Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 1 Doc. Mgr. Karel Kubíček, Ph.D. F1190: Nukleové kyseliny 2 Nucleic Acids, Karel Kubíček Autumn Semester 2021 Nukleové kyseliny Doporučená literatura: 1) 1)Neidle, S.: Principles of Nucleic Acid Structure, Elsevier, AP, 2008 2)Calladine, C.R., Drew, H.R., Luisi, B.F., Travers, A.A.: Understanding DNA – The Molecule and How It Works, 3rd Ed., Elsevier Academic Press, 2004 3)Bates, A.D., Maxwell, A.: DNA Topology, Oxford Bioscience, 2005 4)Cotterill, R.: Biophysics: An Introduction, John Wiley & Sons, Ltd. 2002 5)Voet, D, and Voetová, J.G.: Biochemie, Victoria Publishing 6)Murray, R.K., Granner, D. K., Mayes, P., A., Rodwell, V., W.: Harper’s Illustrated Biochemistry, Lange Medical Books, 2003 7)Schuenemann, V.: Biophysik: Eine Einfuehrung, Springer, 2005 8)Garrett, R.H., Grisham, C.M.: Biochemistry, 2nd ed., 1999 9)Bergethon, P.R., The Physical Basis of Biochemistry: The Foundations of Molecular Biophysics, 2nd ed., Springer, 2010 Nukleové kyseliny - -DNA -RNA -PNA Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 3 three_types_atom_movement.gif Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 4 H2_graf.gif Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 5 Screen Shot 2012-10-29 at 9.06.28 PM.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 6 Screen Shot 2012-10-29 at 9.07.57 PM.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 7 ∆The disulfide (-S-S-) bond is strong, with a typical bond dissociation energy of 60 kcal/mole (251 kJ mol-1). However, being about 40% weaker than C-C and C-H bonds, length ~205pm (cca 50pm longer than –C-C-). Bond Length (pm) E(kJ/mol) H-H 74 436 H-C 109 413 H-N 101 391 H-O 96 366 H-F 92 568 C-C 154 348 C=C 134 614 C-N 147 308 C-O 143 360 C-S 182 272 C-F 135 488 N-N 145 170 O-O 148 145 O=O 121 498 1kcal=4.184kJ; pm=1.10-12m Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 8 F−H…:F (161.5 kJ/mol or 38.6 kcal/mol) O−H…:N (29 kJ/mol or 6.9 kcal/mol) O−H…:O (21 kJ/mol or 5.0 kcal/mol) N−H…:N (13 kJ/mol or 3.1 kcal/mol) N−H…:O (8 kJ/mol or 1.9 kcal/mol) HO−H…:OH+3 (18 kJ/mol[10] or 4.3 kcal/mol; data obtained using molecular dynamics as detailed in the reference and should be compared to 7.9 kJ/mol for bulk water, obtained using the same molecular dynamics.) Screen Shot 2012-10-30 at 8.52.14 AM.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 9 logo_PrF.pdf Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 10 jádro párované báze dsDNA chromozóm chromatidy teloméra teloméra histony centroméra Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 11 Základní stavební kameny nukleových kyselin: 1)Báze i)Purinové – menší, číslování arom. kruhu protisměru hod. r., adenin (A), guanin (G), obecně R ii)Pyrimidinové – větší, číslování ve směru hod. r., cytosin (C), uracil (U), thymin (T), obecně Y 2)Cukr – 2’-deoxyribóza (DNA), ribóza (RNA) 3)Fosfát 4) Báze: 1)Standardní 2)Modifikované: N6-methyl-dA, 5-methyl-dC, xanthin, hypoxanthin, uric acid, 7-methylguanine, dimetylaminoadenin 12 Nucleic Acids, Karel Kubíček Autumn Semester 2021 purin_pyrimidin.png Purin (R) Pyrimidin (Y) Autumn Semester 2021 13 Nucleic Acids, Karel Kubíček UC.png T.png AG.png Autumn Semester 2021 14 Nucleic Acids, Karel Kubíček UC.png T.png AG.png Vyměnitelné a aromatické vodíkové atomy Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 15 charges_dna.png Hustoty nábojů v nukleotidech rozdělené podle Del Reho s nábojů (Roman) a Hückelových p nábojů (kurzíva) Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 16 Screen Shot 2011-09-26 at 1.28.53 PM.png dna_bonds_angles.png Vazebné parametry bází nukleových kyselin Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 17 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 18 stimulanty.png Stimulanty obsažené v kávě , čaji a čokoládě jsou metylované puriny Me=CH3 theophylline* * Obsažen v čaji, ale není stimulantem Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 19 tautomerie.png Tautomerie amino (amin<->imin) a keto (keto<->enol forma) skupin purinů a pyrimidinů, fyziologické podmínky favorizují amino a keto formy Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 20 Nukleosidy a nukleotidy ATP_ADP_AMP.png Nukleotid vzniká esterifikací fosforylu na –OH skupinu nukleosidu. V riboze lze esterifikovat 3 skupiny (ve 2’-deoxy-riboze pouze 2 –OH skupiny) , přesto má drtivá většina ribonukleotidů fosfát v poloze 5’. Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 21 sid_tid.png Název báze, X=H Nukleosid, X=(deoxy)ribóza Nukleotid, X= fosfo.ribóza Adenin Adenosin Adenosinmonofosfát AMP Guanin Guanosin Guanosinmonofosfát GMP Cytosin Cytidin Cytidinmonofosfát CMP Uracil Uridin Uridinmonofosfát UMP Thymin Thymidin Thymidinmonofosfát TMP Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 22 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 23 Cukr furanoza_deoxy_riboza.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 24 AMP dAMP UMP dTMP Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 25 syn_anti.png Vlivem stérického bránění báze se vyskytují dvě konformační uspořádání báze-cukr: syn/anti Oba způsoby uspořádání se vyskytují v přírodě, přičemž ANTI převažuje Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 26 suger_pucker01.jpeg suger_pucker01.jpeg suger_pucker01.jpeg suger_pucker01.jpeg Konformace cukru - Sugar pucker dna__sugar_bonds_angles.png Vazebné parametry cukerných zbytků nukleových kyselin Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 27 backbone_sugarKK.gif Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 28 Fosfát; páteř nukleové kyseliny tetrahedral_fosfat.png mono_pater.png Tetrahedrální uspořádání fosfátové skupiny (a), volnost rotace (b) Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 29 paterDNA.tiff Páteř nukleové kyseliny náboj 2- 1- 1- 1- protináboj negativně nabité páteři: Na+, K+ Báze v páteři nukleových kyselin číslujeme od 5’-konce směrem ke 3’-konci: 5’-GCAT-3’ Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 30 DNA_RNA.png RNA DNA Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 31 DNA_RNA.png RNA DNA Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 32 wrong_dna_pauling.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.24.53.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.25.19.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 33 watson_crick.png Párování bází NK: Watson-Crick, NC za medicínu a fyziologii 1962 [Watson(*1928)] Vodíkové vazby Jednotlivé řetězce dvojité šroubovice drží díky complementárními vazbami N•••H-N a =O•••H-N, které vznikají mezi Cytosinem a Guaninem a Thyminem a Adeninem. Hbond.png Každá vodíková vazba přispívá cca 20 kJ/mol ke stabilizaci dvojšroubovice Autumn Semester 2021 34 Nucleic Acids, Karel Kubíček Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 35 AT.png GC.png rozložení náboje v nukleobázích + 0 -, šipky označují dipólový moment Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 36 base_pairing.png AT.png GC.png Watson-Crickovské párování bazí dna_wc_base_pairing.png dna_base_pairing_hoogsteen.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 37 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 38 dna_karelk.jpg double.jpg DNA_Overview1.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 39 Screen Shot 2014-10-21 at 08.39.34.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.40.47.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 40 Screen Shot 2014-10-21 at 08.29.54.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.29.54.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.37.53.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 41 Screen Shot 2014-10-21 at 08.40.13.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.40.47.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 42 Screen Shot 2014-10-21 at 08.44.03.png Screen Shot 2014-10-21 at 08.42.45.png Geometrie páru bazí duplex_characteristics_twist_roll_shear.jpg http://nar.oxfordjournals.org/content/31/17/5108/F1.large.jpg Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 43 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 44 Interkalace – vmezeření 1)Planární molekuly (nejčastěji organické polycyklické aromatické kruhy) mohou interagovat s molekulami nukleových kyselin interkalací, tzn. vmezeřením se mezi dvě po sobě jdoucí báze n. páry bazí 2)Důsledkem je změna strukturních parametrů dvoušroubovice => narušení např. replikace DNA 3)Chemoterapie, značení nukleových kyseliny (ethidium bromid) atp. 800px-Ethidium_bromide.png Ethidium bromide !!! Mutagenní !!! Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 45 800px-DNA_intercalation2.jpg Ethidium bromide DNA Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 46 1s8.1.png 1s8.png Decamer DNA šroubovice interkalovaný dvěma 2-HYDROXY-3-(PYREN-1-YLMETHOXY)PROPYL DIHYDROGEN fosfátovými bázemi (PDB ID: 1S88) Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 47 1x95.png Hexamer DNA šroubovice interkalovaný bispphenazinem – protinádorovým léčivem (1-METHYL-9-[12-(9-METHYLPHENAZIN-10-IUM-1-YL)-12-OXO-2,11-DIAZA-5,8-DIAZONIADODEC-1-ANOYL]PHENAZIN -10-IUM) PDB ID: 1X95 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 48 Peptidová nukleové kyseliny (PNA) -Nejsou kyselinami!!! -Jsou syntetické, nicméně se předpoládá(lo), že mohli figurovat jako vývojový stupeň v počátcích vzniku života (naproti tomu stojí “RNA svět”) -Nemají v páteři negativně nabitý fosfát => silnější vazba mezi bázemi Screen Shot 2012-11-20 at 9.44.00 AM.png N-aminoethyl glycin Screen Shot 2012-11-27 at 12.14.04 PM.png Screen Shot 2012-11-20 at 9.44.00 AM.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 49 Screen Shot 2012-11-20 at 9.45.17 AM.png a - triplexová struktura, b – triplexová struktura nahrazením jednoho DNA řetězce, c – duplexová struktura nahrazením jednoho DNA řetězce Interakce mezi PNA a DNA dvoušroubovicí Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 50 ABZ_DNA.png Nejběžnější typy DNA: B-DNA (a), A-DNA (b), Z-DNA (c) DNA konformace B A Z Směr vinutí pravotočivá pravotočivá levotočivá Počet parů bazí na otáčku 10.5 11.0 12.0 Průměr šroubovice ~2.0 nm ~2.6 nm ~1.8 nm Konformace cukru C2’-endo C3’-endo C2’-endo (pyr) C3’-endo (pur) Velký žlábek Major groove široký, hluboký úzký, hluboký plochý Malý žlábek Minor groove úzký, hluboký široký, mělký úzký, hluboký dna_torsions.png torsion_angle_definition.png Definice dihedrálních a torzních úhlů Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 51 aI_aII_bI_bII_zI_zII.png Nucleic Acids Research, 2008, Vol. 36, No. 11, 3690–3706 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 52 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 53 Stabilita DNA dvojšroubovice: 1)Vodíkové můstky 2)Londonovy disperzní síly (LDF), dipól-dipólové interakce 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3)Patrové interakce – stacking Nukleopár Vodíkové vazby LDF Celková E A:T -26 +1.0 -25.0 G:C -40 -16.3 -56.3 Energie v kJ/mol A:T – opačné dipóly, G:C – působí atraktivně Působí mezi jednotlivými patry nukleopárů, stabi-lizují dvojšoubovici díky elektronovým korelacím, van der Waalsovým a Coulombickým interakcím Screen Shot 2011-09-26 at 6.02.19 PM.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 54 Non-Watson-Crickovské (Hoogsteenovo – Karsten Hoogsteen) párování bazí Triplexové struktury triplex_bonding.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 55 Hoogsteen.png triplex.png Triplexové struktury Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 56 Quadruplexové struktury quadruplex.png LUK-obr2.005.tiff Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 57 Polymorfie telomerických opakování in vitro Na+ K+ K+ K+ K+ Wang et al. Structure (1993) Parkinson et al. Nature (2002) Lim et al. J Am Chem Soc. (2009) Dai et al. Nucleic Acids Res. (2007) Ambrus et al. Nucleic Acids Res. (2006) X-ray NMR NMR Sekvenčně závislé K+/PEG Heddi et al. J Am Chem Soc. (2011) Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 58 Polymorfie telomerických opakování in vivo Hansel et al. Nucl Acids Res (2011) In-cell NMR ? X Sekvenčně závislé Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 59 Autumn Semester 2021 60 Další významné formy DNA: 1)Hollidayův spoj (Holliday junction) klíčový meziprodukt v mnoha typech genetické rekombinace a také při opravě dvouřetězcových zlomů. 2) 2) 2) 2) 2)displacement loop (D-loop, D-smyčka) 3)R-loop (R-smyčka) 4) 4) 4)Křížová struktura DNA (cruciform) 5) 5) 5) 5)i-motif DNA 6) 6)DNA nanotechnologie – DNA origami Diagram, schematic Description automatically generated A screenshot of a computer Description automatically generated with medium confidence Diagram, schematic Description automatically generated Pictures credited to: wikipedia.org Nucleic Acids, Karel Kubíček Autumn Semester 2021 61 Další významné formy DNA: 1)Hollidayův spoj (Holliday junction) klíčový meziprodukt v mnoha typech genetické rekombinace a také při opravě dvouřetězcových zlomů. 2) 2) 2) 2) 2)displacement loop (D-loop, D-smyčka) 3)R-loop (R-smyčka) 4) 4) 4)Křížová struktura DNA (cruciform) 5) 5) 5) 5)i-motif DNA / i-motif RNA 6) 6)DNA nanotechnologie – DNA origami Pictures credited to: wikipedia.org Nucleic Acids, Karel Kubíček Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 62 kazdodenni_modely_DNA.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 63 Superhelikální cirkulární DNA Lk = Wr + Tw Lk - linking () – topologická vlastnost cirkulární DNA, udává, kolikrát je jeden řetězec DNA obtočen kolem druhého v pravotočivém směru (vzhledem k tomu, že referenční je B-DNA). Lk zůstává pro danou cirkulární DNA konstantní (neboť “konce” jsou zafixované a nemůže docházet k rozvinutí). Lk nabývá vždy celočíselných hodnot (konce DNA dvoušroubovice na sebe musí “pasovat”, aby došlo k uzavření kruhu). Tw - twisting (otočení) – v relaxovaném stavu se Tw=Lk. Tw udává počet 360° otoček, které jsou na dvojšroubovici podél celé kružnice. Vzhledem k tomu, že pro B-DNA připadá cca 10 párů bazí na jednu otočku, Tw je přibližně rovno počtu párů bazí / 10. Pro pravotočivé otáčky je Tw kladné. Wr - writhing (skřížení) – z důvodu strukturních “potřeb” DNA různé hodnoty Lk kružnice mohou způsobit nikoliv změnu v otáčkách (Tw), ale vznik superhelixu (superšroubovice). Vznik superhelixu je definován číslem Wr. Pro pravotočivé superšroubovice je Wr záporné!!! Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 64 Screen Shot 2012-11-27 at 1.09.28 PM.png Vzhledem k tomu, že má DNA tendenci udržet B-DNA topologii, Tw se zvýší zpět na 42. Lk je ovšem topologické číslo, které MUSÍ zůstat konstantní, tedy 36 a k zachování rovnice Lk=Wr+Tw Wr musí nabýt hodnoty Wr=-6. dna_super_coil_writhing.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 65 Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 66 circular_DNA.png Autumn Semester 2021 Nucleic Acids, Karel Kubíček 67 supercoil.png