Metody bioinformatyki
Kwasy nukleinowe i białka
prof. dr hab. Jan Mulawka
Kwasy nukleinowe
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 .
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)
• 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)
Zasady występujące w
nukleotydach dzielą się
na dwie grupy:
• puryny (A, G)
• pyrymidyny (C, T, U)
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)
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
Łańcuch nukleotydów ma dwa
różne końce
•
•
5’
3’
(koniec fosfatowy)
(koniec hydroksylowy)
(liczby pochodzą od numeracji węgli
)
Zwykle sekwencje są zapisywane i
czytane w kierunku od 5’ do 3’
Schematyczne przedstawienie
nici DNA
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
Pary komplementarne
nukleotydów
•A - T
• G - C
(słabsze wiązanie)
(silniejsze wiązanie)
• Możliwe są wyjątki, np. G - T
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
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)
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)
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.
Tworzenie kwasów
nukleinowych
• Zarówno DNA jak i RNA są produkowane przez
kopiowanie istniejącej wcześniej nici DNA
(zgodnie z zasadą komplementarności WatsonaCricka)
• Kierunek kopiowania jest zawsze od 5' do 3' (tzn.
powstająca nić jest budowana w kierunku od 5'
do 3')
• 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
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 70-90 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
• 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
• 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
Mitochondrialne DNA
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
Aminokwasy
Jest 20 rodzajów aminokwasów
RCH(NH2)COOH
grupa karboksylowa – charakter
kwasowy
grupa aminowa – właściwości zasadowe
R - grupa rodnikowa
Podział aminokwasów
• Aminokwasy obojętne
(monoaminomonokarboksylowe):
glicyna, alanina, walina, leucyna,
izoleucyna, seryna, treonina
• Aminokwasy kwasowe
(monoaminodikarboksylowe): kwas
asparaginowy, kwas glutaminowy
• Aminokwasy zasadowe
(diaminomonokarboksylowe): lizyna,
arginina
• 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
• 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)
Tworzenie wiązania
peptydowego
O
H
||
|
--- C + N ----- + H2O
|
|
OH H
-------->
O
H
||
|
--- C --- N
• 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
30600 aminokwasów)
Liczba możliwych kombinacji
elementów w cząsteczce liczącej
300 – 400 aminokwasów wynosi
10360
to jest więcej niż jest atomów we
wszechświecie!
(A. Jerzmanowski, Geny i ludzie, WSP, Wawa,1994)
• 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
http://us.expasy.org/sprot/)
Struktura pierwszorzędowa
białka
• Określa ona liczbę i kolejność
(sekwencję) aminokwasów w białku
• Strukturę pierwszorzędową białka
warunkują wiązania peptydowe
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)
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
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
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
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)
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
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
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
Podział białek ze względu na
budowę chemiczną
• Proste (proteiny) – zbudowane
wyłącznie z aminokwasów:
protaminy, histony, prolaminy,
gluteliny, albuminy, globuliny,
skleroproteiny
• Złożone (proteidy)
• 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
Podział proteid w zależności
od grupy prostetycznej
•
•
•
•
•
•
Fosfoproteidy
Chromoproteidy
Lipoproteidy
Glikoproteidy
Nukleoproteidy
Metaloproteidy
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)
Jon obojnaczy, kation, anion
białkowy
R -- COO-|
+ HCl
NH3 +
R --- COOH
---->
NH3 +
forma kationowa
R -- COO
|
--
+ NaOH ---->
+
NH3
(pH roztworu < PI białka)
R --- COO
|
NH2
forma anionowa
+ Cl--
|
-+ Na
+
+
H2O
(pH roztworu > PI białka)
• 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
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”
Download

Kwasy nukleinowe i białka