Fizyka i Ŝycie cz. I impresje molekularne. śycie z molekularnego punktu widzenia. Cząsteczka chemiczna



Podobne dokumenty
października 2013: Elementarz biologii molekularnej. Wykład nr 2 BIOINFORMATYKA rok II

Dominika Stelmach Gr. 10B2

Scenariusz lekcji przyrody/biologii (2 jednostki lekcyjne)

CORAZ BLIŻEJ ISTOTY ŻYCIA WERSJA A. imię i nazwisko :. klasa :.. ilość punktów :.

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Kombinatoryczna analiza widm 2D-NOESY w spektroskopii Magnetycznego Rezonansu Jądrowego cząsteczek RNA. Marta Szachniuk

Biologia Molekularna Podstawy

Wykład 14 Biosynteza białek

1. Na podanej sekwencji przeprowadź proces replikacji, oraz do obu nici proces transkrypcji i translacji, podaj zapis antykodonów.

1 i 2. Struktura elektronowa atomów, tworzenie wiązań chemicznych

Numer pytania Numer pytania

KARTA PRZEDMIOTU. Informacje ogólne WYDZIAŁ MATEMATYCZNO-PRZYRODNICZY. SZKOŁA NAUK ŚCISŁYCH UNIWERSYTET KARDYNAŁA STEFANA WYSZYŃSKIEGO W WARSZAWIE

Program studiów studia I stopnia, kierunek: CHEMIA MEDYCZNA studia inżynierskie o profilu ogólnoakademickim

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Przewidywanie struktur białek

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

DNA - niezwykła cząsteczka. Tuesday, 21 May 2013

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

TEORIA KOMÓRKI (dlaczego istnieją osobniki?)

Podstawy projektowania leków wykład 12

Wprowadzenie. DNA i białka. W uproszczeniu: program działania żywego organizmu zapisany jest w nici DNA i wykonuje się na maszynie białkowej.

Dane mikromacierzowe. Mateusz Markowicz Marta Stańska

Generator testów Biochemia wer / Strona: 1

Geometria cząsteczek wieloatomowych. Hybrydyzacja orbitali atomowych.

Wykład 12 Kwasy nukleinowe: budowa, synteza i ich rola w syntezie białek

Wykład: 2 JĄDRO KOMÓRKOWE I ORGANIZACJA CHROMATYNY. Jądro komórkowe. Prof. hab. n. med. Małgorzata Milkiewicz Zakład Biologii Medycznej.

TEORIA KOMÓRKI (dlaczego istnieją osobniki?)

Chemiczne składniki komórek

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

Scenariusz lekcji biologii z wykorzystaniem metody CILIL Lekcja dla klasy IV technikum o rozszerzonym zakresie kształcenia

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego - wprowadzenie

Sylabus Biologia molekularna

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Moduły kształcenia. Efekty kształcenia dla programu kształcenia (kierunku) MK_06 Krystalochemia. MK_01 Chemia fizyczna i jądrowa

Chemia bionieorganiczna / Rosette M. Roat-Malone ; red. nauk. Barbara Becker. Warszawa, Spis treści

Kwasy Nukleinowe. Rys. 1 Struktura typowego dinukleotydu

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

JĄDRO KOMÓRKOWE I ORGANIZACJA CHROMATYNY

DHPLC. Denaturing high performance liquid chromatography. Wiktoria Stańczyk Zofia Kołeczko

Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Plan studiów studia I stopnia, kierunek: Chemia medyczna. studia inżynierskie o profilu ogólnoakademickim

SPEKTROSKOPIA MOLEKULARNA 2015/16 nazwa przedmiotu SYLABUS A. Informacje ogólne

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2015/16

PRZEBIEG EGZAMINU LICENCJACKIEGO DLA KIERUNKU ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE specjalność BIOFIZYKA MOLEKULARNA

Mikrosatelitarne sekwencje DNA

Pamiętając o komplementarności zasad azotowych, dopisz sekwencję nukleotydów brakującej nici DNA. A C C G T G C C A A T C G A...

ODDZIAŁYWANIE KSENOBIOTYKÓW Z DNA

Bioinformatyka wykład 9

Program studiów studia I stopnia, kierunek: Chemia medyczna. studia inżynierskie o profilu ogólnoakademickim

Zastosowanie teorii węzłów w biologii molekularnej. Piotr Krzywda Gr. 10B2

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Projektowanie molekularne i bioinformatyka. 3-letnie studia I stopnia (licencjackie)

Geny i działania na nich

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas I LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Spektroskopia charakterystycznych strat energii elektronów EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy)

Atomy wieloelektronowe

Nośnikiem informacji genetycznej są bardzo długie cząsteczki DNA, w których jest ona zakodowana w liniowej sekwencji nukleotydów A, T, G i C

Elementy chemii obliczeniowej i bioinformatyki Zagadnienia na egzamin

Podstawy mikrobiologii. Wirusy bezkomórkowe formy materii oŝywionej

Justyna Krystyna Ciepły Nr albumu Charakterystyka lekoopornych szczepów wirusa HIV 1 izolowanych w Polsce w 2008 roku

Podstawy biologiczne - komórki. Podstawy biologiczne - cząsteczki. Model komórki eukariotycznej. Wprowadzenie do Informatyki Biomedycznej

JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI? JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI?

Informatyka w medycynie Punkt widzenia kardiologa

6. Z pięciowęglowego cukru prostego, zasady azotowej i reszty kwasu fosforowego, jest zbudowany A. nukleotyd. B. aminokwas. C. enzym. D. wielocukier.

Biotechnologia i inżynieria genetyczna

Kierunek: Chemia, rok I Rok akademicki 2015/2016

Techniki analityczne. Podział technik analitycznych. Metody spektroskopowe. Spektroskopia elektronowa

Program studiów od roku akad. 2019/20 studia I stopnia, kierunek: Chemia medyczna. studia inżynierskie o profilu ogólnoakademickim

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

PRACOWNIA CHEMII. Wygaszanie fluorescencji (Fiz4)

Wykład 9: HUMAN GENOME PROJECT HUMAN GENOME PROJECT

Nowoczesne systemy ekspresji genów

Czy ewolucja biologiczna była poprzedzona przez abiotyczną selekcję fotochemiczną?

Program studiów II stopnia dla studentów kierunku chemia od roku akademickiego 2016/2017. Semestr 1M

PLAN STUDIÓW. efekty kształcenia K6_W08 K6_U04 K6_W03 K6_U01 K6_W01 K6_W02 K6_U01 K6_K71 K6_U71 K6_W71 K6_K71 K6_U71 K6_W71

Czy żywność GMO jest bezpieczna?

Wiązania kowalencyjne

PRZEBIEG EGZAMINU LICENCJACKIEGO DLA KIERUNKU ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE

DNA musi współdziałać z białkami!

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Biofizyka molekularna. 3-letnie studia I stopnia (licencjackie)

POLIMERAZY DNA- PROCARYOTA

Budowa i rola DNA. 1. Cele lekcji. a) Wiadomości. b) Umiejętności. 2. Metoda i forma pracy. 3. Środki dydaktyczne. Metadane scenariusza

[1] [2] [3] [4] [5] [6] Wiedza

Zasady obsadzania poziomów

SKUTECZNOŚĆ IZOLACJI JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI? JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI?

Biologia molekularna

ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE Specjalność: Projektowanie molekularne i bioinformatyka. 2-letnie studia II stopnia (magisterskie)

STUDIA I STOPNIA NA KIERUNKU ZASTOSOWANIA FIZYKI W BIOLOGII I MEDYCYNIE. specjalność Biofizyka molekularna

WYKŁAD: Klasyczny przepływ informacji ( Dogmat) Klasyczny przepływ informacji. Ekspresja genów realizacja informacji zawartej w genach

Kierunek: Chemia, rok I

EKSTRAHOWANIE KWASÓW NUKLEINOWYCH JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI? JAK ZMIERZYĆ ILOŚĆ KWASÓW NUKLEINOWYCH PO IZOLACJI?

Ćwiczenie nr 2 Komputerowe modelowanie cząsteczek związków chemicznych przy uŝyciu programu HyperChem Lite

Zaoczne Liceum Ogólnokształcące Pegaz

Transkrypt:

Fizyka i Ŝycie cz. I impresje molekularne Poznawanie zjawiska Ŝycia to fascynujące miejsce spotkań wielu dziedzin nauki: biologii biochemii chemii fizyki matematyki informatyki oraz 7 stycznia 2010 Maciej Geller nowe moŝliwości medycyny wielka nowa dziedzina - biotechnologia Postaramy się pokazać to na kilku wybranych przykładach. Zrozumienie podstaw molekularnych aspektów Ŝycia dzięki róŝnorodnym metodom badawczym i teoriom fizycznym. NaleŜą do nich: teorie fizyczne: mechanika kwantowa a takŝe (mechanika, termodynamika, elektrodynamika klasyczna) fizyka statystyczna narzędzia badawcze: spektroskopie molekularne (UW, IR, NMR, EPR) metody hydrodynamiczne (ultrawirowanie) metody dyfrakcyjne (krystalografia) śycie z molekularnego punktu widzenia Sieć wzajemnie regulujących się, uporządkowanych w czasie i w przestrzeni procesów przekształcania cząsteczek chemicznych (szlaki metaboliczne). Uporządkowanie to jest regulowane poprzez obecność specyficznych narzędzi molekularnych, z których najliczniejsze to tzw. białka enzymatyczne. Brak narzędzia powoduje zatrzymanie określonego procesu. Cząsteczka chemiczna Stabilny układ co najmniej 2 jąder atomowych i pewnej liczby elektronów Najprostsza: jon H 2 + 2 protony + 1 elektron Najczęstsza w nas: H 2 O 3 jądra + 10 elektronów Typowy enzym: 4 000 jąder atomowych + 30 000 elektronów PołoŜenia jąder atomowych wyznaczają kształt cząsteczki nazywany jej konformacją Cząsteczka moŝe mieć więcej niŝ jedną stabilną konformację, a zatem moŝe zmieniać swój kształt Kształt przestrzenny decyduje o jej funkcji biologicznej zły kształt = brak funkcji Istotne pytania: czy dana cząsteczka moŝe istnieć? czy dany jej kształt jest stabilny? Decydują elektrony: pełnią rolę kleju (kwantowego) spajającego jądra atomowe

Informacja genetyczna (w pigułce) R E P L I K A C J A DNA (RNA) DNA (RNA) BIOSYNTEZA m-rna (kopia) t-rna (tłumacze) r RNA (narzędzia) (4) Polimery liniowe mieszane (róŝnorodność) Białka: łańcuch(y) polipeptydowe (20) KODowanie : 4 na 20 : minimum trójkowy: 4 3 = 64 sekwencji Białka : łańcuch(y) polipeptydowe + ew. małe dodatki katalizatory materiały konstrukcyjne środki obronne praca mechaniczna transport receptory Dwa liniowe (bez rozgałęzień) łańcuchy Ogniwo tego łańcucha (mer) nazywamy nukleotydem Sekwencja ogniw łańcucha determinuje (?!) Istota strukturę przestrzenną, kodu która umoŝliwia spełnianie właściwej genetycznego funkcji biologicznej MER DNA ( nukleotyd ) koniec 5 grupa fosforanowa G : C koniec 3 OH w RNA część cukrowa zasada azotowa róŝnorodność = 4 G, A, C, T (U)

G : guanina Guanina: gęstość elektronowa: 10 e/a 3 Guanina: Gęstość elektronowa 150 e/a 3 Guanina gęstość elektronowa 300 e/a 3 Guanina ładunki lokalne [e]

DNA: guanina : cytozyna guanina : cytozyna Ładunki lokalne [e] E = q1 x q2 / R Wiązania wodorowe ~ Oddziaływania elektrostatyczne ADENINA : TYMINA URACYL w RNA 0.82 + 0.41 0.41 Oddziaływania hydrofobowe Powierzchnia hydrofobowa (cząsteczki): gdy oddziaływanie cząsteczki wody z tym obszarem jest słabsze niŝśrednie oddziaływanie cząsteczek wody ze sobą ( grupy CH, CH 2, CH 3, benzen ) Powierzchnie hydrofobowe cząsteczek w środowisku wodnym spontanicznie się do siebie zbliŝają. Oddziaływania hydrofobowe Powierzchnia hydrofobowa (cząsteczki): gdy oddziaływanie cząsteczki wody z tym obszarem jest słabsze niŝśrednie oddziaływanie cząsteczek wody ze sobą ( grupy CH, CH 2, CH 3, benzen ) Powierzchnie hydrofobowe cząsteczek w środowisku wodnym spontanicznie się do siebie zbliŝają. Przyczyna owego zbliŝania nie tkwi bezpośrednio w przyciąganiu się samych tych powierzchni ale w strukturze wody otaczającej powierzchnie hydrofobowe.

W warunkach: p, T = constans Spontaniczność procesu: A + B A : B zaleŝy od G 1 G 2 G 2 G 1 0 > G = H - T S 3,4 nm. X 10 par zasad zmiana energii zmiana entropii W oddziaływaniach hydrofobowych decyduje: S > 0 elektrostatycznych decyduje: H < 0 2 nm Oddziaływania warstowe A+T Kyogoku, Lord & Rich, 1967; Wavenumber (cm -1 ) A hydrofobowe dyspersyjne T(U) Spektroskopia IR swobodne N - H swobodne N H 2 N H 2 w wiązaniu wodorowym A + T A : T Widmo UV zasady azotowe K K = exp (- G 0 / kt ) H 0 = - 6.2 ± 0.6 kcal/mol T S 0 = - 3.3 ± 0.3 kcal/mol (298K) ln K = - H 0 / R ( 1/ T ) + S 0 / R y = a x + b

Temperatura topnienia Dyfrakcja promieniowania X na włóknach krystalicznych DNA - zdjęcie Rosalind Franklin: 1. X świadczy o strukturze helikalnej 2. Odległość między poziomymi liniami mówi o skoku helisy (3.4 nm) 3. Odległość pionowa pomiędzy sąsiednimi zasadami (0.34 nm) 4. Kąt wznoszenia się helisy Tm Struktura B, 1952 Specyficzna komplementarność: G : C A : T sugeruje mechanizm kopiowania. A G C T T G A C Replikacja DNA I POKOLENIE + II POKOLENIE + T C G AA C T G Model konserwatywny Model semikonserwatywny Ale kłopoty z rozdzielaniem nici. + model dyspersyjny E.coli I : N 15 Replikacja DNA Meselson i Stahl, 1958 Zmiany informacji genetycznej: uszkodzenia II : N 14? I II III 1 : 1 Fotodimery tyminy

TYMINA TYMINA : KONTURY ORBITALI MOLEKULARNYCH HOMO LUMO Wiązanie podwójne DNA i komputery Obwód Hamiltona : graf o n wierzchołkach droga łącząca wszystkie wierzchołki i przechodząca przez kaŝdy wierzchołek tylko jeden raz DNA i komputery 1994 - Leonard Adleman, Uni. S. California: wędrówka przez 7 miast : A, B, C, D, E, F i G określony start (A) i koniec (G) przez kaŝde miasto tylko raz D E A B G C F Hybrydyzacja Drogi B C B D C D E - B Miasta B C D E Miasto B Miasto D Droga E - B Droga B - D Droga D - E MIASTO B DROGA G G A T C T A G C C T A G A T C WJAZD WJAZD DO B

Algorytm znalezienia rozwiązania: 1. Zostaw te, które zaczynają się w A i kończą w G. 2. Zostaw tylko te, które zawierają 7 miast. 3. Zostaw te, które wchodzą do kaŝdego miasta tylko raz. DNA i MEDYCYNA : SNP POLIMORFIZM POJEDYNCZYCH NUKLEOTYDÓW prawie 30% leków nieskutecznych w terapii a nawet - 10% szkodliwych w kodującym i regulatorowym DNA około 1.8 mln miejsc róŝniących się pojedynczą zmianą meru dla > 1% populacji ( 1 na 200 zasad) = SingleNucleotidePolimorfism główne źródło róŝnic genetycznych ludzi charakterystyczne sygnały moŝliwych chorób medycyna zna juŝ bardzo duŝo snipów w obrębie wielu genów związanych z róŝnymi zaburzeniami, np..: krąŝenia, czy osteoporozą analiza profilu genomu pacjenta vs SNP umoŝliwia: ocenę ryzyka moŝliwości i wskazania profilaktyczne stosowanie właściwych leków! TotalGenotyping : Solexa, Cambridge University spin-out obecnie: w Illumina Technologia pojedynczej macierzy (chip) DNA: biochemia + fizyka + informatyka + nanotechnologia Cel: Wyznaczenie wszystkich genetycznych róŝnic pomiędzy daną osobą a wzorcem na podstawie jednego egzemplarza informacji genetycznej Według: TotalGenotyping - Solexa 1 2 3 4 fragmenty pojedynczej nici DNA +starter + kotwica Genom człowieka: 10 lat 3 mld $ cykl nr 1 ENZYM Płytka 1 cm 2 : > 100 000 fragmentów Według: TotalGenotyping Solexa TotalGenotyping Wzbudzenie fluorescencji: A, T, G i C + znaczniki: róŝne widma emisji 5 cykl nr 1 Zapis: nić nr 1 pozycja 1 = C WZORZEC 6 Po 25 cyklach Proces równoległy na wszystkich fragmentach 6 po 25 cyklach nieznany SNP znany SNP sekwencje fragmentów

AIDS memorial, Durban, South Africa Fizyka wspomaga poszukiwania nowych leków Choroba AIDS Odpowiedzialny wirus HIV 1 w nim trzy enzymy (narzędzia) niezbędne do powielania się tego wirusa: jednym z nich tzw. proteaza Zablokowanie narzędzia lekiem przeciw chorobie Typowy obraz dyfrakcyjny kryształu białka Typowy fragment pliku *.pdb Wpasowywanie cząsteczki w mapę gęstości elektronowej Y-3 in 2Fo-Fc electron density Narzędzie niezbędne do rozmnaŝania się wirusa HIV enzym: proteaza - grafika z pliku pdb

Proteaza + substrat/inhibitor

Proteaza + inhibitor : widok z góry Inhibitor MVT-101 Proteaza: hydrofobowe ściany boczne Inhibitor MVT-101 Oddziaływania elektrostatyczne : wiązania wodorowe

HIV PR mutacje : odporność na leki Inhibitors of HIV PR There s Plenty of Room at the Bottom An Invitation to Enter a New Field of Physics What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale. Richard P. Feynman, American Physical Society, Caltech, 29 th December 1959 Ten budŝet na naukę umoŝliwi nam przyciąganie i utrzymanie osób o wysokich kwalifikacjach oraz będzie gwarantował utrzymanie naszej bazy naukowej na światowym poziomie i naleŝyte jej wyposaŝenie, zapewniające prowadzenie badań XXI wieku Pytanie: Kto to powiedział?