Основы молекулярной биологии

1. Воробьев Павел Евгеньевич

ВОРОБЬЕВ ПАВЕЛ ЕВГЕНЬЕВИЧ
• к.х.н., доцент КМБиБ НГУ
• н.с. ЛХРНК ИХБФМ СО РАН
• [email protected]

2. Основы молекулярной биологии

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ
БИОЛОГИИ
Часть 1. Нуклеиновые кислоты,
белки, нуклеопротеиды

3. Нуклеиновые кислоты

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
• Строение
• Структура
• Методы исследования
• Химический синтез

4. Химическое строение

ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ
NH2
N
N
O
HO
P
O
N
O
OH
OH
N

5. Азотистые основания

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ
6
5
7
N
6
N
1
5
N1
NH 4 N
2
8
4
N
3
2
пиримидин
9
3
пурин

6. Азотистые основания

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ
O
NH2
N
NH
N
аденин
NH2
N
N
O
H
цитозин
N
N
NH
NH
N
гуанин
NH2
O
O
NH
N
O
H
тимин
NH
N
O
H
урацил

7. Моносахариды

МОНОСАХАРИДЫ
1
CHO
1
H
2
2
H
3
H
4
OH
OH
OH
5
CH2OH
D-рибоза
H
H
H
CHO
3
4
H
OH
OH
5
CH2OH
2-дезокси-D-рибоза

8. Рибофуранозы

РИБОФУРАНОЗЫ
HO
HO
5
OH
O
4
H
H
H
3
2
OH
5
1
H
OH
D-рибофураноза
OH
O
4
H
H
1
H3
OH
2
H
H
2-дезокси-D-рибофураноза

9. Нуклеозид

НУКЛЕОЗИД
Рибонуклеозиды:
NH2
7
HO
6
N
5
N1
9 N
4
2
8
5'
O
4'
H
H
2'
3'
H
OH
1'
H
OH
аденозин
N
3
A – аденозин (Ade)
G – гуанозин (Guo)
С – цитидин (Cyd)
rТ – риботимидин (rThd)
U – уридин (Urd)
Дезоксирибонуклеозиды:
dA – дезоксиаденозин (dAde)
dG – дезоксигуанозин (dGuo)
dС – дезоксицитидин (dCyd)
Т – тимидин (Thd)
dU – дезоксиуридин (dUrd)

10. Межнуклеотидный фосфат

МЕЖНУКЛЕОТИДНЫЙ
ФОСФАТ
NH 2
N
N
OH
O
H
H
H
O
H
O P
N
N
H
NH 2
O-
N
O
всегда ионизован
N
O
H
H
H
OH
H
H
O

11. Двойная спираль

ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ

12. Методы исследования пространственной структуры нуклеиновых кислот

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ
НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
• Рентгеноструктурный анализ:
• волокна ДНК
• кристаллы
• ЯМР
• Молекулярное моделирование

13. рентгеноструктурный анализ

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ
АНАЛИЗ
1,6 Å - кристалл
3,4 Å - волокно

14. карты электронной Плотности

КАРТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ
ПЛОТНОСТИ
0,9 Å
1,25 Å
• разрешение зависит от
максимального
регистрируемого
значения угла
дифракции при данной
длине волны
• r = λ/2sinΘ
1,5 Å
2,0 Å
2,5 Å

15. Ключевые параметры эксперимента

КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ
ЭКСПЕРИМЕНТА
• качество и размер кристалла
• мощность источника излучения

16. Ядерный магнитный резонанс

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ
РЕЗОНАНС
• 1. Классический (одномерный ) ЯМР – двугранные углы
между соседними ядрами
• 2. Двумерный ЯМР (ядерный эффект Оверхаузера) –
расстояния между протонами короче 5Å.
Итог – набор параметров, который может быть использован для
восстановления полной структуры с использованием методов
молекулярной динамики.

17.

18. Конформации моносахаридов

КОНФОРМАЦИИ
МОНОСАХАРИДОВ
Циклопентан
твист
конверт
Нуклеозид

19. Конформации нуклеозидов

КОНФОРМАЦИИ НУКЛЕОЗИДОВ
O
O
N
NH
NH2
NH
OH
N
OH
N
O
H
H
N
NH2
N
O
H
H
OH
OH
анти
N
H
H
H
OH
H
OH
син

20.

21. Изоморфизм пар оснований

ИЗОМОРФИЗМ ПАР
ОСНОВАНИЙ

22. Параметры Дикерсона

ПАРАМЕТРЫ ДИКЕРСОНА

23. Пропеллерный твист

ПРОПЕЛЛЕРНЫЙ ТВИСТ

24. Торсионные углы

ТОРСИОННЫЕ УГЛЫ
H
CH
CH
H3 3
H
H
H
H
H
CH3
CH3
H
H
H
H
H
цис
H
H
гош(+)
CH3
H
H
H
CH3
H
H
гош(–)
H
CH3
H
H
H
H
CH3
транс

25. Параметры спиралей ДНК

ПАРАМЕТРЫ СПИРАЛЕЙ ДНК
Параметр
А-форма
В-форма
Z-форма
Направление
закрутки
правая
правая
левая
Число пар оснований 11–12
на один виток
10
12
Расстояние
между 2,3
основаниями, Å
3,3
3,8
Пропеллерный твист
18°
16°
0°
Гликозидная связь
анти
анти
анти
син

26.

27. B-форма ДНК

B-ФОРМА ДНК

28.

29. А-форма

А-ФОРМА

30.

31. Z-форма

Z-ФОРМА

32. Расположение пар оснований относительно оси спирали

РАСПОЛОЖЕНИЕ ПАР ОСНОВАНИЙ
ОТНОСИТЕЛЬНО ОСИ СПИРАЛИ
В
А

33. Z

34.

35. Комплексы нуклеиновых кислот

КОМПЛЕКСЫ НУКЛЕИНОВЫХ
КИСЛОТ
• Стабилизация:
• H-связи
• Стэкинг-взаимодействие
• Дестабилизация
• Электростатическое отталкивание полианионов

36. Спектры поглощения

СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ

37. Денатурация: плавление ДНК

ДЕНАТУРАЦИЯ: ПЛАВЛЕНИЕ
ДНК

38. Кривые термической денатурации

КРИВЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ДЕНАТУРАЦИИ
Интегральная
Дифференциальная

39. Зависимость температуры плавления дуплекса от концентрации катионов

ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ
ДУПЛЕКСА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ КАТИОНОВ
Tm , oC
100
90
72%
80
50%
70
33%
60
24%
50
-2.5
-2
-1.5
+
lg[Na ] -1
-0.5
0
Дуплексы с более высоким содержанием GC-пар (%) более
стабильны.

40. Таутомерия

ТАУТОМЕРИЯ
O
N
OH
NH
N
N
Rib
лактам
NH2
NH2
N
N
N
N
Rib
лактим
NH
N
N
Rib
енамин
NH
O
N
O
Rib
кетимин
NH2

41. Кислотно-основные свойства

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
Нуклеозид
Аденозин
Положение
N1
рКа
3.6
Цитидин
N3
4.2
Гуанозин
N7
1.6
Гуанозин
N1
9.2
Уридин
N3
9.5
Тимидин
N3
9.7