Proteins and Nucleic Acids Chem 204 Spring 2014 - - PowerPoint PPT Presentation

Proteins ¡and ¡Nucleic ¡Acids ¡

Chem ¡204 ¡ Spring ¡2014 ¡

Proteins ¡are ¡ polymers ¡made ¡

• f ¡ ¡

amino ¡acid ¡ monomers ¡

Some ¡amino ¡acid ¡side ¡chains ¡have ¡ acid-­‑base ¡character ¡

amino ¡acids ¡linked ¡by ¡amide ¡bonds ¡ ¡ N ¡terminus ¡to ¡ ¡C ¡terminus ¡ ¡ alpha ¡helix ¡and ¡beta ¡sheet ¡structures ¡ held ¡together ¡by ¡hydrogen ¡bonds ¡in ¡ ¡ the ¡pepBde ¡backbone ¡(not ¡side ¡groups) ¡

alpha ¡helix ¡has ¡net ¡dipole ¡moment ¡due ¡to ¡ CO ¡groups ¡all ¡poinBng ¡the ¡same ¡direcBon ¡ ¡ 3.6 ¡residues ¡per ¡turn ¡(every ¡fourth ¡amino ¡acid ¡ H-­‑bonds) ¡ ¡ 5.4 ¡Å ¡pitch ¡(verBcal ¡distance ¡for ¡one ¡full ¡turn) ¡ ¡ ¡ ¡

anBparallel ¡beta ¡sheet ¡ parallel ¡beta ¡sheet ¡

The ¡Protein ¡Data ¡Bank: ¡ repository ¡of ¡protein ¡3D ¡structures ¡

hPp://www.pdb.org/pdb/home/home.do ¡

Dengue ¡virus ¡envelope ¡protein ¡dimer ¡(PDB ¡1UZG) ¡

Human ¡fetal ¡hemoglobin ¡(1977) ¡ pdb ¡entry ¡1FDH ¡

“molecules” ¡app ¡for ¡iPhone ¡

15 ¡

Molecules ¡is ¡an ¡applicaBon ¡for ¡viewing ¡three-­‑ dimensional ¡renderings ¡of ¡molecules ¡and ¡manipulaBng ¡ them ¡using ¡your ¡fingers. ¡These ¡structures ¡can ¡be ¡viewed ¡ in ¡both ¡ball-­‑and-­‑sBck ¡and ¡spacefilling ¡visualizaBon ¡

• modes. ¡

¡ New ¡molecules ¡can ¡be ¡downloaded ¡from ¡either ¡the ¡RCSB ¡ Protein ¡Data ¡Bank ¡(hPp://www.rcsb.org/pdb), ¡an ¡ internaBonal ¡repository ¡of ¡biological ¡molecules ¡and ¡their ¡ 3-­‑D ¡structures, ¡or ¡NCBI's ¡PubChem ¡(hPp:// pubchem.ncbi.nlm.nih.gov). ¡Molecules ¡can ¡be ¡ downloaded ¡directly ¡to ¡your ¡handheld ¡device ¡and ¡stored ¡ there ¡for ¡later ¡viewing. ¡ ¡ Custom ¡molecular ¡structures ¡can ¡be ¡downloaded ¡to ¡the ¡ applicaBon ¡via ¡iTunes ¡file ¡sharing, ¡or ¡through ¡the ¡use ¡of ¡ custom ¡URL ¡formats. ¡For ¡more ¡details, ¡please ¡visit ¡our ¡

• website. ¡

¡ Molecules ¡is ¡a ¡BSD-­‑licensed ¡open ¡source ¡project. ¡

16 ¡

The ¡chemical ¡surface ¡of ¡proteins ¡

+ ¡blue ¡

• ­‑ ¡red ¡

General ¡Protein ¡Classes ¡

• Catalysts: ¡ ¡enzymes ¡
• Transport ¡(e.g., ¡hemoglobin ¡transports ¡oxygen) ¡
• AnBbodies ¡(immune ¡response) ¡
• Storage ¡(e.g., ¡ferriBn ¡stores ¡iron) ¡
• ContracBon ¡and ¡moBon ¡(muscle) ¡
• Structure ¡(collagen, ¡keraBn) ¡
• Hormones ¡(e.g., ¡insulin) ¡
• Toxins ¡(plant, ¡microbe ¡defenses; ¡venoms) ¡

O P O O O O P O O O O O P O O O O O P O O O O O O N N N N NH2 N N N N O NH2 H N N O O H3C H N N O NH2 thymine

• 5' end

3' end guanine adenine cytosine

• N

N N N N N N O O CH3 H H H N N N N N N N O O N H H H H H sugar sugar minor groove major groove sugar minor groove major groove sugar

A-T base pair G-C base pair

5' 3' 5' 3' 3' 5' 3' 5' The ¡Primary ¡Structure ¡of ¡the ¡ DNA ¡Polymer; ¡ Watson-­‑Crick ¡H-­‑bonding ¡ Purines: ¡A ¡and ¡G ¡ Pyrimidines: ¡C ¡and ¡T ¡

O P O O O O P O O O O O P O O O O O P O O O O O O N N N N NH2 N N N N O NH2 H N N O O H3C H N N O NH2 thymine

• 5' end

3' end guanine adenine cytosine

• N

N N N N N N O O CH3 H H H N N N N N N N O O N H H H H H sugar sugar minor groove major groove sugar minor groove major groove sugar

A-T base pair G-C base pair

5' 3' 5' 3' 3' 5' 3' 5' The ¡Primary ¡Structure ¡of ¡the ¡ RNA ¡Polymer; ¡ Watson-­‑Crick ¡H-­‑bonding ¡ uracil ¡

OH ¡ OH ¡ OH ¡ OH ¡

But ¡RNA ¡more ¡likely ¡ single ¡stranded ¡

SantaLucia ¡and ¡Turner, ¡ EMBO ¡J ¡1998 ¡

Amino ¡Acid ¡Codes ¡ Central ¡Dogma ¡of ¡molecular ¡biology: ¡DNA ¡makes ¡RNA ¡makes ¡protein ¡ (DNA ¡à ¡mRNA ¡à ¡tRNA ¡à ¡protein) ¡

www.biochem.co ¡ wikipedia ¡ 3’ ¡end ¡is ¡always ¡CCA; ¡ester ¡bond ¡to ¡3’OH ¡sugar ¡of ¡A. ¡

DNA ¡as ¡a ¡Polymer ¡with ¡DisBnct ¡ConformaBons ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡A-­‑DNA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B-­‑DNA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Z-­‑DNA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡A-­‑DNA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡B-­‑DNA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Z-­‑DNA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

11 ¡bp/turn; ¡2.9 ¡Å/bp; ¡sugar ¡pucker ¡C3’ ¡endo; ¡ ¡ glycosidic ¡bond ¡anB; ¡32.7 ¡˚ ¡twist ¡ major ¡groove: ¡13.5 ¡Å ¡x ¡2.7 ¡ ¡Å ¡ ¡ minor ¡groove ¡: ¡ ¡2.8 ¡Å ¡x ¡11.0 ¡Å ¡ ¡ 10 ¡bp/turn; ¡3.4 ¡Å/bp; ¡sugar ¡pucker ¡C2’endo ¡ glycosidic ¡bond ¡anB; ¡36 ¡˚ ¡twist ¡ major ¡groove: ¡8.5 ¡Å ¡x ¡11.7 ¡Å ¡ ¡ minor ¡groove ¡7.5 ¡Å ¡x ¡5.7 ¡Å ¡ ¡ 12 ¡bp/turn; ¡3.9 ¡Å/bp; ¡mixed ¡ sugar ¡pucker; ¡mixed ¡glycosidic ¡bond ¡ ¡

• rientaBon; ¡major ¡groove: ¡N/A ¡

minor ¡groove: ¡9 ¡Å ¡ ¡x ¡4 ¡Å ¡ ¡

Why ¡is ¡DNA ¡a ¡double ¡helix? ¡

• Phosphate-­‑phosphate ¡electrostaBc ¡repulsion ¡
• H-­‑bonding ¡between ¡bases ¡in ¡different ¡strands ¡
• Base ¡stacking ¡(purine-­‑purine ¡> ¡pyrimidine-­‑

purine ¡> ¡pyrimidine-­‑pyrimidine): ¡ ¡London ¡ dispersion ¡forces ¡and ¡dipole-­‑dipole ¡

DNA ¡hybridizaBon/melBng ¡

• L. ¡Moran, ¡U. ¡Toronto ¡

stacking ¡more ¡important ¡in ¡melBng ¡than ¡H ¡bonding ¡

Saengar, ¡Principles ¡of ¡Nucleic ¡Acid ¡Structure ¡ monitor ¡A(260 ¡nm); ¡exBncBon ¡coefficients ¡of ¡ dsDNA ¡lower ¡than ¡ssDNA ¡

Local ¡structural ¡deviaBons ¡in ¡base ¡pair ¡geometry ¡ ¡ give ¡subtle ¡structural ¡changes ¡in ¡the ¡double ¡helix ¡ ¡ ¡ ¡kinked ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡straight ¡ 5’-­‑GGCC-­‑3’ ¡

The ¡Nucleic ¡Acid ¡Structure ¡Database ¡

• hPp://ndbserver.rutgers.edu ¡
• 5200 ¡structures ¡deposited ¡so ¡far ¡

DNA ¡Hairpins ¡

DNA ¡Triple ¡Helix: ¡ ¡ Hoogsteen ¡Hydrogen ¡Bonding ¡

(a) The arrangement of guanine bases in the G-quartet, (b) shown together with a centrally placed metal ion.

Burge S et al. Nucl. Acids Res. 2006;34:5402-5415

DNA ¡Nanotechnology ¡

DNA ¡Nanotechnology ¡

DNA ¡Nanotechnology ¡

DNA ¡Nanotechnology ¡

Drug ¡binding ¡to ¡DNA ¡

• intercalaBon ¡(flat ¡molecules) ¡
• groove ¡binders ¡(usually ¡minor ¡groove) ¡

ethidium ¡bromide ¡in ¡AT ¡bp ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡bis ¡intercalator ¡ndb ¡DD0018 ¡

Drug ¡binding ¡to ¡DNA ¡

• intercalaBon ¡(flat ¡molecules) ¡
• groove ¡binders ¡(usually ¡minor ¡groove) ¡

Distamycin-­‑DNA ¡crystal ¡structure ¡

Distamycin-­‑DNA ¡crystal ¡structure ¡

H ¡bonding ¡contacts ¡

OxidaBve ¡Damage ¡to ¡DNA ¡

• C. ¡Burrows, ¡U. ¡Utah ¡

ROS: ¡reacBve ¡oxygen ¡species ¡

also ¡hydroxyl ¡radical, ¡

• OH ¡

DNA ¡damaged ¡byproducts ¡ ¡

• f ¡cellular ¡metabolism ¡
• oxidaBon ¡
• methylaBon ¡
• deaminaBon ¡
• hydroxylaBon ¡

Cytosine ¡methylaBon ¡

5-­‑methylcytosine ¡ cytosine ¡ methylaBon ¡of ¡cytosine ¡regulates ¡gene ¡expression; ¡overexpressed ¡MeC…cancer? ¡

5-­‑methylcytosine ¡to ¡thymine ¡

deaminaBon: ¡pathway ¡to ¡C ¡to ¡T ¡mutaBon! ¡

DNA ¡as ¡a ¡catalyst ¡and ¡reagent ¡(!) ¡

• S. ¡Silverman, ¡UIUC; ¡G. ¡Wong, ¡UIUC/UCLA ¡

DNA ¡as ¡a ¡sensor ¡

• S. ¡Lippard, ¡MIT; ¡Y. ¡Lu, ¡UIUC ¡

What ¡you ¡need ¡to ¡know ¡

• Recognize ¡amino ¡acid, ¡protein ¡structures ¡
• Recognize ¡nucleic ¡acid ¡bases ¡
• Predict ¡properBes ¡based ¡on ¡H-­‑bonding, ¡

electrostaBcs, ¡etc. ¡

• Know ¡that ¡DNA ¡(and ¡RNA) ¡can ¡catalyze ¡

chemical ¡reacBons ¡

• Know ¡that ¡biomolecules ¡can ¡parBcipate ¡in ¡

nucleophile/acid/base/redox ¡reacBons ¡ ¡