Kémiai Intézet Kémiai Laboratórium. F o t o n o k k e r e s z tt ü z é b e n a D N S

Átírás

1 Szalay SzalayPéter Péter egyetemi egyetemi tanár tanár ELTE, ELTE,Kémiai Kémiai Intézet Intézet Elméleti ElméletiKémiai Kémiai Laboratórium Laboratórium F o t o n o k k e r e s z tt ü z é b e n a D N S

2 DNS-molekula A dezoxiribonukelinsav (DNS) a genetikai információ hordozója

3 A DNS felépítése Kettős spirál: foszfát lánc bázispárok kötik össze bázisok cukorral kapcsolódnak Információ: bázispárok

4 A DNS felépítése: nukleobázisok timin timin Purinvázas Purinvázas Pirimidinvázas Pirimidinvázas citozin citozin guanin guanin adenin adenin

5 A DNS felépítése: cukor rész dezoxi-ribóz dezoxi-ribóz ribóz ribóz

6 A DNS felépítése nukleozid: nukleobázis + cukor guanozin guanozin citidin citidin

7 A DNS felépítése: foszfát kapcsolat

8 A DNS felépítése: Watson-Crick bázis pár adenin-timin adenin-timin bázispár bázispár guanin-citozin guanin-citozin bázispár bázispár

9 Hidrogénkötés H ----: H-donor H-donor H-akceptor H-akceptor Pillératomok: O, N, F,

10 A DNS felépítése: Watson-Crick bázis pár adenin-timin adenin-timin bázispár bázispár guanin-citozin guanin-citozin bázispár bázispár

11 A DNS felépítése: Watson és Crick (1953)

12 A DNS-molekula és a fény Mitől félünk? UV fény hatására mutáció lép fel Betegséghez (rák) vezethet

13 ELMÉLETI ELMÉLETI HÁTTÉR HÁTTÉR Newton Newton kísérletei kísérletei aa napfénnyel: napfénnyel: Sir Isaac Newton ( )

14 A hidrogénatom spektruma Ångström Ångström (1871) (1871) XX. XX. század század eleje: eleje: AA hidrogénatom hidrogénatom energiája energiája nem nem lehet lehet akármekkora akármekkora Bohr-féle Bohr-féle atommodell atommodell Kvantummechanika Kvantummechanika

15 AA fény fény és és az az anyag anyag kölcsönhatása kölcsönhatása A kvantummechanika szerint mikrorendszerek, A kvantummechanika szerint mikrorendszerek, így ígyatomok atomokés és molekulák molekulákenergiája energiájanem nemlehet lehet bármekkora bármekkora Az Az energiaszintek energiaszintekközött közöttátmenetet átmenetet lehet lehet létrehozni létrehozni aamegfelelő megfelelő hullámhosszú hullámhosszú fénnyel: fénnyel: Bohr-feltétel : EE==EE2 E = h Bohr-feltétel : 2 E11 = h Ha Haaa rendszer rendszer fényt fényt nyel nyelel, el,magasabb magasabb energiaszintre energiaszintrekerül: kerül:

16 AA fény fény és és az az anyag anyag kölcsönhatása kölcsönhatása A kvantummechanika szerint mikrorendszerek, A kvantummechanika szerint mikrorendszerek, így ígyatomok atomokés és molekulák molekulákenergiája energiájanem nemlehet lehet bármekkora bármekkora Az Az energiaszintek energiaszintekközött közöttátmenetet átmenetet lehet lehet létrehozni létrehozni aamegfelelő megfelelő hullámhosszú hullámhosszú fénnyel: fénnyel: Bohr-feltétel : EE==EE2 E = h Bohr-feltétel : 2 E11 = h AArendszer rendszer fény fénykibocsátásával kibocsátásávalvisszakerül visszakerül az az alacsonyabb alacsonyabb energiájú energiájú állapotba: állapotba: AAGERJESZTETT GERJESZTETTÁLLAPOT ÁLLAPOTÉLETTARTAMA ÉLETTARTAMAVÉGES!!!!! VÉGES!!!!!

17 AA fény fény és és az az anyag anyag kölcsönhatása kölcsönhatása Elektromágneses spekrum

18 Energiaszintek Energiaszintek aa molekulában molekulában H H22 molekula: molekula: σ* σ energiadiagram pályák

19 Energiaszintek Energiaszintek aa molekulában molekulában H H22 molekula: molekula: Ha Ha változtatjuk változtatjuk aa kötéshosszt, kötéshosszt, az az energia energia változik: változik: potenciális potenciális energia energia felületek felületek σ* σ

20 A formaldehid elektronszerkezete ππ --π* π* gerjesztés gerjesztés üres üres(virtuális) (virtuális) π* π* betöltött betöltött ππ betöltött betöltött nemkötő nemkötő (n) (n) nn --π* π* gerjesztés gerjesztés

21 elnyelés Spektrum Spektrum hullámhossz λ spektrum

22 abszorbancia Abszorpciós Abszorpciós spektrum hullámhossz λ

23 intenzitás Emissziós Emissziós spektrum hullámhossz λ

24 Mi történik a gerjesztés után?

25 Mi történik a gerjesztés után?

26 A DNS-molekula és a fény Mitől félünk? UV fény hatására mutáció lép fel Betegséghez (rák) vezethet

27 A DNS-molekula és a fény Lehetséges szerkezeti változások: Tautomerizáció Egymás fölötti bázisok dimerizációja A molekula széteseik

28 Tautomerizáció Azonos Azonos összegképlet, összegképlet, H-atom H-atom helyzete helyzete különbözik: különbözik:

29 A citozin tautomerei

30 A DNS felépítése: Watson-Crick bázis pár

31 A citozin tautomerei H-donor H-donor H-akceptor H-akceptor

32 Tautomerizáció

33 Nukleobázis dimerek képződése Ciklobután gyűrű keletkezése

34 Az UV sugárzás és a bázisok spektruma

35 A gerjesztett állapotok élettartama

36 Nukleobázisok gerjesztett állapotai Példa: adenin Példa: adenin

37 Nukleobázisok gerjesztett állapotai Üres (virtuális) Példa: adenin Első gerjesztett állapot: π-π* λλvert=246.0 nm vert=246.0 nm Betöltött

38 Nukleobázisok gerjesztett állapotai Példa: Példa: adenin adenin Betöltött Üres (virtuális) Második Második gerjesztett gerjesztett állapot: állapot: n-π* n-π* λλvert=234.8 nm vert=234.8 nm

39 Nukleobázisok gerjesztett állapotai Példa: Példa: adenin adenin Betöltött Üres (virtuális) Harmadik Harmadik gerjesztett gerjesztett állapot: állapot: π-π* π-π* λλvert=237.1 nm vert=237.1 nm

40 Nukleobázisok gerjesztett állapotai Példa: Példa: adenin adenin Betöltött Üres (virtuális) Negyedik Negyedik gerjesztett gerjesztett állapot: állapot: n-π* n-π* λλvert=203.3 nm vert=203.3 nm

41 Adenin UV abszorpciós spektruma Két Két állapot állapot látszik látszik csak csak

42 Az adenin gerjesztett állapotainak potenciálfelülete

43 Az adenin gerjesztett állapotainak potenciálfelülete

44 Elméleti megközelítés Potenciálfelületek Potenciálfelületek számítása számítása aa Schrödinger-egyenletből Schrödinger-egyenletből Az Az atommagok atommagok időbeli időbeli mozgásának mozgásának szimulációja szimulációja AB AB INITIO INITIO számítás: számítás: csak csak elmélet elmélet Video: Dr. Mario Barbatti, Max Planck Intézet, Mühlheim

45

46 Következtetések A nukleobázisok gerjesztett állapota rövid élettartama miatt megnő a fotostabilitás, mert a gerjesztés után nem tölt elég időt a gerjesztett állapotban ahhoz, hogy tautomerizálódjon, vagy dimerizáljon, esetleg szétessen. Ez lehet evolúciós kiválasztás eredménye is, hiszen ez a mechanizmus megakadályozza e molekulák szétesését UV sugárzás hatására.

47 Nukleozidok és nukleotidok gerjesztett állapot élettartama Fluoreszcencia Fluoreszcencia sugárzás sugárzás időfüggése időfüggése Gustavsson, T., Improta, R., & Markovitsi, D. (2010). DNA/RNA: Building Blocks of Life Under UV Irradiation. The Journal of Physical Chemistry Letters, 1(13),

48 Akkor mégsem kell félnünk a környezeti hatásoktól? De igen: Kis valószínűséggel nukleobázisok is átalakulhatnak Metilezett citozin élettartama például tízszer nagyobb mint a citoziné - bizonyos enzimek okoznak metilezést a szervezetben

49 Nukleobázis dimerek gerjesztett állapotai guanin-citozin guanin-citozin Watson-Crick Watson-Crickpár pár adenin-timin adenin-timin π-π π-π szendvics szendvics

50 Watson-Crick pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés a guaninon

51 Watson-Crick pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés a citozinon

52 Watson-Crick pár gerjesztett állapotai Töltésátmenti ( charge transfer ) gerjesztés guaninról citozinra

53 Szendvics pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés a timinen

54 Szendvics pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés az adeninen

55 Szendvics pár gerjesztett állapotai Töltésátmeneti ( charge transfer ) gerjesztés adeninről timinre

56 Vezet-e áramot a DNS? A válasz nem ismert, ellentmondó eredmények: Elmélet: Az előzőek alapján gerjesztés során töltéselmozdulás lehet Egyszerűsített modellek mutatnak vezetést Mit mondanak a pontosabb elméletek? Dolgozunk rajta. Kísérlet: Vannak vezetést mutató és vezetést cáfoló kísérletek Amiről nem szabad elfeledkezni, a DNS környezete: Vízmolekulák nagy számban Foszfát lánc ellenionjai

57 Vezet-e áramot a DNS? de Pablo, P. J. et al. Phys. Rev. Lett. 2000, 85,

58 Elektrontranszfer π stack-en keresztül P. B. Woiczikowski et al. J. Phys. Chem. B, 2011, 115 (32), pp

59 A DNS-liáz enzim működése: dimerizálódott bázisok javítása Sancar, A. Chemical Reviews, 103(6), (2011).

60 Escherichia coli DNS-liáz enzim Park, H.; Kim, S.; Sancar, A.; Deisenhofer, J. Science 1995, 268,

61 Energiatranszfer kettős DNS láncban Takada et al. PNAS, 2007, 104 (27),

62 Összefoglalás A DNS-ben a nukleobázisok mint kromofórok UV fényt nyelnek el A nukleobázisok gerjesztett állapotai gyorsan megszűnnek, ezért kisebb eséllyel szenvednek el szerkezeti módosulást Legfontosabb szerkezeti módosulások UV fény hatására: Tautomerizáció Dimer képződése Molekula bomlása A DNS láncban a bázisok közötti π-π kölcsönhatás töltéstranszportot tesz lehetővé

63 ánít yílv etn zön ás Kánnár Dániel, Pillió Zoltán, Benda Zsuzsa, Dr. Tajti Attila, Pós Eszter, Dr. Anton Pershin

64 Nukleobázis dimerek gerjesztett állapotai