjne wiazania miedzy atomami tworzacymi
  czasteczke
• Kowalencyjne wiazania miedzy czasteczkami wody
  gdzie tlen jest akceptorem elektronu a grupa OH
  donorem ich liczba zalezy od stanu skupienia
  wody (lód zawiera 4)
• Posiada wlasciwosci polarne wynikajace z
  rozmieszczenia ladunków, a jej moment dipolowy
  wynosi
• 0.61 10-27 C m

4
Struktura tetraedryczna lodu

• Charakterystyka
• Kazdy wierzcholek tetraedru zawiera czasteczke
  wody
• Odleglosc miedzy atomami tlenu wynosi 2,76
  10-10 m
• Odleglosci miedzy tlenem i wodorem tej samej
  czasteczki wynosza 0,99 10-10 m
• Odleglosci miedzy tlenem i wodorem sasiednich
  czasteczek wynosza 1,77 10-10 m

5
Struktura krystaliczna lodu

1. Zalezy od cisnienia i temperatury
2. W normalnych warunkach gestosc lodu wynosi 920 kg
   m-3 a strukture tworza pierscienie
   szescioczlonowe ulozone w pomarszczone warstwy

6
Struktura krystaliczna lodu

• Kazda czasteczka otoczona przez 4 inne (3 w tej
  samej warstwie i 1 w nastepnej),
• Uklad czasteczek tworzy regularny czworoscian w
  którym poszczególne tetraedry oddalone sa o 4,5
  10-10 m
• Atomy wodoru oscyluja wokól atomów tlenu w
  odleglosci 0,96 10-10 m
• Nie jest struktura sztywna ze wzgledu na duzy
  udzial wolnej przestrzeni (ok. 66)
• Duzy udzial wolnej przestrzeni decyduje o
  kruchosci i porowatosci lodu.

7
Charakterystyka wody w stanie cieklym

1. Nie jest dokladnie poznana (dotyczy to zwlaszcza
   wody obecnej w ukladach biologicznych)
2. Zachowuje czesc wiazan wodorowych
3. We wspólczesnych modelach zaklada sie
   wystepowanie obszarów nieuporzadkowanych i
   uporzadkowanych kulistych (klatrat) lub
   pentagonalnych

8
Charakterystyka wody w stanie cieklym
Energia potrzebna do zerwania wiazan wodorowych w
lodzie (cieplo topnienia) 333 kJ kg-1 Ta sama
energia w przypadku wody cieklej (cieplo
parowania) 2260 kJ kg-1 Wartosci te wskazuja,
ze podczas topnienia lodu zrywanych jest tylko
15 wiazan wodorowych
9
Charakterystyka wody w stanie cieklym

• Elementy klaretowe skladaja sie z 20 czasteczek
  rozlozonych równomiernie po powierzchni kuli,
  przypomina pilke o bokach z 12 regularnych
  piecioboków. W jej wnetrzu znajduje sie zwiazana
  cza steczka wody lub inna. Odleglosci miedzy
  atomami wieksze niz w strukturze lodu,
• Elementy pentagonalne zawieraja na krawedziach
  czworoboki ze zwinietymi naroznikami. Struktura
  posrednia miedzy klaretem i lodem.

10
Zmiany wlasciwosci wody w obecnosci
makroczasteczek

• Zmiany temperatury powoduja nieliniowe zmiany
  parametrów wody, tj. gestosc, lepkosc, napiecie
  powierzchniowe, cieplo wlasciwe i cieplo
  parowania na skutek zmian struktury czasteczki
• Bipolimery, za posrednictwem powierzchni
  granicznych, stabilizuja struktury czasteczki
  wody w czasie i przestrzeni
• Polaczenia miedzy woda a biopolimerami zmieniaja
  sie z czestotliwoscia 1011 s-1. Ich przykladem sa
  wiazania wodorowe pomiedzy woda a grupami
  aminowymi i karboksylowymi bialek, które powoduja
  zmiany struktury w bialkach

11
Kwasy nukleinowe

• Biofizyka makroczasteczek c.d.

12
Kwasy nukleinowe (NA)
13
Lokalizacja DNA w jadrze komórkowym
14
Polaczenia DNA i histonów w jadrze komórkowym
15
Funkcje biologiczne

• Makroczasteczki o wlasciwosciach polinukleotydów
  i wysokiej masie czasteczkowej,

16
Funkcje biologiczne

• Makroczasteczki o wlasciwosciach polinukleotydów
  i wysokiej masie czasteczkowej,
• Tworza strukture genów i bezposrednio biora
  udzial w biosyntezie bialka.

17
Wlasciwosci chemiczne

• Ze wzgledu na udzial 3 atomów H w czasteczce
  H3PO4 i reszty pentozy tworzy jednozasadowa
  strukture diestrowa,
• pK reakcji jonizacji wynosi ok. 1,0, co decyduje
  o stabilnosci przy niskich wartosciach pH,
• Maja sklonnosc do latwego tworzenia soli
  nukleinianów, powstajacych z udzialem anionu
  nukleinowego,
• Reszty cukrowcowe lacza sie z heterocyklicznymi
  zasadami azotowymi za posrednictwem wiazan
  N-glikozydowych

18
Wlasciwosci chemiczne

• Pentozy wystepuja w formie ?-furanozowej,
• Ryboza w goracych kwasach przeksztalca sie w
  furfural, co stanowi podstawe reakcji
  orcynolowej,
• Deoksyryboza w podobnym srodowisku tworzy kwas
  ?-hydroksylewulinowy, który reaguje z
  difenyloamina,
• Ze wzgledu na wiazania N-glikozydowe kwasy
  nukleinowe nie ulegaja hydrolizie zasadowej, a
  jedynie kwasnej (w przypadku RNA hydrolize
  zasadowa umozliwia obecnosc grupy
  2-hydroksylowej)

19
Jednostki strukturalne

• Polinukleotydy
• (kwasy nukleinowe)

20
Jednostki strukturalne

• Oligonukleotydy
• (fragmenty zlozone z
• kilku nukleotydów)

21
Jednostki strukturalne

• Nukleotydy
• (rybotydy,
• deoksy-
• rybotydy)
• Nukleozydy
• (rybozydy,
• deoksyry-
• bozydy)

22
Zasady azotowe (aminy drugorzedowe)
Purynowe
Pirymidynowe
23
Pentozy
24
Pentozy
25
Kwas fosforowy (fosforan)
H3PO4
26
Komplementarnosc zasad wedlug Watsona i Cricka
27
Skladniki nietypowe

• 2metylo-ryboza,
• Zasady metylowane, acetylowane, zredukowane i
  modyfikowane na inne sposoby,
• Pseudourydyna (nukleozyd, w którym U laczy sie z
  ryboza wiazaniem C-G

• Oligosacharydowe lancuchy boczne w DNA
  wirusowych,
• Rzadkie zasady i nukleozydy ksantyna (Xan) i
  ksantozyna (Xao), hipoksantyna (Hyp), inozyna
  (Ino), kwas orotowy i orotydyna (Oro i Ord)

28
Skladniki nietypowe

• Cukry inne niz ryboza, których obecnosc zaznacza
  sie stosujac przed skrótem nazwy nukleozydu lub
  nukleotydu odpowiednia mala litere, np. dThd,
  3-dGMP, 5-dGMP
• d deoksyryboza,
• a arabinoza,
• x ksyloza,
• l - liksoza

29
Skladniki nietypowe (nukleozydy)
30
Zasady zapisu sekwencji kwasu nukleinowego

• Natura cukru dla RNA i DNA wynika jedynie z
  zapisu,
• Dla identyfikacji poszczególnych nukleotydów
  stosuje sie pojedyncze litery (A, G, C, U, T),
• Obecnosc grupy fosforanowej zaznacza sie znakiem
  lacznika,
• Modyfikacje zasad oznacza sie za pomoca malych
  liter umieszczonych przed duzymi lub indeksów
• Modyfikacji cukrów zapisuje sie za pomoca malych
  liter po symbolach nukleozydów

31
Zapis sekwencji kwasów nukleinowych
- U 5UMP
U - 3UMP
A - U fosforan dwunukleozydowy bez wolnej
grupy fosforanowej
A - U - fosforan dwunukleozydowy z wolna grupa
fosforanowa przy koncu 3
- A - U fosforan dwunukleozydowy z wolna
grupa fosforanowa przy koncu 5
32
Zapis sekwencji kwasów nukleinowych c.d.
A C G T G A T - fragment lancucha
kwasu nukleinowego zawierajacy grupe OH przy
koncu 5 i grupe fosforanowa przy koncu 3
A p C p G p T p G p A p T p Modyfikacja
powyzszego zapisu polegajaca na zamianie znaku
- litera p oznaczajaca grupe fosforanowa ppA
ADP pppA - ATP
33
Zapis sekwencji kwasów nukleinowych c.d.
A U! - wykrzyknik oznacza obecnosc cyklicznej
grupy 2, 3 fosforanowej przy urydynie

• Elementy niezidentyfikowane
• Zasada purynowa R lub Ph
• Zasada pirymidynowa Y lub Py
• Nukleotyd N

34
Zapis sekwencji kwasów nukleinowych c.d.

• Skróty oznaczajace pochodne
• ac octanowe
• m metylowe
• h uwodornione
• s tiopochodne (pochodne siarczkowe)

35
Zapis sekwencji kwasów nukleinowych c.d.
C hU A m62A I ac4C Gm G OH5
cytydyno 5,6 dihydroksyurydyno adenozyno
6 dimetyloadenozyno inozyno 4
acetylocytydyno 2 metyloguanozyno guanozyna.
36
Struktura wtórna kwasów nukleinowych konformacja
czasteczki
Forma przestrzenna, która przyjmuja czasteczki w
wyniku wszystkich oddzialywan wewnatrz
czasteczkowych, które moga byc dodatkowo
modyfikowane przez czynniki zewnetrzne
37
Struktura wtórna DNA (James Watson Maurice
Crick1953)
38
Struktura wtórna DNA (1953)
39
Struktura wtórna kwasów nukleinowych

• Struktura bihelix zaproponowana przez J.Watsona i
  M.Cricka w 1953 r.
• Odkrycie to poprzedzily
• badania rentgenograficzne Rosalind Franklin,
  dotyczace kwasów straconych z roztworów wodnych
  poprzez dodanie rozpuszczalników organicznych,
• Opracowanie regul Pero Chargraffa, na podstawie
  stosunku zasad azotowych w kwasach nukleinowych

40
Reguly Chargraffa (1950)
1. A T
1. G C
41
Reguly Chagraffa
1. A C G T
2. G A C T
3.
4. A T G C constans
42
Stosunek zasad azotowych w kwasach nukleinowych
43
Struktura drugorzedowa kwasów nukleinowych

• W oparciu o reguly Chargraffa i metody posrednie,
  stwierdzono ze
• G C 38, co daje G 19 i C 19
• A T 62, co daje z kolei A 31 i T 31

44
Struktura drugorzedowa kwasów nukleinowych

• Analiza rentgenostrukturalna wykonana przez
  Rosalind Franklin wskazywala na istnienie w
  czasteczce DNA konformacji helikalnej

45
Rentgenogram DNA
46
Nadbudowanie zasad

• Zasady sasiadujace ze soba w heliksie, pomimo iz
  nie sa komplementarne, orientuja sie w sposób
  równolegly wzgledem czasteczek sasiednich,
• Oddzialywanie to jest stosunkowo silne i
  umozliwia wykrywanie wplywu okreslonych zasad
  daleko od ich lokalizacji.

47
Struktura drugorzedowa DNA klasyczny model
Watsona i Cricka
48
Struktura drugorzedowa DNA klasyczny model
Watsona i Cricka
49
Kierunki analizy konformacji kwasów nukleinowych

• Analiza konformacji nukleotydów, prowadzona
  metodami
• - spektroskopowyni,
• - rentgenostrukturalnymi,
• - innymi metodami optycznymi

50
Kierunki analizy konformacji kwasów nukleinowych

• Analiza teoretyczna modelowanie czasteczek,
  uwzgledniajace mozliwe uklady stereodynamiczne i
  energetyczne, zgodnie z zasada, ze stabilnym
  (optymalnym) konformacjom musza towarzyszyc
  minimalne wartosci energii

51
Analiza rentgenostrukturalna kwasów nukleinowych

• Pelna analiza konformacyjna jest niemozliwa, ze
  wzgledu na to, ze kwasy nukleinowe nie wystepuja
  w postaci krystalicznej,

52
Analiza rentgenostrukturalna kwasów nukleinowych

• Pelna analiza konformacyjna jest niemozliwa, ze
  wzgledu na to, ze kwasy nukleinowe nie wystepuja
  w postaci krystalicznej,
• Jedynie reszty pentozowe i fosforanowe tworza
  prawidlowa siatke przestrzenna, co stwarza
  mozliwosc analizy osi heliksu pod katem liczby
  ekwiwalentnych grup wystepujacych w jednym skrecie

53
Metody badan kwasów nukleinowych

• Spektrofotometria w nadfiolecie (UV) i
  podczerwieni (IR),
• Pomiary wlasciwosci termodynamicznych,
• Dyspersja skrecania plaszczyzny polaryzacji,
• Widma dichroizmu kolowego (CD),
• Pomiary dwójlomnosci w przeplywie,
• Badania hydrodynamiczne,
• Techniki spektrometryczne NMR.

54
Metody badan kwasów nukleinowych c.d.

• Pomiary dichroizmu kolowego umozliwily ocene
  wplywu wilgotnosci wzglednej i stezenia jonów na
  zmiany konformacji kwasów nukleinowych,

55
Metody badan kwasów nukleinowych c.d.

• Spektrometria w podczerwieni (IR) nukleozydów,
  nukleotydów i kwasów nukleinowych, wykorzystuje
  drgania, charakterystyczne dla poszczególnych
  ugrupowan wchodzacych w sklad kwasów nukleinowych

56
Pasma (cm-1) charakterystycznych drgan w kwasach
nukleinowych
2800-3500 ?OH ?NH ?CH woda, cukier reszty zasad cukier i reszty zasad
1800-1500 ?C O ?C N ?C C vNH vHOH reszty zasad woda
Ok. 1200 ?PO- antysymetryczne walencyjne
? - drgania walencyjne, v drgania plaskie
deformujace, ? - drgania deformujace nieplaskie
57
Pasma (cm-1) charakterystycznych drgan w kwasach
nukleinowych
1100-1000 ?PO2 ?CO symetryczne walencyjne cukier
1000-700 ?PO ?CO ?NH grupa fosforanowa cukier reszty zasad
600-300 deformacyjne drgania wszystkich grup
? - drgania walencyjne, v drgania plaskie
deformujace, ? - drgania deformujace nieplaskie
58
Metody badan kwasów nukleinowych c.d.

• Spektrometria w podczerwieni (IR) dowiodla
  istotnej roli wody w stabilizacji konformacji
  DNA. Przy wilgotnosci 92 1 nukleotyd DNA jest
  uwodniony przez 20 czasteczek wody, co jest
  niezbedne do utrzymania regularnej struktury
  heliksu.

59
Metody badan kwasów nukleinowych c.d.
Widma nukleotydów w nadfiolecie (UV)
60
Uklad przestrzenny osi czasteczki kwasu
nukleinowego
Kierunek lancucha
11 katów rotacji wokól wiazan
Zasada
61
Parametry najczesciej brane pod uwage przy
analizach konformacji kwasów nukleinowych

• 1. Glówne
• - dlugosc wiazan walencyjnych,
• - katy wartosciowosci,
• - katy dwuscienne jednostek monomerycznych
  tworzacych heliks

62
Parametry najczesciej brane pod uwage przy
analizach konformacji kwasów nukleinowych c.d.

• 2. Pomocnicze
• - ?1 - kat obrotu plaszczyzny zasady azotowej
  wokól osi y (?1), wiazacej dwa atomy wiaznia
  glikozydowego C1,
• - ?2 - kat obrotu wokól osi x prostopadlej do
  osi heliksu (przechodzacej przez C4 pirymidyn i
  C8 puryn),
• - D odleglosc poczatku liniowego ukladu
  wspólrzednych od osi heliksu,

63
Parametry najczesciej brane pod uwage przy
analizach konformacji kwasów nukleinowych c.d.

• 2. Pomocnicze
• - d translacja wzdluz osi heliksu
• d c/n, gdzie c okres identycznosci
• n liczba par zasad w okresie,
• - ? - kat obrotu wokól osi heliksu
• ? 2?/n

64
Rodzaje DNA
A-DNA
Z-DNA
B-DNA
65
Formy B- i A-DNA
66
Charakterystyka B-DNA

• Heliks prawoskretny
• Pary zasad ulozone równolegle wzgledem siebie i
  prostopadle do osi heliksu w odstepach 0,34nm,
• Skok o dlugosci 3,4nm zawiera 10 par zasad,
• Atomy P wystepuja w odleglosci 0,9nm od osi
  heliksu,
• Liczba zasad w obu komplementarnych heliksach
  moze byc rózna

67
Charakterystyka A-DNA

• Heliks prawoskretny,
• Pary zasad nachylone pod katem 20 wzgledem ich
  ulozenia w B-DNA,
• Na jeden skok heliksu przypada 11 par zasad,
• W skrajnych wartosciach pH i temperatury moze
  ulegac denaturacji,
• Heliksy moga róznic sie liczba zasad.

68
Zmiany wlasciwosci optycznych towarzyszace
Denaturacji DNA

• Zmiana konformacji czasteczki,
• Wzrost absorbancji (zwlaszcza przy 260nm),
• Wzrost energii swobodnej Gibbsa (?G).

69
Zmiany wlasciwosci optycznych towarzyszace
Denaturacji DNA
70
Forma Z-DNA
Os heliksu
Zasady
71
Charaktrystyka Z-DNA

• Heliks lewoskretny,
• Forma zblizona do B-DNA,
• Posiada 9,3 par zasad na 1 skok heliksu

72
Charakterystyka T-DNA

• Wystepuje u bakteriofagów T2, T4 i T6 przy
  wilgotnosci 66-44,
• Zawiera 8 par zasad w jednym skoku heliksu,
• Kat obrotu sasiednich par zasad wokól osi heliksu
  jest najwiekszy ze wszystkich znanych rodzajów
  DNA i wynosi 42 - 45

73
Inne rodzaje dwuniciowego DNA

• C-DNA heliks prawoskretny, powstaje we wlóknach
  przy wilgotnosci wzglednej 57-66 i posiada 9,3
  par zasad na obrót helisy,
• D-DNA heliks prawoskretny, wystepuje w
  odcinakach poli(dA)poli(dT) i zawiera 8,5 par
  zasad na obrót helisy

74
Trój- i czteroniciowe formy DNA
75
H-DNA
76
Wiazania wodorowe w H-DNA
Para zasad Watsona-Cricka
Para zasad Hoogsteena
77
Wiazania wodorowe w trójniciowych NA c.d.
78
Rodziny kwasów nukleinowych

• Rodzina A
• A-DNA
• wszystkie helikalne rodzaje RNA
• Rodzina B
• B-DNA
• Z-DNA
• T-DNA

79
Wplyw jonów i wilgotnosci wzglednej na
konformacje DNA

• Forma najczesciej wystepujaca w warunkach
  naturalnych jest B-DNA,
• A-DNA wystepuje w obecnosci jonów Na i przy
  wilgotnosci wzglednej wynoszacej 75,
• B-DNA wystepuje przy 92 wilgotnosci wzglednej, a
  w obecnosci jonów Li nawet przy 66,
• Z-DNA, w obecnosci jonów Li przy 44 wilgotnosci
  wzglednej.

80
Formy przejsciowe DNA

• Szereg przejsciowy B?T
• obejmujacy formy zawierajace 8 8,33 9 9,33 par
  zasad na jeden skok.
• wzrost kata miedzy parami zasad od 36 do 45
• spadek skoku od 3,37 do 2,72 nm i srednicy
  czasteczki z 2,55 do 2,15 nm.
• Przejscie A?B
• wymaga znacznych zmian w srodowisku zewnetrznym,
• ma charakter kooperatywny i jest zwiazane ze
  zmiana konformacja furanozy.

81
Kwas rybonukleinowyRNA
82
Konformacje RNA
83
Formy bihelikalne RNA

• na ogól zawiera 11 par zasad na skok heliksu
  (forma A-RNA),
• w obecnosci NaCl przechodzi w forme A-RNA
  (A?A), zawierajaca 12 par zasad na skok,
• A-RNA, najmniej poznana, zwiera 11,5
  nukleotydów na jeden skok heliksu

84
Rodzaje RNA

• Cytoplazmatyczny,
• Jadrowy

85
Cytoplazmatyczny RNA
rRNA
tRNA
mRNA
86
r RNA1. Stanowi wiekszosc komórkowego
RNA,2. Jest skladnikiem rybosomów, stanowiac
50-60 masy3. Masa czasteczkowa uzaleznina od
jednostki rybosomu i rodzaju komórki
podjednostki mniejsze 5501-7502 tys. Da, wieksze
1.11 do 1.52 mln Da1Prokaryota2Eukaryota
87
t-RNA
88
t-RNA

• Zawiera 75 85 nukleotydów w jednym lancuchu,
  który w pewnych fragmentach staje sie
  komplementarny,
• Na dole czasteczki zawiera antykodon,
  oddzialywujacy z odpowiadajacym kodonem w
  kierunku antyrónoleglym. Trzeci nukleozyd kodonu
  ma prawdopodobnie zdolnosc tworzenia wiazan
  wodorowych zgodnie z regula Wooble (G-U, I-C,
  I-U, I-A), co umozliwia 1 czasteczce t-RNA
  rozpoznawanie kilku kodonów kodujacych dany
  aminokwas,

89
Rózne typy wiazan wodorowych w czasteczkach
kwasów nukleinowych
90
t-RNA

• Cechy wspólne t-RNA wystepowanie petli
  T-pseudourydylo-C (T-?-C) po prawej stronie
  ugrupowanie DU (dihydrourydyna) po stronie
  lewej, sekwencja konca 3 G-C-A oraz w
  wiekszosci czasteczek wystepowanie na koncu 5
  nukleozydu G.

91
Przykladyt-RNA
92
Przyklady t-RNA
93
Charakterystyka m-RNA

• Masa czasteczkowa od 25000 Da do kilku milionów,
• Ogromne zróznicowanie sekwencji nukleotydowej,
• Oprócz zasadniczej czesci kodujacej sekwencje
  aminokwasów w konkretnym bialku moze zawierac
  sekwencje niekodujace,
• Moze wystepowac w kompleksach z bialkami
  zwlaszcza w komórkach eukariotycznych

94
Budowa m-RNA

• Poczawszy od konca 5 mRNA sklada sie z
  nastepujacych odcinków
• Czapeczka, zbudowana z 7-metylo-Gppp i kolejnych
  dwóch zmetylowanych nukleotydów,
• Lider, zbudowany z 50-80 nukleotydów,
• Odcinek kodujacy jeden lancuch polipeptydowy,
• Odcinek poliA zbudowany z 50-200 reszt kwasu
  adenylowego
• Uwaga w mRNA prokariota nie wystepuje poliA
  kwas ten zawiera prawie wylacznie sekwencje
  kodujace kilka bialek

95
Funkcje biologiczne mRNA kod genetyczny
skladajacy sie z 61 kodonów sensownych i 3
niesensowne
96
Charakterystyka cytoplazmatycznych rodzajów RNA
97
Cytoplazmatyczny RNA
hnRNA
snRNA
98
Heterogenny jadrowy RNA (hnRNA)

• Prekursor cytoplazmatycznych form RNA,
• Czasteczki niestabilne,
• Zawieraja sekwencje nieobecne w
  cytoplazmatycznych frakcjach RNA introny,
• Przeksztalcenie hnRNA nastepuje w procesie
  skladania RNA, obejmujacym wycinanie intronów,
• W procesie tym bierze udzial wiele malych
  jadrowych RNA snRNA, szczególnie szeroko
  rozpowszechnionych w eukariotycznych komórkach
  ssaków

99
U1 snRNA czlowieka
100
Struktura czwartorzedowa kwasów nukleinmowych

• Polaczenia z innymi kwasami nukleinowymi
• Polaczenia z bialkami

101
Polaczenia z kwasami nukleinowymi
102
Polaczenia z bialkami (w jadrze)
103
Polaczenia z bialkami (w czasteczkach wirusów)
104
Polaczenia z bialkami (w czasteczkach wirusów)