Woda

1. Woda Budowa i właściwości

2. Budowa molekularna + + r r H H  • r = 1,38 · 10-10 m • = 104,5 – 109,5º OH = 0,96 – 1,00 · 10-10 m O --

3. Charakterystyka cząsteczki wody • Kowalencyjne wiązania między atomami tworzącymi cząsteczkę • Kowalencyjne wiązania między cząsteczkami wody gdzie tlen jest akceptorem elektronu a grupa OH – donorem; ich liczba zależy od stanu skupienia wody (lód zawiera 4) • Posiada właściwości polarne wynikające z rozmieszczenia ładunków, a jej moment dipolowy wynosi • = 0.61 · 10-27 C · m

4. Struktura tetraedryczna lodu • Charakterystyka: • Każdy wierzchołek tetraedru zawiera cząsteczkę wody • Odległość między atomami tlenu wynosi 2,76 · 10-10 m • Odległości miedzy tlenem i wodorem tej samej cząsteczki wynoszą 0,99 · 10-10 m • Odległości miedzy tlenem i wodorem sąsiednich cząsteczek wynoszą 1,77 · 10-10 m

5. Struktura krystaliczna lodu • Zależy od ciśnienia i temperatury • W normalnych warunkach gęstość lodu wynosi 920 kg · m-3 a strukturę tworzą pierścienie sześcioczłonowe ułożone w pomarszczone warstwy

6. Struktura krystaliczna lodu • Każda cząsteczka otoczona przez 4 inne (3 w tej samej warstwie i 1 w następnej), • Układ cząsteczek tworzy regularny czworościan w którym poszczególne tetraedry oddalone są o 4,5 · 10-10 m • Atomy wodoru oscylują wokół atomów tlenu w odległości 0,96 · 10-10 m • Nie jest strukturą sztywną ze względu na duży udział wolnej przestrzeni (ok. 66%) • Duży udział wolnej przestrzeni decyduje o kruchości i porowatości lodu.

7. Charakterystyka wody w stanie ciekłym • Nie jest dokładnie poznana (dotyczy to zwłaszcza wody obecnej w układach biologicznych) • Zachowuje część wiązań wodorowych • We współczesnych modelach zakłada się występowanie obszarów nieuporządkowanych i uporządkowanych kulistych (klatrat) lub pentagonalnych

8. Charakterystyka wody w stanie ciekłym Energia potrzebna do zerwania wiązań wodorowych w lodzie (ciepło topnienia) = 333 kJ · kg-1 Ta sama energia w przypadku wody ciekłej (ciepło parowania) = 2260 kJ · kg-1 Wartości te wskazują, że podczas topnienia lodu zrywanych jest tylko 15% wiązań wodorowych

9. Charakterystyka wody w stanie ciekłym • Elementy klaretowe: składają się z 20 cząsteczek rozłożonych równomiernie po powierzchni kuli, przypomina piłkę o bokach z 12 regularnych pięcioboków. W jej wnętrzu znajduje się związana cza steczka wody lub inna. Odległości między atomami większe niż w strukturze lodu, • Elementy pentagonalne: zawierają na krawędziach czworoboki ze zwiniętymi narożnikami. Struktura pośrednia miedzy klaretem i lodem.

10. Zmiany właściwości wody w obecności makrocząsteczek • Zmiany temperatury powodują nieliniowe zmiany parametrów wody, tj. gęstość, lepkość, napięcie powierzchniowe, ciepło właściwe i ciepło parowania na skutek zmian struktury cząsteczki • Bipolimery, za pośrednictwem powierzchni granicznych, stabilizują struktury cząsteczki wody w czasie i przestrzeni • Połączenia między wodą a biopolimerami zmieniają się z częstotliwością 1011 s-1. Ich przykładem są wiązania wodorowe pomiędzy wodą a grupami aminowymi i karboksylowymi białek, które powodują zmiany struktury w białkach

11. Kwasy nukleinowe Biofizyka makrocząsteczek c.d.

12. Kwasy nukleinowe (NA)

13. Lokalizacja DNA w jądrze komórkowym

14. Połączenia DNA i histonów w jądrze komórkowym

15. Funkcje biologiczne • Makrocząsteczki o właściwościach polinukleotydów i wysokiej masie cząsteczkowej,

16. Funkcje biologiczne • Makrocząsteczki o właściwościach polinukleotydów i wysokiej masie cząsteczkowej, • Tworzą strukturę genów i bezpośrednio biorą udział w biosyntezie białka.

17. Właściwości chemiczne • Ze względu na udział 3 atomów H w cząsteczce H3PO4 i reszty pentozy tworzy jednozasadową strukturę diestrową, • pK reakcji jonizacji wynosi ok. 1,0, co decyduje o stabilności przy niskich wartościach pH, • Mają skłonność do łatwego tworzenia soli – nukleinianów, powstających z udziałem anionu nukleinowego, • Reszty cukrowcowe łączą się z heterocyklicznymi zasadami azotowymi za pośrednictwem wiązań N-glikozydowych

18. Właściwości chemiczne • Pentozy występują w formie -furanozowej, • Ryboza w gorących kwasach przekształca się w furfural, co stanowi podstawę reakcji orcynolowej, • Deoksyryboza w podobnym środowisku tworzy kwas -hydroksylewulinowy, który reaguje z difenyloaminą, • Ze względu na wiązania N-glikozydowe kwasy nukleinowe nie ulegają hydrolizie zasadowej, a jedynie kwaśnej (w przypadku RNA hydrolizę zasadową umożliwia obecność grupy 2’-hydroksylowej)

19. Jednostki strukturalne • Polinukleotydy (kwasy nukleinowe)

20. Jednostki strukturalne • Oligonukleotydy (fragmenty złożone z kilku nukleotydów)

21. Jednostki strukturalne • Nukleotydy (rybotydy, deoksy- rybotydy) • Nukleozydy (rybozydy, deoksyry- bozydy)

22. Zasady azotowe (aminy drugorzędowe) Purynowe Pirymidynowe

23. Pentozy

24. Pentozy

25. Kwas fosforowy (fosforan) H3PO4

26. Komplementarność zasad według Watson’a i Crick’a

27. 2’metylo-ryboza, Zasady metylowane, acetylowane, zredukowane i modyfikowane na inne sposoby, Pseudourydyna (nukleozyd, w którym U łączy się z rybozą wiązaniem C-G’ Oligosacharydowe łańcuchy boczne w DNA wirusowych, Rzadkie zasady i nukleozydy: ksantyna (Xan) i ksantozyna (Xao), hipoksantyna (Hyp), inozyna (Ino), kwas orotowy i orotydyna (Oro i Ord) Składniki nietypowe

28. Składniki nietypowe • Cukry inne niż ryboza, których obecność zaznacza się stosując przed skrótem nazwy nukleozydu lub nukleotydu odpowiednią małą literę, np. dThd, 3’-dGMP, 5’-dGMP d – deoksyryboza, a – arabinoza, x – ksyloza, l - liksoza

29. Składniki nietypowe (nukleozydy)

30. Zasady zapisu sekwencji kwasu nukleinowego • Natura cukru dla RNA i DNA wynika jedynie z zapisu, • Dla identyfikacji poszczególnych nukleotydów stosuje się pojedyncze litery (A, G, C, U, T), • Obecność grupy fosforanowej zaznacza się znakiem łącznika, • Modyfikacje zasad oznacza się za pomocą małych liter umieszczonych przed dużymi lub indeksów • Modyfikacji cukrów zapisuje się za pomocą małych liter po symbolach nukleozydów

31. Zapis sekwencji kwasów nukleinowych - U – 5’UMP U - – 3’UMP A - U – fosforan dwunukleozydowy bez wolnej grupy fosforanowej A - U - – fosforan dwunukleozydowy z wolną grupą fosforanową przy końcu 3’ - A - U – fosforan dwunukleozydowy z wolną grupą fosforanową przy końcu 5’

32. Zapis sekwencji kwasów nukleinowych c.d. A – C – G – T – G – A – T - fragment łańcucha kwasu nukleinowego zawierający grupę –OH przy końcu 5’ i grupę fosforanową przy końcu 3’ A p C p G p T p G p A p T p Modyfikacja powyższego zapisu polegająca na zamianie znaku „-” literą „p” oznaczającą grupę fosforanową ppA – ADP; pppA - ATP

33. Zapis sekwencji kwasów nukleinowych c.d. A – U! - wykrzyknik oznacza obecność 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 oznaczające 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 cząsteczki Forma przestrzenna, którą przyjmują cząsteczki w wyniku wszystkich oddziaływań wewnątrz cząsteczkowych, które mogą być dodatkowo modyfikowane przez czynniki zewnętrzne

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 poprzedziły: • badania rentgenograficzne Rosalind Franklin, dotyczące kwasów strąconych z roztworów wodnych poprzez dodanie rozpuszczalników organicznych, • Opracowanie reguł PeroChargraffa, na podstawie stosunku zasad azotowych w kwasach nukleinowych

40. Reguły Chargraffa (1950) 1. [A] = [T] 1. [G] = [C]

41. Reguły 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 drugorzędowa kwasów nukleinowych W oparciu o reguły Chargraffa i metody pośrednie, stwierdzono że • G + C = 38%, co daje G = 19% i C = 19%; • A + T = 62%, co daje z kolei A = 31% i T = 31%

44. Struktura drugorzędowa kwasów nukleinowych • Analiza rentgenostrukturalna wykonana przez Rosalind Franklin wskazywała na istnienie w cząsteczce DNA konformacji helikalnej

45. Rentgenogram DNA

46. Nadbudowanie zasad • Zasady sąsiadujące ze sobą w heliksie, pomimo iż nie są komplementarne, orientują się w sposób równoległy względem cząsteczek sąsiednich, • Oddziaływanie to jest stosunkowo silne i umożliwia wykrywanie wpływu określonych zasad daleko od ich lokalizacji.

47. Struktura drugorzędowa DNA – klasyczny model Watsona i Cricka

48. Struktura drugorzędowa 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 cząsteczek, uwzględniające możliwe układy stereodynamiczne i energetyczne, zgodnie z zasadą, że stabilnym (optymalnym) konformacjom muszą towarzyszyć minimalne wartości energii