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