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

Hasonló dokumentumok
Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Szalay Péter (ELTE, Kémia Intézet) Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Szentjánosbogár, trópusi halak, sarki fény Mi a közös a természet fénytüneményeiben?

Nukleinsavak építőkövei

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Az elektromágneses hullámok

NUKLEINSAVAK. Nukleinsav: az élő szervezetek sejtmagvában és a citoplazmában található, az átöröklésben szerepet játszó, nagy molekulájú anyag

Ragyogó molekulák: dióhéjban a fluoreszcenciáról és biológiai alkalmazásairól

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek

Hogyan bírhatjuk szóra a molekulákat, avagy mi is az a spektroszkópia?

CHO H H H OH H OH OH H CH2OH HC OH HC OH HC OH CH 2

Műszeres analitika. Abrankó László. Molekulaspektroszkópia. Kémiai élelmiszervizsgálati módszerek csoportosítása

A fény tulajdonságai

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

1. mérés: Benzolszármazékok UV spektrofotometriás vizsgálata

ATOMMODELLEK, SZÍNKÉP, KVANTUMSZÁMOK. Kalocsai Angéla, Kozma Enikő

Abszorpció, emlékeztetõ

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Abszorpciós fotometria

3. A kémiai kötés. Kémiai kölcsönhatás

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

Nukleinsavak. Szerkezet, szintézis, funkció

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

CD-spektroszkópia. Az ORD spektroskópia alapja

Atomszerkezet. Atommag protonok, neutronok + elektronok. atompályák, alhéjak, héjak, atomtörzs ---- vegyérték elektronok

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET) Modern Biofizikai Kutatási Módszerek

Abszorpciós spektrometria összefoglaló

A kovalens kötés elmélete. Kovalens kötésű molekulák geometriája. Molekula geometria. Vegyértékelektronpár taszítási elmélet (VSEPR)

A gyakorlat elméleti háttere A DNS molekula a sejt információhordozója. A DNS nemzedékről nemzedékre megőrzi az élőlények genetikai örökségét.

Szakmai beszámoló

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

A kémiai kötés. Kémiai kölcsönhatás

Lumineszcencia Fényforrások

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

Szerves oldott anyagok molekuláris spektroszkópiájának alapjai

Modern fizika laboratórium

Fluoreszcencia 2. (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

A fény keletkezése. Hőmérsékleti sugárzás. Hőmérsékleti sugárzás. Lumineszcencia. Lézer. Tapasztalat: a forró testek Hőmérsékleti sugárzás

CHO H H H OH H OH OH H CH2OH CHO OH H HC OH HC OH HC OH CH 2 OH

A lézer alapjairól (az iskolában)

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Kun Ádám. Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék, ELTE MTA-ELTE-MTM Ökológiai Kutatócsoport. Tudomány Ünnepe,

Kémiai anyagszerkezettan

Név... intenzitás abszorbancia moláris extinkciós. A Wien-féle eltolódási törvény szerint az abszolút fekete test maximális emisszióképességéhez

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOK

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Koherens fény (miért is különleges a lézernyaláb?)

Atomok és molekulák elektronszerkezete

2. ZH IV I.

UV-VIS spektrofotometriás tartomány. Analitikai célokra: nm

SCHRÖDINGER mi is az élet? Rausch Péter ELTE TTK kémia-környezettan

Mézerek és lézerek. Berta Miklós SZE, Fizika és Kémia Tsz november 19.

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

VILÁGÍTÓ GYÓGYHATÁSÚ ALKALOIDOK

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

A csillagközi anyag. Interstellar medium (ISM) Bonyolult dinamika. turbulens áramlások MHD

A fény. Abszorpciós fotometria Fluoreszcencia spektroszkópia. A fény. A spektrumok megjelenési formái. A fény kettıs természete: Huber Tamás

Mária. A pirimidin-nukleotidok. nukleotidok anyagcseréje

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Abszorpciós fotometria

Dr. JUVANCZ ZOLTÁN Óbudai Egyetem Dr. FENYVESI ÉVA CycloLab Kft

Atomszerkezet. Atommag protonok, neutronok + elektronok. atompályák, alhéjak, héjak, atomtörzs ---- vegyérték elektronok

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

Atomok, elektronok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Dia 1/61

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

KÉMIAI ANYAGSZERKEZETTAN

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban A fény; Abszorpciós spektroszkópia

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

Kvantumos jelenségek lézertérben

Modern Fizika Labor. 12. Infravörös spektroszkópia. Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 04. A mérés száma és címe: Értékelés:

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Az optika tudományterületei

Modern Fizika Labor. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: Értékelés: Infravörös spektroszkópia. A beadás dátuma: A mérést végezte:

Abszorpciós fotometria

Abszorpciós fotometria

Tartalomjegyzék. Emlékeztetõ. Emlékeztetõ. Spektroszkópia. Fényelnyelés híg oldatokban 4/11/2016. A fény; Abszorpciós spektroszkópia

ORVOSI BIOFIZIKA. Damjanovich Sándor Mátyus László QT Szerkesztette

Lumineszcencia. Lumineszcencia. mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Alapjai, tulajdonságai, mérése. Kellermayer Miklós

2. Sejtalkotó molekulák II. Az örökítőanyag (DNS, RNS replikáció), és az öröklődés molekuláris alapjai (gén, genetikai kód)

A fény és az anyag kölcsönhatása

Bevezetés a fluoreszcenciába

Molekulák világa 1. kémiai szeminárium

Elektronok, atomok. Általános Kémia - Elektronok, Atomok. Slide 1 of 60

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

4. Előadás. Nukleozidok, nukleotidok, nukleinsavak

Abszorpciós fotometria

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t

Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Átírás:

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

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

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

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

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

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

A DNS felépítése: foszfát kapcsolat

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

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

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

A DNS felépítése: Watson és Crick (1953)

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

ELMÉLETI ELMÉLETI HÁTTÉR HÁTTÉR Newton Newton kísérletei kísérletei aa napfénnyel: napfénnyel: Sir Isaac Newton (1642 1727)

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

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:

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!!!!!

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

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

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

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

elnyelés Spektrum Spektrum hullámhossz λ spektrum

abszorbancia Abszorpciós Abszorpciós spektrum hullámhossz λ

intenzitás Emissziós Emissziós spektrum hullámhossz λ

Mi történik a gerjesztés után?

Mi történik a gerjesztés után?

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

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

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

A citozin tautomerei

A DNS felépítése: Watson-Crick bázis pár

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

Tautomerizáció

Nukleobázis dimerek képződése Ciklobután gyűrű keletkezése

Az UV sugárzás és a bázisok spektruma

A gerjesztett állapotok élettartama

Nukleobázisok gerjesztett állapotai Példa: adenin Példa: adenin

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

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

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

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

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

Az adenin gerjesztett állapotainak potenciálfelülete

Az adenin gerjesztett állapotainak potenciálfelülete

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

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.

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), 2025 2030.

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

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

Watson-Crick pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés a guaninon

Watson-Crick pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés a citozinon

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

Szendvics pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés a timinen

Szendvics pár gerjesztett állapotai Lokális gerjesztés az adeninen

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

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

Vezet-e áramot a DNS? de Pablo, P. J. et al. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 4992 4995

Elektrontranszfer π stack-en keresztül P. B. Woiczikowski et al. J. Phys. Chem. B, 2011, 115 (32), pp 9846-9863.

A DNS-liáz enzim működése: dimerizálódott bázisok javítása Sancar, A. Chemical Reviews, 103(6), 2203 2238 (2011).

Escherichia coli DNS-liáz enzim Park, H.; Kim, S.; Sancar, A.; Deisenhofer, J. Science 1995, 268, 1866 1872.

Energiatranszfer kettős DNS láncban Takada et al. PNAS, 2007, 104 (27), 11179-11183.

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

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

Nukleobázis dimerek gerjesztett állapotai