Kwasy nukleinowe i białka
advertisement
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”
