Kwasy nukleinowe i białka

Transkrypt

1 Metody bioinformatyki Kwasy nukleinowe i białka prof. dr hab. Jan Mulawka

2 Kwasy nukleinowe

3 DNA Kwas dezoksyrybonukleinowy jest to należący do kwasów nukleinowych wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny, który występuje w chromosomach i pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.

4 Kwasy przechowujące i przekazujące informację w komórkach DNA - kwas deoksyrybonukleinowy (przechowuje zakodowaną informację, jest podstawowym materiałem genetycznym) RNA - kwas rybonukleinowy (jest aktywnym czynnikiem w dekodowaniu informacji)

5 Obydwa kwasy są liniowymi polimerami składającymi się z monomerów połączonych w łańcuch. Te monomery (cegiełki do budowy kwasów) nazywa się nukleotydami Zarówno DNA jak i RNA jest zbudowane tylko z czterech rodzajów nukleotydów Trzy rodzaje występują w obydwu kwasach: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C). Ponadto w DNA występuje tymina (T), a w RNA - uracyl (U)

6 Zasady występujące w nukleotydach dzielą się na dwie grupy: puryny (A, G) pyrymidyny (C, T, U)

7 Skład nukleotydu reszta fosforanowa cukier (oparty na pięciu węglach, tzw. pentoza). W DNA tym cukrem jest deoksyryboza, a w RNA ryboza zasada azotowa (stąd nukleotyd bierze swoją nazwę)

8

9 Cząsteczka DNA Długa nić DNA powstaje dzięki wiązaniom chemicznym tworzącym się między grupą fosforanową a deoksyrybozą sąsiedniego nukleotydu. Nukleotydy trzymają się więc razem dzięki grupom fosforanowym

10 Łańcuch nukleotydów ma dwa różne końce 5 (koniec fosfatowy) 3 (koniec hydroksylowy) (liczby pochodzą od numeracji węgli ) Zwykle sekwencje są zapisywane i czytane w kierunku od 5 do 3

11 Schematyczne przedstawienie nici DNA

12 Powstawanie helisy DNA W naturalnym stanie tworzy podwojną helisę (Watson i Crick, 1953) powstałą z połączenia dwóch łancuchów nukleotydów (wiązania wodorowe) Kierunki łancuchów w helisie są przeciwne. Zwykle helisa jest prawoskrętna

13 Pary komplementarne nukleotydów A - T (słabsze wiązanie) G - C (silniejsze wiązanie) Możliwe są wyjątki, np. G - T

14 Kształt i rozmiary DNA Rozmiary: zasady są oddalone od siebie o 0.34 nm (licząc wzdłuż osi) Pełny obrót co 3.4 nm Kształt: może być nić (podwójna) lub cykl

15 Denaturacja DNA Rozplątanie nici pod wpływem wysokiej temperatury (zwykle 80-90C, zależnie od kwaśności środowiska i składu nukleotydów) Słabsze wiązania rozpadają się szybciej Po obniżeniu temperatury następuje ponowne łączenie w helisę (renaturacja)

16 Właściwości kwasu RNA Budowa chemiczna podobna do DNA, zamiast tyminy (T) jest uracyl (U) Jest hipoteza, że RNA pojawiło się na świecie przed DNA RNA jest mniej stabilne niż DNA (np. rozpada się w alkalicznych roztworach) Podobnie jak DNA, tworzy pojedyncze nici, podwójne, liniowe lub cykliczne Ważna jest trójwymiarowa struktura RNA (właściwości katalityczne lub łączenie się z białkami)

17 RNA matryca do syntezy białek DNA nie jest matrycą, na bazie której powstają białka. DNA jest najpierw kopiowane na RNA, a następnie RNA służy jako matryca syntezy białek.

18 Tworzenie kwasów nukleinowych Zarówno DNA jak i RNA są produkowane przez kopiowanie istniejącej wcześniej nici DNA (zgodnie z zasadą komplementarności Watsona- Cricka) Kierunek kopiowania jest zawsze od 5' do 3' (tzn. powstająca nić jest budowana w kierunku od 5' do 3')

19 Przy kopiowaniu biorą udział specjalne enzymy, nazywane polimerazami; DNA polimerazy służą do budowania DNA; RNA polimerazy służą do budowania RNA Budowa RNA na podstawie matrycy DNA nazywa się transkrypcją RNA polimerazy mogą zacząć budowę nowej nici (de novo). Natomiast DNA polimerazy muszą zaczynać od pewnego miejsca zwanego starterem lub primerem i doklejają nową nić z nukleotydów

20 Rodzaje RNA Jądrowy RNA (nrna) stanowi mieszaninę wielu rodzajów kwasów rybonukleinowych Transferowy RNA (trna) stanowi 10 12% ogólnej ilości kwasów rybonukleinowych w komórce. Jest on zbudowany z nukleotydów. Charakteryzuje się wśród innych rodzajów RNA najmniejszą masą cząsteczkową. trna cechuje wysoka specyficzność w stosunku do aminokwasów. Każdy z aminokwasów syntetyzowanego białka może być transportowany przez jeden, a niektóre przez kilka różnych trna

21

22 Matrycowy, czyli informacyjny RNA (mrna) powstaje w jądrze komórkowym w procesie transkrypcji z DNA. Jest syntetyzowany z trifosforanów nukleozydów. Jego zasady są komplementarne w stosunku do jednej z nici chromosomowego DNA, na której jest wytwarzany. Matrycowy RNA przenosi informację genetyczną z DNA do cytoplazmy. Masa cząsteczkowa mrna oraz sekwencja nukleotydów zależą do rodzaju białka, które jest w nim zakodowane. Trójki nukleotydów, czyli kodony, rozmieszczone w jego łańcuchu wyznaczają kolejność aminokwasów syntetyzowanego białka

23 Rybosomalny RNA (rrna) stanowi około 80% ilości kwasów rybonukleinowych komórki. Jest on podstawowym składnikiem rybosomów, gdzie sięga 65% zawartości. Resztę stanowią białka. Rybosomalny RNA zawiera typowe zasady azotowe z niewielką domieszką ich metylowych pochodnych. Jest pojedynczym łańcuchem, bardzo mocno poskręcanym, tworzącym pętle, z fragmentami dwuniciowymi, gdzie występują wiązania wodorowe między komplementarnymi zasadami. rrna, podobnie jak inne rodzaje RNA, powstaje w procesie transkrypcji z DNA

24 Mitochondrialne DNA

25 Białka Białka powstają w wyniku kondensacji aminokwasów Następuje samoskładanie się podjednostek białkowych Białka umożliwiają i kierują metabolizmem komórki Można stwierdzić, że białka są alfa i omega życia

26 Aminokwasy Jest 20 rodzajów aminokwasów RCH(NH2)COOH grupa karboksylowa charakter kwasowy grupa aminowa właściwości zasadowe R - grupa rodnikowa

27 Podział aminokwasów Aminokwasy obojętne (monoaminomonokarboksylowe): glicyna, alanina, walina, leucyna, izoleucyna, seryna, treonina Aminokwasy kwasowe (monoaminodikarboksylowe): kwas asparaginowy, kwas glutaminowy Aminokwasy zasadowe (diaminomonokarboksylowe): lizyna, arginina

28 Amidy kwasowych aminokwasów (obojętne): asparagina, glutamina Aminokwasy zawierające siarkę (obojętne): cysteina, metionina Aminokwasy pierścieniowe (obojętne, z wyjątkiem zasadowej histydyny): tryptofan, fenyloalanina, tyrozyna, prolina, hydroksyprolina, histydyna

29 Aminokwasy łączą się ze sobą przy pomocy silnych wiązań zwanych wiązaniami peptydowymi W aminokwasach wyróżnia się dwa końce (podobnie jak w nukleotydach ): 1._ koniec aminowy (N-koniec) 2._ koniec karboksylowy (C-koniec)

30 Tworzenie wiązania peptydowego O H O H --- C + N > --- C --- N H2O OH H

31 Białka są zbudowane z jednego, kilku lub większej liczby łańcuchów (polipeptydów ) Liczba aminokwasów występujących w białkach waha się od kilkudziesięciu do kilku tysięcy (są białka zawierające aminokwasów)

32 Liczba możliwych kombinacji elementów w cząsteczce liczącej aminokwasów wynosi to jest więcej niż jest atomów we wszechświecie! (A. Jerzmanowski, Geny i ludzie, WSP, Wawa,1994)

33 W przyrodzie występuje stosunkowo niewiele białek (jak na liczbę możliwych kombinacji aminokwasów) Znakomita większość kombinacji jest niestabilna Obecnie znanych jest około 200 tysięcy białek (por. baza danych Swiss-Prot

34 Struktura pierwszorzędowa białka Określa ona liczbę i kolejność (sekwencję) aminokwasów w białku Strukturę pierwszorzędową białka warunkują wiązania peptydowe

35 Struktura drugorzędowa białka Alfa-heliks łańcuch układa się w postaci helikalnej prawoskrętnej śruby; tworzą się mocne wiązania wodorowe między określonymi grupami wodorowymi i karboksylowymi (C= O H N) Struktura beta - dywanikowa Powstają wspólne płaszczyzny jednostek peptydowych (wiązania wodorowe)

36 Struktura trzeciorzędowa białka Jest to forma kulista (globularna) Struktura ta powstaje jako wynik: 1.Sił van der Waalsa 2.Wiązań wodorowych 3.Wiązań dwusiarczkowych między aminokwasami zawierającymi siarkę

37 Struktura czwartorzędowa białka Jest ona wynikiem połączenia kilku łańcuchów polipeptydowych swymi końcami lub bokami. Np. hemoglobina - dwa łańcuchy polipeptydowe alfa i dwa łańcuchy polipeptydowe beta, każdy łańcuch ma charakterystyczną sekwencję aminokwasów

38 Białka spełniają wiele bardzo ważnych funkcji w działaniu organizmu Biologiczne właściwości białka zależą głównie od struktury trzeciorzędowej i drugorzędowej Struktura pierwszorzędowa warunkuje struktury drugo- i trzeciorzędową Struktura pierwszorzędowa decyduje o swoistości (specyficzności) białka

39 Funkcje białek w organizmie 1. katalityczne (enzymy) 2. strukturalne 3. regulacyjne (hormony) 4. transportowe i magazynujące (hemoglobina) 5. kontrolujące proces transkrypcji i translacji 6. układ odpornościowy (przeciwciała)

40 Kataliza enzymatyczna Zróżnicowane powierzchnie białek umożliwiają im dopasowanie się do powierzchni i kształtów dowolnych cząsteczek chemicznych Białka mogą wybrane cząsteczki umiejscawiać, zbliżyć i ustawić w stosunku do siebie w taki sposób, że zajdzie między nimi reakcja chem. Kataliza enzymatyczna jest podstawową esencją życia

41

42

43 Przykłady białek Kolagen białko włókien i ścięgien, ma wytrzymałość na rozciąganie jak stal Elastyna białko ścian naczyń krwionośnych, ma właściwości jak guma Białka potrafią przesuwać się w przestrzeni Lucyferaza białko które umożliwia przekształcenie związku lucyferyny podczas którego emitowane jest światło reakcja bioluminescencji

44

45

46 Denaturacja białka Podgrzanie do ok. 50C lub wprowadzenie dużej ilości anionów i kationów powoduje zniszczenie struktury trzeciorzędowej i cząsteczka białka ulega częściowemu lub całkowitemu rozwinięciu Przyjmuje wtedy postać heliksy lub dywanika Denaturacja może być odwracalna, jeśli jest przeprowadzona łagodnie

47 Podział białek ze względu na budowę chemiczną Proste (proteiny) zbudowane wyłącznie z aminokwasów: protaminy, histony, prolaminy, gluteliny, albuminy, globuliny, skleroproteiny Złożone (proteidy)

48 Proteidy są bardziej rozpowszechnione w przyrodzie niż proteiny Białka dzięki licznym i różnorodnym grupom polarnym, mogą reagować z innymi związkami Część niebiałkowa nosi nazwę grupy prostetycznej

49 Podział proteid w zależności od grupy prostetycznej Fosfoproteidy Chromoproteidy Lipoproteidy Glikoproteidy Nukleoproteidy Metaloproteidy

50 Białka w roztworach W roztworze wodnym białka podobnie jak aminokwasy, mają ładunek elektryczny Zachowują się jak aniony, kationy lub jony obojnacze Wędrują w polu elektrycznym elektroforeza Dla każdego białka istnieje takie ph roztworu, w którym jon białkowy nie wędruje Takie ph określa tzw. punkt izoelektryczny (PI)

51 Jon obojnaczy, kation, anion białkowy R -- COO -- R --- COOH + HCl ----> + Cl -- NH3 + NH3 + forma kationowa (ph roztworu < PI białka) R -- COO -- R --- COO -- + NaOH ----> + Na + + H 2 O NH 3 + NH 2 (ph roztworu > PI białka) forma anionowa

52 W punkcie izoelektrycznym białka mają najmniejszą rozpuszczalność Wywierają najmniejsze ciśnienie osmotyczne oraz nie tworzą soli Jako związki wielkocząsteczkowe nie dializują; nie przechodzą przez błony półprzepuszczalne Roztwory białek są lepkie Wykazują cechy koloidów hydrofilowych

53 Prof. A. Jerzmanowski Gdyby mi teraz powiedziano, że w jakimś organizmie, przez nikogo do tej pory nie badanym, wykryto białko, które zachowuje się jak mikroprocesor komputera, uwierzyłbym bez zmrużenia oka