Chemické vlastnosti, struktura a interakce nukleových kyselin Bi7015 Chemická reaktivita NK. • Hydrolýza NK, redukce, oxidace, nukleofily, elektrofily, alkylační činidla. • Mutageny, karcinogeny, protinádorově účinné látky. • Interakce DNA s UV a ionizujícím zářením. • Maxamovo a Gilbertovo sekvencování, chemické strukturní sondy. • Poškození DNA a jeho detekce. • Základní mechanismy opravných procesů Nekovalentní interakce DNA s malými molekulami. • Iontové interakce, vazba do žlábku, interkalace. • Bisinterkalátory, „provlékající se“ (threading) interkalátory, metalointerkalátory. • Přenos náboje/elektronů zprostředkovaný dvoušroubovicí DNA. • Analytické využití interkalátorů a látek vázajících se do žlábku; chemické nukleázy. Interakce DNA s proteiny. • Principy, funkční skupiny DNA a proteinů zprostředkující vzájemné interakce. • Nespecifické a sekvenčně specifické interakce. • Příklady sekvenčně specifických interakcí (např. helix-otáčka-helix, zinkové domény). HMG proteiny. • Příklady: Mechanismus interakce restrikčních endonukleáz s DNA. Interakce proteinu p53 s DNA. • Základní metody studia interakcí bílkovin s DNA; EMSA, imuno-techniky, footprinting DNA. Enzymy účastnící se metabolismu NK. • DNázy, RNázy, polynukleotidfosforyláza. • Endonukleázy rozpoznávající jednořetězcové NK • Enzymy účastnící se opravných procesů. • Topoizomerázy, helikázy. • Ligázy, polynukleotid kináza. • Restrikční endonukleázy, metyltransferázy; metylované baze, metylace DNA u prokaryot a eukaryot. • Využití enzymů při studiu struktury a interakcí DNA. Struktura a funkce ribonukleových kyselin a regulace genové exprese. • Ribozomální, transferové a informační RNA. • Sestřih prekurzorových RNA. • Katalytické funkce RNA, samosestřih. • RNA interference. Regulace genové exprese, úloha RNA; vztah k metylaci DNA. Metodické přístupy. Elektrochemie nukleových kyselin a DNA biosenzory. • Vztah mezi strukturou DNA a jejím chováním na rtuťových a uhlíkových elektrodách. • Elektrochemické biosenzory pro hybridizaci DNA. Značení DNA elektroaktivními skupinami. • Elektrochemické biosenzory pro poškození DNA. Jak jste na tom s chemií? Základní pojmy • vodíková vazba • iontové interakce • hydrofóbní interakce a stacking („stohové interakce“) • esterová vazba • glykosidová vazba N-glykosidová vazba • peptidová vazba • hydrolýza • oxidace, redukce • elektrofil, nukleofil • tautomerie, enol-keto, amino-imino Vodíková vazba Vodíková vazba • naprosto zásadní význam pro biologii • vlastnosti vody (!) • párování bazí v NK • struktura bílkovin • DNA-protein interakce • řada dalších interakcí Iontové interakce • někdy „solné můstky“ • opačné náboje se přitahují • fosfátové zbytky v DNA (-) • protonizované dusíkaté skupiny v bílkovinách (Arg, Lys, His) (+) • karboxylové skupiny v bílkovinách (-) • navzájem nebo s jinými molekulami, anorganickými ionty (Mg^2+) apod. Hydrofóbní interakce • shlukováním hydrofóbních (s vodou neinteragujících) skupin se získají nové interakce mezi molekulami vody (kapičky oleje ve vodě se spojí, tím se zmenší jejich celkový povrch) • podobně se chovají hydrofóbní části proteinů (aminokyseliny s nepolárními postranními řetězci se orientují dovnitř prostorové struktury bílkoviny) • v DNA – metylové skupiny thyminu a 5-metyl cytosinu Stacking Fosfodiesterová vazba • estery: produkty kondenzace (reakce za odštěpení vody) kyselin a alkoholů • v NK: fosfodiestery mezi dvěma cukernými zbytky N-glykosidová vazba • glykosidy: deriváty cukrů, ve kterých je poloacetalová nebo poloketalová skupina nahrazena jiným zbytkem • u nukleosidů je to dusíkaté báze (nukleobáze) Peptidová vazba • = vlastně vazba amidová • produkt kondenzace karboxylové kyseliny a aminu Hydrolýza • štěpení chemické vazby přenosem na molekulu vody • u NK a proteinů v kyselém nebo alkalickém prostředí • fosfodiesterová vazba • N-glykosidová vazba • peptidová vazba Oxidace, redukce • reakce zahrnující přenos elektronů • často za účasti kyslíku – nejběžnější oxidační činidlo Elektrofil, nukleofil • elektrofil, elektrofilní centrum: částice nebo místo v molekule s elektronovým deficitem (parciálním kladným nábojem) • s oblibou reaguje s nukleofilem • nukleofil, nukleofilní centrum: částice nebo místo v molekule s elektronovým přebytkem (parciálním záporným nábojem) • s oblibou reaguje s elektrofilem • v nukleobazích heteroatomy (N, O) Tautomerie • izomerie mezi enol-keto, amino-imino, laktam-laktim • v bazích DNA: klíčová stabilita jedné z možných tautoforem, neboť předurčuje specificitu párování • mutagenní efekt některých modifikací bazí