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
