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

Proteins ¡and ¡Nucleic ¡Acids ¡ Chem ¡204 ¡ Spring ¡2014 ¡

Proteins ¡are ¡ polymers ¡made ¡ of ¡ ¡ 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 ¡ 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. ¡ 15 ¡

The ¡chemical ¡surface ¡of ¡proteins ¡ + ¡blue ¡ -­‑ ¡red ¡ 16 ¡

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 thymine H 3 C H 5' end N O The ¡Primary ¡Structure ¡of ¡the ¡ N O NH 2 - O P O adenine O DNA ¡Polymer; ¡ O N N Watson-­‑Crick ¡H-­‑bonding ¡ O N N - O P O NH 2 cytosine O O N O - N O O P O O O guanine O H N N O N - N NH 2 O O P O O A-T base pair G-C base pair O 3' end 5' 3' 3' major groove 5' major groove H H Purines: ¡A ¡and ¡G ¡ CH 3 N H O O H N N N Pyrimidines: ¡C ¡and ¡T ¡ N H N N N N H N N sugar N N N sugar O sugar N O H sugar H minor groove minor groove 3' 5' 5' 3'

uracil ¡ O thymine H 3 C H 5' end N O The ¡Primary ¡Structure ¡of ¡the ¡ N O NH 2 - O P O adenine O RNA ¡Polymer; ¡ O N N OH ¡ Watson-­‑Crick ¡H-­‑bonding ¡ O N N - O P O NH 2 cytosine O O N OH ¡ O - N O O P O O O guanine O H N N OH ¡ O N - N NH 2 O O P O O A-T base pair G-C base pair OH ¡ O 3' end 5' 3' 3' major groove 5' major groove H H CH 3 N H O O H N N N N H N N N N H But ¡RNA ¡more ¡likely ¡ N N sugar N N N sugar single ¡stranded ¡ O sugar N O H sugar H minor groove minor groove 3' 5' 5' 3'

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

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

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

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

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

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 ¡