Зміст
Молекули генетичного апарату
1. Структура та поведінка ДНК
а. Компоненти молекули ДНК і з'єднують їх хімічні зв'язки
б. Спіральна структура ДНК
в. Альтернативні форми подвійної спіралі ДНК
м. Розмір молекул ДНК
д. Різноманітність форм ДНК
е. Денатурація і ренатурацією ДНК
ж. Упаковка ДНК в хромосомах
2. Структура та поведінка РНК
а. Типи РНК та їх поширеність
б. Компоненти молекули РНК і з'єднують їх хімічні зв'язки
в. Структура РНК
р. Денатурація і ренатурацією РНК
д. Гібридні спіралі ДНК-РНК
3. Структура білків
а. Компоненти білків і з'єднують їх хімічні зв'язки
б. Розмір і форма білків
в. Чим визначається конформація білка
Щоб генетична інформація могла передаватися від одного покоління клітин до іншого, повинна відбуватися реплікація ДНК - процес, в ході якого батьківські молекули ДНК подвоюються і потім розподіляються між нащадками. Цей процес повинен здійснюватися з великою точністю, а пошкодження або випадкові помилки, що виникли в ДНК під час циклів реплікації або між ними, необхідно виправити перш, ніж вони потраплять в геноми нащадків. Крім того, для формування фенотипу генетична інформація повинна експресуватися. У всіх клітинних організмів експресія генів включає копіювання ДНК з утворенням РНК і наступну трансляцію РНК в білки. При транскрипції утворюється кілька типів РНК. Одні з них, матричні РНК, кодують білки, інші беруть участь у різних процесах, необхідних для складання повноцінного білка. ДНК не тільки кодує ферментативний апарат клітини; вона бере участь у процесах репарації, а за певних умов у ній можуть відбуватися перебудови. Реплікація, репарація і перебудови ДНК - ключові процеси, за допомогою яких організми підтримують властивий їм фенотип і змінюють його.
У багатьох вірусів генетична інформація також закодована в ДНК. Механізми реплікації, репарації, перебудови та експресії вірусної ДНК аналогічні механізмам, використовуваним клітинами інших організмів. Геном деяких вірусів представлений не ДНК, а РНК. Геномна РНК таких вірусів або безпосередньо транслюється в білки, або володіє генетичною інформацією, необхідної для синтезу молекул РНК, які в свою чергу транслюються в білки. Ті віруси, у яких геном представлений РНК протягом всього життєвого циклу, повинні самі реплікувати батьківську РНК для отримання потомства вірусних частинок. Існує клас ретровірусів, репродуктивний цикл яких починається з того, що їхня генетична інформація в ході так званої зворотної транскрипції перекладається на мову ДНК. Отримані копії ДНК, або провіруси, здатні до реплікації та експресії тільки після інтеграції в хромосомну ДНК клітини. У такій інтегрованій формі вірусні геноми реплицируются разом з ДНК клітини-господаря, і для освіти нового покоління вірусних геномів і мРНК, потрібної для синтезу вірусних білків, вони використовують транскрипції апарат клітини.
Ключовим моментом у передачі генетичної інформації між нуклеїновими кислотами, будь то реплікація, транскрипція чи зворотна транскрипція, є те, що молекула нуклеїнової кислоти використовується в якості матриці в спрямованої збірці ідентичних або споріднених структур. Наскільки відомо, інформація, що зберігається в білках, не використовується для збірки відповідних нуклеїнових кислот, тобто зворотна трансляція не виявлена. Тим не менш, білки відіграють ключову роль у процесах передачі інформації як між нуклеїновими кислотами, так і від нуклеїнових кислот до білків.
Частота народження в певному сусідстві будь-яких двох основ у ДНК бактерій, бактеріофагів і дріжджів залежить від кількісного вмісту цих підстав в ДНК. Частота народження 5'-CG-3 'і 5-GC-3' в ДНК прокаріот майже однакова і близька до випадкової; те ж саме можна сказати і про динуклеотид 5'-GA-3 'і 5-AG-3' . Проте в ДНК тварин, вірусів тварин і рослин частоти зустрічальності 5'-CG-3 'становлять від 1 / 2 до 1 / 5 частот 5'-GC-3'. Таким чином, послідовність 5'-CG-3 'зустрічається в ДНК вищих еукаріот досить рідко; це пов'язано зі здатністю даного дінуклеотід служити мішенню при метилюванні і з його роллю в регуляції експресії генів.
Після закінчення циклу синтезу ДНК деякі пуринові і піримідинові підстави можуть піддаватися хімічної модифікації. У результаті в деяких ДНК містяться 5-метилцитозин, 5-гідроксіметілцітозін, 5-гідроксіметілураціл і N-метіладенін. У ДНК деяких бактеріофагів до гідроксиметильне групі гідроксіметілцітозіна приєднані за допомогою глікозидного зв'язку моно - або дисахариди. ДНК більшості нижчих еукаріот і безхребетних містять відносно мало 5-метилцитозину і N'-метіладеніна. Однак у хребетних метилювання підстав - часте явище, причому найбільш поширений 5-метилцитозин. Показано, що більше 95% метильних груп в ДНК хребетних міститься в залишках цитозину рідко зустрічаються CG-динуклеотид і більше 50% таких динуклеотид метиловано. Існують чіткі вказівки на те, що ступінь метилування деяких CG-містять послідовностей є важливим фактором регуляції експресії певних генів. У рослин 5-метилцитозин можна виявити в динуклеотид CG і трінуклеотідах CNG.
Молекула ДНК зазвичай знаходиться у формі подвійної спіралі, утвореної двома полінуклеотидними ланцюгами, обвивають одна навколо іншої. Два дезоксірібозофосфатних кістяка, розташовані по периферії молекули, мають антипаралельну орієнтацію. У найбільш часто зустрічається структурній формі пуринові і піримідинові заснування в кожному ланцюзі покладені в стопки з інтервалом 0,34 нм і спрямовані всередину спіралі; площині кілець приблизно перпендикулярні оптичної осі спіралі. Спіраль робить повний оборот кожні 3,4 нм, тобто через кожні 10 підстав. На зовнішній його поверхні є два жолобка - великий і малий.
Азотисті основи чотирьох нуклеотидів ДНК не перебувають між собою у кількісному співвідношенні 1:
1. Навпаки, молярні відносини двох пуринів, А і G, і двох піримідинів, Т і G, різні для ДНК різних організмів. У той же час співвідношення між пуринів і піримідинів постійно і не залежить від джерела ДНК, а саме: зміст пуринових нуклеотидів завжди дорівнює змістом піримідинових нуклеотидів; число А дорівнює числу Т, і аналогічно для G і С. Ці факти і лягли в основу припущення, що пуринові і піримідинові нуклеотиди в ДНК спарені, а подвійна спіраль стабілізується за допомогою водневих зв'язків між пуринами одного ланцюга ДНК і піримідинів інший.
Два зазначених типу пар основ, AT і GC, зазвичай званих комплементарними парами, переважають у більшості ДНК. У АТ-парі підстави з'єднані двома водневими зв'язками: одна з них утворюється між аміно-та кето-групами, а інша - між двома атомами азоту пурину і піримідину відповідно. У GC-парі є три водневі зв'язки: дві з них утворюються між аміно-та кето-групами відповідних підстав, а третя - між атомами азоту. Освіта пар між двома пуринами, двома піримідиновим або некомплементарнимі підставами стерично утруднено, оскільки при цьому не можуть утворюватися відповідні водневі зв'язки і, отже, порушується геометрія спіралі. Модифіковані пурини і піримідинові, з невеликою частотою зустрічаються в ДНК, утворюють такі ж водневі зв'язки, що і їх немодифіковані аналоги; тим самим правило спаровування не порушується. Згідно з цими правилами, послідовність основ у одного ланцюга визначає їх послідовність в іншій. Комплементарність послідовності основ у двох полінуклеотидних ланцюгах - ключове властивість ДНК.
Додаткова стабілізація подвійної спіралі забезпечується межплоскостное взаємодіями ароматичних кілець сусідніх підстав. Розміри комплементарних пар основ практично однакові; приблизно однакові також кут і напрямок зв'язку дезоксирибоза-підставу. Відстань між сусідніми підставами одно 0,34 нм, а кут, на який вони повернені один щодо одного, - 36 °. З усіх цих даних випливає, що діаметр спіралі постійний, а число пар основ на виток спіралі дорівнює 10. Точні дані про розташування, орієнтації в просторі і розмірах різних складових ДНК були отримані методом рентгеноструктурного аналізу волокон ДНК.
Характерною особливістю У-форми ДНК і те, що сахарофосфатним остови обох ланцюгів утворюють праву спіраль. Однак за певних умов ділянки ДНК, для яких характерне чергування пуринових і піримідинових нуклеотидів, приймають форму лівої спіралі. При цьому відстань між сусідніми парами основ збільшується до 0,77 нм, а число пар на один виток-до 12. Остов молекули ДНК має зигзагоподібний вигляд, тому подібна форма отримала назву Z-ДНК. Питання про те, чи існує Z-ДНК в природних умовах і утворюється вона в певних ділянках По-спіралі під дією специфічних білків, здатних перекладати У-форму в Z-форму, зараз інтенсивно досліджується.
ДНК може знаходитися в лінійній або кільцевій формі. Бактеріальні плазміди, хромосоми деяких бактерій, більшість мітохондріальних і хлоропластних ДНК, геноми вірусів ссавців представлені єдиною ковалентно замкнутої кільцевої дуплексної молекулою ДНК. Хромосома бактеріофага X на різних стадіях життєвого циклу існує то як лінійна молекула, то як замкнута кільцева структура, то як кільце з розривами. Мабуть, ніякого верхньої межі для розміру кільцевої дволанцюжкової молекули ДНК не існує.
ДНК в клітині зазвичай знаходиться в комплексі з білками. Зв'язаний білок злегка розкручує спіраль ДНК, відповідно і кількість витків спіралі на одиницю довжини стає менше, ніж у вільній По-ДНК. При видаленні білка відновлюється звичайне число правозакручена витків спіралі. У лінійній молекулі ДНК це відбувається досить легко, оскільки обидві ланцюга вільно обертаються одна навколо іншої. У замкнутої ж кільцевої молекулі загальне число витків спіралі топологічно фіксовано, і число оборотів одного ланцюга навколо інший не може бути змінено без компенсаторного освіти витків протилежного знаку де-небудь в іншому місці молекули. Отже, коли природні кільцеві дуплекси звільняються від білків, з якими вони часто бувають пов'язані in vivo, відбувається наступне:
1) число правозакручена витків спіралі зростає до величини, характерної для В-ДНК;
2) у самому дуплексі утворюється стільки ж витків протилежного знака, щоб компенсувати збільшення скрученості спіралі. Про таких молекулах говорять, що вони володіють негативною сверхспіральностью. При внесенні одного розриву в сверхспіральную кільцеву ДНК сверхспіральность знімається і кільцева структура переходить в релаксувати стан, при якому топологічні обмеження відсутні. Будь-які хімічні або фізичні зміни, що призводять до зменшення числа витків спіралі на молекулу, зменшують або взагалі знімають негативну сверхспіральность в замкнутій кільцевої ДНК.
Не всі ДНК in vivo є дволанцюжкові. Геноми деяких дрібних вірусів бактерій, рослин і тварин представляють собою ковалентно замкнуті кільця, що складаються тільки з одного ланцюга. Всі відомі одноланцюгові кільцеві ДНК відносно малі: ДНК бактеріофагів фХ174 і М13 містять приблизно 5300 і 6000 нуклеотидів відповідно і мають довжину 1,5-2 мкм; довжина молекул ДНК парвовирусов тварин і деяких вірусів рослин становить 2 / 3 і 1 / 2 зазначених величин відповідно . Однак для реплікації будь-який з цих вірусних ДНК абсолютно необхідно перетворення одноланцюжковою кільця у відповідне дволанцюжкові, з якого потім утворюються одноланцюгові кільцеві ДНК вірусного потомства. Більш того, експресія генетичної інформації в таких геномах завжди здійснюється у фазі дволанцюжкової ДНК, оскільки саме вона є субстратом для транскрипції послідовності ДНК в РНК.
Молекули генетичного апарату
1. Структура та поведінка ДНК
а. Компоненти молекули ДНК і з'єднують їх хімічні зв'язки
б. Спіральна структура ДНК
в. Альтернативні форми подвійної спіралі ДНК
м. Розмір молекул ДНК
д. Різноманітність форм ДНК
е. Денатурація і ренатурацією ДНК
ж. Упаковка ДНК в хромосомах
2. Структура та поведінка РНК
а. Типи РНК та їх поширеність
б. Компоненти молекули РНК і з'єднують їх хімічні зв'язки
в. Структура РНК
р. Денатурація і ренатурацією РНК
д. Гібридні спіралі ДНК-РНК
3. Структура білків
а. Компоненти білків і з'єднують їх хімічні зв'язки
б. Розмір і форма білків
в. Чим визначається конформація білка
Молекули генетичного апарату
Генетична інформація у всіх кліток закодована у вигляді послідовності нуклеотидів у дезоксирибонуклеїнової кислоти. Перший етап реалізації цієї інформації полягає в освіті спорідненої ДНК молекули - рибонуклеїнової кислоти, яка в свою чергу бере участь у синтезі специфічних білків. Фенотипічні ознаки будь-якого організму в кінцевому рахунку проявляються в різноманітності і кількості білків, що кодуються ДНК. Інформаційний зв'язок між молекулами генетичного апарату - ДНК, РНК і білками.Щоб генетична інформація могла передаватися від одного покоління клітин до іншого, повинна відбуватися реплікація ДНК - процес, в ході якого батьківські молекули ДНК подвоюються і потім розподіляються між нащадками. Цей процес повинен здійснюватися з великою точністю, а пошкодження або випадкові помилки, що виникли в ДНК під час циклів реплікації або між ними, необхідно виправити перш, ніж вони потраплять в геноми нащадків. Крім того, для формування фенотипу генетична інформація повинна експресуватися. У всіх клітинних організмів експресія генів включає копіювання ДНК з утворенням РНК і наступну трансляцію РНК в білки. При транскрипції утворюється кілька типів РНК. Одні з них, матричні РНК, кодують білки, інші беруть участь у різних процесах, необхідних для складання повноцінного білка. ДНК не тільки кодує ферментативний апарат клітини; вона бере участь у процесах репарації, а за певних умов у ній можуть відбуватися перебудови. Реплікація, репарація і перебудови ДНК - ключові процеси, за допомогою яких організми підтримують властивий їм фенотип і змінюють його.
У багатьох вірусів генетична інформація також закодована в ДНК. Механізми реплікації, репарації, перебудови та експресії вірусної ДНК аналогічні механізмам, використовуваним клітинами інших організмів. Геном деяких вірусів представлений не ДНК, а РНК. Геномна РНК таких вірусів або безпосередньо транслюється в білки, або володіє генетичною інформацією, необхідної для синтезу молекул РНК, які в свою чергу транслюються в білки. Ті віруси, у яких геном представлений РНК протягом всього життєвого циклу, повинні самі реплікувати батьківську РНК для отримання потомства вірусних частинок. Існує клас ретровірусів, репродуктивний цикл яких починається з того, що їхня генетична інформація в ході так званої зворотної транскрипції перекладається на мову ДНК. Отримані копії ДНК, або провіруси, здатні до реплікації та експресії тільки після інтеграції в хромосомну ДНК клітини. У такій інтегрованій формі вірусні геноми реплицируются разом з ДНК клітини-господаря, і для освіти нового покоління вірусних геномів і мРНК, потрібної для синтезу вірусних білків, вони використовують транскрипції апарат клітини.
Ключовим моментом у передачі генетичної інформації між нуклеїновими кислотами, будь то реплікація, транскрипція чи зворотна транскрипція, є те, що молекула нуклеїнової кислоти використовується в якості матриці в спрямованої збірці ідентичних або споріднених структур. Наскільки відомо, інформація, що зберігається в білках, не використовується для збірки відповідних нуклеїнових кислот, тобто зворотна трансляція не виявлена. Тим не менш, білки відіграють ключову роль у процесах передачі інформації як між нуклеїновими кислотами, так і від нуклеїнових кислот до білків.
1. Структура та поведінка ДНК
а. Компоненти молекули ДНК і з'єднують їх хімічні зв'язки
За допомогою хімічних і фізичних методів встановлено, що ДНК - це полімер, що складається з чотирьох різних, але споріднених мономерів. Кожен мономер - нуклеотид - містить одне з чотирьох гетероциклічних азотистих основ: аденін, гуанін, цитозин або тимін, пов'язане з дезоксірібозофосфатом. Довгі полінуклеотидні ланцюжку утворюються шляхом з'єднання дезоксірібозних залишків сусідніх нуклеотидів за допомогою фосфодіефірних зв'язків. Кожен фосфат з'єднує гідроксильну групу при 3-вуглецевому атомі дезоксирибози одного нуклеотиду з ОН-групою при 5-вуглецевому атомі дезоксирибози сусіднього нуклеотиду.Частота народження в певному сусідстві будь-яких двох основ у ДНК бактерій, бактеріофагів і дріжджів залежить від кількісного вмісту цих підстав в ДНК. Частота народження 5'-CG-3 'і 5-GC-3' в ДНК прокаріот майже однакова і близька до випадкової; те ж саме можна сказати і про динуклеотид 5'-GA-3 'і 5-AG-3' . Проте в ДНК тварин, вірусів тварин і рослин частоти зустрічальності 5'-CG-3 'становлять від 1 / 2 до 1 / 5 частот 5'-GC-3'. Таким чином, послідовність 5'-CG-3 'зустрічається в ДНК вищих еукаріот досить рідко; це пов'язано зі здатністю даного дінуклеотід служити мішенню при метилюванні і з його роллю в регуляції експресії генів.
Після закінчення циклу синтезу ДНК деякі пуринові і піримідинові підстави можуть піддаватися хімічної модифікації. У результаті в деяких ДНК містяться 5-метилцитозин, 5-гідроксіметілцітозін, 5-гідроксіметілураціл і N-метіладенін. У ДНК деяких бактеріофагів до гідроксиметильне групі гідроксіметілцітозіна приєднані за допомогою глікозидного зв'язку моно - або дисахариди. ДНК більшості нижчих еукаріот і безхребетних містять відносно мало 5-метилцитозину і N'-метіладеніна. Однак у хребетних метилювання підстав - часте явище, причому найбільш поширений 5-метилцитозин. Показано, що більше 95% метильних груп в ДНК хребетних міститься в залишках цитозину рідко зустрічаються CG-динуклеотид і більше 50% таких динуклеотид метиловано. Існують чіткі вказівки на те, що ступінь метилування деяких CG-містять послідовностей є важливим фактором регуляції експресії певних генів. У рослин 5-метилцитозин можна виявити в динуклеотид CG і трінуклеотідах CNG.
б. Спіральна структура ДНК
За допомогою фізико-хімічних, електронно-мікроскопічних та рентгеноструктурних методів показано, що більшість молекул ДНК являють собою протяжні, гнучкі, ниткоподібні структури. Цими ж методами встановлено, що молекула ДНК має майже постійний діаметр і складається з регулярно розташованих повторюваних ланок, причому її структура не залежить від нуклеотидного складу. Таким чином, на відміну від білків, двох - і тривимірна структура яких обов'язково залежить від складу і порядку розташування амінокислот, молекула ДНК у звичайних умовах при будь-якому нуклеотидном склад та порядок розташування чотирьох нуклеотидів являє собою абсолютно регулярну практично ідентичну по всій довжині структуру. Такі в якійсь мірі парадоксальні хімічні і фізичні властивості ДНК породжуються особливостями її структури.Молекула ДНК зазвичай знаходиться у формі подвійної спіралі, утвореної двома полінуклеотидними ланцюгами, обвивають одна навколо іншої. Два дезоксірібозофосфатних кістяка, розташовані по периферії молекули, мають антипаралельну орієнтацію. У найбільш часто зустрічається структурній формі пуринові і піримідинові заснування в кожному ланцюзі покладені в стопки з інтервалом 0,34 нм і спрямовані всередину спіралі; площині кілець приблизно перпендикулярні оптичної осі спіралі. Спіраль робить повний оборот кожні 3,4 нм, тобто через кожні 10 підстав. На зовнішній його поверхні є два жолобка - великий і малий.
Азотисті основи чотирьох нуклеотидів ДНК не перебувають між собою у кількісному співвідношенні 1:
1. Навпаки, молярні відносини двох пуринів, А і G, і двох піримідинів, Т і G, різні для ДНК різних організмів. У той же час співвідношення між пуринів і піримідинів постійно і не залежить від джерела ДНК, а саме: зміст пуринових нуклеотидів завжди дорівнює змістом піримідинових нуклеотидів; число А дорівнює числу Т, і аналогічно для G і С. Ці факти і лягли в основу припущення, що пуринові і піримідинові нуклеотиди в ДНК спарені, а подвійна спіраль стабілізується за допомогою водневих зв'язків між пуринами одного ланцюга ДНК і піримідинів інший.
Два зазначених типу пар основ, AT і GC, зазвичай званих комплементарними парами, переважають у більшості ДНК. У АТ-парі підстави з'єднані двома водневими зв'язками: одна з них утворюється між аміно-та кето-групами, а інша - між двома атомами азоту пурину і піримідину відповідно. У GC-парі є три водневі зв'язки: дві з них утворюються між аміно-та кето-групами відповідних підстав, а третя - між атомами азоту. Освіта пар між двома пуринами, двома піримідиновим або некомплементарнимі підставами стерично утруднено, оскільки при цьому не можуть утворюватися відповідні водневі зв'язки і, отже, порушується геометрія спіралі. Модифіковані пурини і піримідинові, з невеликою частотою зустрічаються в ДНК, утворюють такі ж водневі зв'язки, що і їх немодифіковані аналоги; тим самим правило спаровування не порушується. Згідно з цими правилами, послідовність основ у одного ланцюга визначає їх послідовність в іншій. Комплементарність послідовності основ у двох полінуклеотидних ланцюгах - ключове властивість ДНК.
Додаткова стабілізація подвійної спіралі забезпечується межплоскостное взаємодіями ароматичних кілець сусідніх підстав. Розміри комплементарних пар основ практично однакові; приблизно однакові також кут і напрямок зв'язку дезоксирибоза-підставу. Відстань між сусідніми підставами одно 0,34 нм, а кут, на який вони повернені один щодо одного, - 36 °. З усіх цих даних випливає, що діаметр спіралі постійний, а число пар основ на виток спіралі дорівнює 10. Точні дані про розташування, орієнтації в просторі і розмірах різних складових ДНК були отримані методом рентгеноструктурного аналізу волокон ДНК.
в. Альтернативні форми подвійної спіралі ДНК
Все, про що ми говорили, стосувалося найбільш поширеною, так званої У-форми подвійної спіралі ДНК. Відомі також дві інші ізомерних типу подвійної спіралі. Вони утворюються завдяки тому, що валентні кути між основами і цукром можуть змінюватися, а дезоксірібозное кільце і сахарофосфатним остов досить гнучкі, щоб могли сформуватися альтернативні конфігурації. Рідко зустрічається А-форма, що існує тільки при зниженій вологості, відрізняється від В-форми тим, що площині підстав складають з перпендикулярним до осі спіралі кут 20 °. Тому відстань між парами основ по вертикалі зменшується до 0,29 нм, а число пар на виток збільшується до 11-12. Яка біологічна функція А-форми ДНК-поки неясно.Характерною особливістю У-форми ДНК і те, що сахарофосфатним остови обох ланцюгів утворюють праву спіраль. Однак за певних умов ділянки ДНК, для яких характерне чергування пуринових і піримідинових нуклеотидів, приймають форму лівої спіралі. При цьому відстань між сусідніми парами основ збільшується до 0,77 нм, а число пар на один виток-до 12. Остов молекули ДНК має зигзагоподібний вигляд, тому подібна форма отримала назву Z-ДНК. Питання про те, чи існує Z-ДНК в природних умовах і утворюється вона в певних ділянках По-спіралі під дією специфічних білків, здатних перекладати У-форму в Z-форму, зараз інтенсивно досліджується.
м. Розмір молекул ДНК
Зазвичай розмір молекули ДНК виражається в кількості пар нуклеотидів, при цьому за одиницю береться тисяча пар нуклеотидів. Мовляв. маса однієї т.п. н. По-ДНК дорівнює в середньому 6,6 "10 5, а її довжина складає 340 нм. Якщо прийняти всі необхідні заходи, щоб не зруйнувати ДНК при виділенні, і використовувати м'які методи вимірювання довжини, то виявиться дивна відповідність між довжиною молекули ДНК і масою однієї невеликої хромосоми. Так, молекули ДНК єдиних хромосом, з яких складаються геноми бактеріофагів X і Т4, а також адено - і герпесвірусів, мають довжину, відповідну числа пар основ в одній хромосомі, складовою геном кожного з цих вірусів. Повний геном E. coli також представлений єдиною молекулою ДНК і має довжину 1,4 мм. Є всі підстави вважати, що кожна з хромосом дріжджів, Drosophila і навіть людини складається з однієї молекули ДНК розміром від кількох десятків тисяч до багатьох мільйонів пар нуклеотидів.д. Різноманітність форм ДНК
Існуюче до недавнього часу думка про те, що В-ДНК - це досконала подвійна спіраль, геометрія якої однакова незалежно від нуклеотидної послідовності, насправді не зовсім коректно. Детальний рентгеноструктурний аналіз, побудова моделей і термодинамічні розрахунки показали, що площини сусідніх пар основ не строго паралельні. Кожна комплементарна пара підстав є як би клином, відхиляють вісь спіралі в одному або в іншому напрямку. Найбільший "крен" спостерігається тоді, коли два сусідніх аденіну в одного ланцюга спарені з двома тиміном інший. У цьому місці відбувається локальне викривлення спіралі. Якщо такі пари зустрічаються з періодичністю приблизно один раз на 10 пар, то молекула ДНК набуває помітно викривленою. Викривлена, або вигнута, структура була, наприклад, виявлена в лінійних фрагментах ДНК кінетопласт трипаносоми Leishmanial tarentolae по аномально малої рухливості цих фрагментів при електрофорезі в поліакриламідному гелі. Вигини в молекулі ДНК спостерігаються в тих ділянках послідовності, де з незвично високою частотою зустрічаються повтори 5-6, розділені GC-багатими ділянками із чотирьох-шести нуклеотидів. Біологічна роль викривлення ДНК остаточно не встановлена. Схильність до такого згинанню, що залежить від послідовності основ, може мати значення при намотування молекули ДНК на гістоновими октамер в хроматині. Можливо, згинання ДНК суттєво і при специфічному зв'язуванні ДНК з білками в процесі регуляції експресії генів.ДНК може знаходитися в лінійній або кільцевій формі. Бактеріальні плазміди, хромосоми деяких бактерій, більшість мітохондріальних і хлоропластних ДНК, геноми вірусів ссавців представлені єдиною ковалентно замкнутої кільцевої дуплексної молекулою ДНК. Хромосома бактеріофага X на різних стадіях життєвого циклу існує то як лінійна молекула, то як замкнута кільцева структура, то як кільце з розривами. Мабуть, ніякого верхньої межі для розміру кільцевої дволанцюжкової молекули ДНК не існує.
ДНК в клітині зазвичай знаходиться в комплексі з білками. Зв'язаний білок злегка розкручує спіраль ДНК, відповідно і кількість витків спіралі на одиницю довжини стає менше, ніж у вільній По-ДНК. При видаленні білка відновлюється звичайне число правозакручена витків спіралі. У лінійній молекулі ДНК це відбувається досить легко, оскільки обидві ланцюга вільно обертаються одна навколо іншої. У замкнутої ж кільцевої молекулі загальне число витків спіралі топологічно фіксовано, і число оборотів одного ланцюга навколо інший не може бути змінено без компенсаторного освіти витків протилежного знаку де-небудь в іншому місці молекули. Отже, коли природні кільцеві дуплекси звільняються від білків, з якими вони часто бувають пов'язані in vivo, відбувається наступне:
1) число правозакручена витків спіралі зростає до величини, характерної для В-ДНК;
2) у самому дуплексі утворюється стільки ж витків протилежного знака, щоб компенсувати збільшення скрученості спіралі. Про таких молекулах говорять, що вони володіють негативною сверхспіральностью. При внесенні одного розриву в сверхспіральную кільцеву ДНК сверхспіральность знімається і кільцева структура переходить в релаксувати стан, при якому топологічні обмеження відсутні. Будь-які хімічні або фізичні зміни, що призводять до зменшення числа витків спіралі на молекулу, зменшують або взагалі знімають негативну сверхспіральность в замкнутій кільцевої ДНК.
Не всі ДНК in vivo є дволанцюжкові. Геноми деяких дрібних вірусів бактерій, рослин і тварин представляють собою ковалентно замкнуті кільця, що складаються тільки з одного ланцюга. Всі відомі одноланцюгові кільцеві ДНК відносно малі: ДНК бактеріофагів фХ174 і М13 містять приблизно 5300 і 6000 нуклеотидів відповідно і мають довжину 1,5-2 мкм; довжина молекул ДНК парвовирусов тварин і деяких вірусів рослин становить 2 / 3 і 1 / 2 зазначених величин відповідно . Однак для реплікації будь-який з цих вірусних ДНК абсолютно необхідно перетворення одноланцюжковою кільця у відповідне дволанцюжкові, з якого потім утворюються одноланцюгові кільцеві ДНК вірусного потомства. Більш того, експресія генетичної інформації в таких геномах завжди здійснюється у фазі дволанцюжкової ДНК, оскільки саме вона є субстратом для транскрипції послідовності ДНК в РНК.
е. Денатурація і ренатурацією ДНК
Водневі зв'язки і межплоскостное взаємодії, стабілізуючі подвійну спіраль, досить слабкі, і при відносно невеликих впливах відбувається розділення кіл - процес, іменований денатурацією, або плавленням. Дволанцюжкова галактика ДНК в розчині легко руйнується при нагріванні до температур, близьких до 100 ° С. Денатурація відбувається також при збільшенні рН розчину до рівня, при якому руйнуються водневі зв'язки між основами. Багато факторів впливають на денатурацію, нейтралізуючи частково або повністю негативно заряджені фосфатні групи остову молекули. Інтервал значень температури або рН, при яких відбувається розділення кіл, дуже невеликий. Оскільки для руйнування двох водневих зв'язків АТ-пар потрібно менше енергії, ніж для розриву трьох водневих зв'язків GС-пар, значення температури і рН, при яких відбувається денатурація, залежать від нуклеотидного складу ДНК. Чим вище зміст GС-пар, тим вище Т т або рН т.Денатурація - процес оборотний, подальше відновлення дволанцюжкової структури ДНК може відбуватися навіть при повному розходженні ланцюгів. Процес возз'єднання, званий ренатурацією, реассоціаціей або відпалом, відбувається при зниженні температури або рН. Якщо температура або рН знижуються поступово, то кола з'єднуються правильно, з відновленням всіх вихідних пар основ. При різкому зниженні температури або рН правильне возз'єднання комплементарних ланцюгів не може через спарювання підстав локально комплементарних ділянок у межах однієї чи різних ланцюгів. Дисоціація та реассоціація ДНК в розчині є по суті штучним відтворенням процесів, що грають ключову роль у реалізації різноманітних біологічних функцій in vivo. Дуже важливим для подальшого викладу є те, що здатність двох окремих комплементарних ланцюгів нуклеїнової кислоти возз'єднуватися з утворенням вихідної структури є ключовим моментом для проведення відповідних дослідів in vitro, а також для виділення, порівняння та ідентифікації специфічних нуклеїнових кислот. Унікальна здатність нуклеїнової кислоти утворювати подвійні спіралі шляхом асоціації одиночних комплементарних ланцюгів має величезне значення для самих різних областей генетики.
ж. Упаковка ДНК в хромосомах
У клітках або віруси ДНК, мабуть, ніколи не перебуває у вільній, витягнутої формі. Вона пов'язана з низькомолекулярними катіонами - іонами двовалентних металів або з ді-і поліаміни, білками, а можливо, з тими і з іншими. Взаємодія здійснюється за допомогою електростатичних сил - негативно заряджені фосфатні групи частково нейтралізуються позитивно зарядженими іонами металів і поліаміни або основними амінокислотними залишками білків. У результаті таких взаємодій відбувається конденсація ДНК із зменшенням обсягу, займаного молекулою, іноді в тисячу разів. Кільцева ДНК Є. coli довжиною 1,4 мм укладена в клітку, що має форму палички діаметром 1 мкм і завдовжки 2 мкм; у еукаріотичних клітин ядерна ДНК довжиною майже 2 м у стадії інтерфази укладена в ядрі діаметром менше 10 мкм. Ядерна ДНК в клітинах, що знаходяться в стадії мітозу, конденсованих ще більше і в світловому мікроскопі має вигляд дуже компактної структури.Хромосоми еукаріот. Хромосоми еукаріотичних клітин складаються в основному з хроматину - комплексу дволанцюжкової ДНК і п'яти гістонових білків, що позначаються H1, Н2А, Н2В, Н3 і Н4. Гістони можуть бути ацетильований, метиловані, фосфорилюватись, ро1у-рибо-зіліровани, а гістони Н2А і Н2В - ковалентно зв'язані з білком, званим убіквітину. Яка роль впливу зазначених компонентів на структуру і функції гістонів - до кінця не з'ясовано.
Типові характеристики гістонів ссавців
| Тип | Число амінокислот | Мовляв. маса. кДа | Кількість основних амінокислот | Ставлення Lys / / Arg | Число кислих амінокислот | |
На електронно-мікроскопічних фотографіях в залежності від умов виділення та ступені розтягування хроматин виглядає або як довге волокно діаметром 10 нм, або частіше як більш витягнуте волокно з потовщеннями - "намистинками" діаметром 10 нм, нанизаними по всій довжині волокна з певними інтервалами. Кожна з цих намистин представляє собою нуклеосомний кор, на який намотаний сегмент хромосомної ДНК довжиною 145 пар основ. Кор - це гістоновими октамер, що складається з гістонів Н2А, Н2В, Н3 і Н4, по дві молекули кожного виду. Молекула ДНК, обвиваючись 1 3 / 4 рази навколо нуклеосомного кора, утворює сверхспіраль.
П'ятий гістон, H1, не входить до складу нуклеосомного кора і не бере участі в процесі намотування ДНК на гістоновими октамер. Він контактує з ДНК в тих місцях, де подвійна спіраль входить і виходить з нуклеосомного кора. У такій структурі з одним гістоновими октамер і молекулою гистона H1 асоційовані 168 пар основ спіральної ДНК. Як ми вже відзначали, на електронно-мікроскопічних фотографіях хроматин часто виявляється у двох альтернативних формах: у формі волокна з чітко розділеними нуклеосомами або у формі волокна діаметром 10 нм, в якому нуклеосоми упаковані пліч-о-пліч по всій його довжині. Волокно діаметром 10 нм може піддаватися подальшій конденсації з утворенням структур більш високого порядку. При цьому нуклеосоми, по всій видимості, утворюють соленоїд - структуру діаметром 30 нм.
У результаті взаємодії ДНК з гістонами сегмент подвійної спіралі ДНК з 168 пар основ з середнім діаметром 2 нм і довжиною 57 нм перетворюється на спіраль діаметром 10 нм і довжиною 5 нм. При подальшому стисненні цієї спіралі до волокна діаметром 30 нм ступінь конденсації збільшується ще в шість разів. Таким чином, упаковка дуплексу ДНК з п'ятьма гістонами призводить до 50-кратної конденсації ДНК. Однак навіть настільки висока ступінь конденсації не може пояснити майже 5000-кратне ущільнення ДНК в метафазної хромосомі.
Еукаріотичний хроматин містить і інші білки, які зазвичай називають негістонових. Деякі з них, наприклад ферменти, необхідні для реплікації та експресії ДНК, можуть зв'язуватися з хроматином тимчасово. Білки, що беруть участь у різних процесах регуляції, зв'язуються з ДНК лише в специфічних тканинах або на певних стадіях диференціації.
Хромосоми прокаріотів. Наскільки відомо, в упаковці прокаріотичної геномної ДНК беруть участь тільки два або три білки. Про природу взаємодії цих білків з ДНК і про структуру конденсованого комплексу білок-нуклеїнова кислота відомо небагато. У Е. coli, мабуть, існує лише один білок або один клас ДНК-зв'язуючих білків, званих HU-білками; за своїм розміром, змістом лізину і аргініну, антигенними властивостями вони подібні з еукаріотичних гістоном Н2А. Інший білок, білок II, виявлений у Є. coli і ціанобактерій, за підвищеним змістом лізину і ДНК-прив'язки властивостям також нагадує еукаріотичний гістон.
Деякі основні РНК
| Тип РНК | Приблизне число різних видів в клітинах | Приблизна довжина (число нук-леотідов) | Рас-про-дивний-ність " |
| Транспортна РНК | 80-100 | 75-90 | П, Е |
| (ТРНК) | |||
| Рибосомная 5S-PHK | 1-2 | 120 | П, Е |
| (РРНК) | |||
| Рибосомная 5,8 S-PHK | 1 | 155 | Е |
| (РРНК) | |||
| Рибосомна 16S-PHK | 1 | 1600 | П |
| (РРНК) | |||
| Рибосомна 23S-PHK | 1 | 3200 | П |
| (РРНК) | |||
| Рибосомна 18S-PHK | 1 | 1900 | Е |
| (РРНК) | |||
| Рибосомна 28S-PHK | 1 | 5000 | Е |
| (РРНК) | |||
| Матрична РНК (мРНК) | Тисячі | Варіює | П, Е |
| Гетерогенна ядерна | » | » | Е |
| РНК (гяРНК) | |||
| Мала цітоплазматі- | Десятки | 90-330 | П, Е |
| чна РНК (мцРНК) | |||
| Мала ядерна РНК | » | 58-220 | Е |
| (Малі ядерні РНК) |
2. Структура та поведінка РНК
а. Типи РНК та їх поширеність
Зміст РНК в будь-яких клітинах в 5-10 разів перевищує вміст ДНК. Основна роль РНК полягає в трансляції генетичної інформації з утворенням білків. Однак молекули РНК беруть участь і в здійсненні деяких спеціалізованих ендонуклеазною функцій, можливо регулюють різні етапи експресії генів. Молекулами РНК представлені геноми деяких вірусів.У всіх клітинах присутні наступні види РНК: рибосомна РНК, транспортна РНК і інформаційна, або матрична, РНК. Більшість клітин містять також багато інших малих цитоплазматичних РНК, а в клітинах еукаріотів присутній ще й безліч малих ядерних РНК. Близько 80% маси клітинних РНК становлять три або чотири види рРНК, а близько 15% - майже 100 видів тРНК. На частку декількох тисяч різних матричних РНК припадає менш ніж 5% клітинної РНК, а на частку малих ядерної та цитоплазматичної РНК, число видів яких поки невідомо, - менше 2% від загальної кількості.
б. Компоненти молекули РНК і з'єднують їх хімічні зв'язки
РНК - це полинуклеотид довжиною від 70 мономерних одиниць у деяких тРНК до 10000 і більше в деяких мРНК. Два пурину і один піримідин входять також до складу ДНК. А замість тиміну в РНК входить урацил, у якого 5-метильної група відсутня. Нуклеотиди в молекулі РНК з'єднані в ланцюжок такими ж 5-3'-фосфодіефірних зв'язками, як і в ДНК. Через наявність 2'-ОН-групи зв'язок Р-О чутлива до дії лугів і ферментів, що розщеплюють РНК.Деякі пурини і піримідинові в РНК модифіковані: вони містять метил-, тіол-, водень-і ізопентеніл-заступники. У РНК присутні 2'-О-метілнуклеотіди з модифікованим залишком рибози, а також може спостерігатися інший спосіб зв'язування між урацилом і рибоза. Такі модифіковані нуклеотиди досить рідко зустрічаються в рРНК і мРНК і досить часто - у тРНК. Як правило, модифікація підстав і рібозних залишків відбувається після завершення синтезу РНК, а не на стадії біосинтетичних попередників. Функціональне значення цього явища встановлено лише частково.
в. Структура РНК
Більшість клітинних РНК - молекули одноланцюгові, хоча деякі вірусні геноми представлені дволанцюжкові РНК, що нагадують А-форму ДНК. У поодиноких ланцюгах весь час утворюються короткі внутрішньомолекулярні дволанцюжкові ділянки. Це пов'язано з тим, що в більшості РНК є невеликі комплементарні послідовності, які злучаються і утворюють петлі. У таких дволанцюжкові ділянках А злучається з U, a G з С; G може утворити пару і з U, але GU-пара менш стабільна, ніж стандартна пара GC, оскільки її компоненти з'єднані двома, а не трьома водневими зв'язками. Дволанцюжкові області, утворені подібним чином, зазвичай непротяжних і переривчасті, оскільки спаровуються ділянки рідко бувають абсолютно комплементарними. Укладання більшості РНК може відбуватися більш ніж одним способом, проте біологічне значення утворюються при цьому ізомерів встановлено тільки в деяких випадках. Наприклад, відомо, що адекватна укладання деяких вірусних РНК надзвичайно важлива для експресії генів, оскільки відповідь на ключові регу-регуляторну сигнали залежить від конфігурації молекули. Подібна залежність функції від упаковки молекули найкращим чином продемонстровано на прикладі тРНК. Незважаючи на різну нуклеотидну послідовність, третинна структура різноманітних тРНК вельми схожа, і її стабілізація, мабуть, має величезне значення для функціонування цих молекул. Правильна термінація синтезу РНК і дозрівання транскрипту теж часто залежать від характеру укладання РНК.р. Денатурація і ренатурацією РНК
Як і у випадку ДНК, дволанцюжкові ділянки в РНК руйнуються при підвищенні температури або рН, але, на відміну від ДНК, при високих значеннях рН в РНК руйнуються і фосфодіефірні зв'язку. Оскільки довжина спіраль ділянок у одноланцюжковою РНК невелика, а самі спіралі недосконалі, руйнуються вони досить легко. Однак повністю комплементарна дволанцюжкова РНК плавиться в досить вузькому температурному інтервалі, як і дволанцюжкова ДНК. У результаті денатурації утворюються дві комплементарні поодинокі ланцюга, здатні до подальшого возз'єднання при плавному зниженні температури. Після денатурації дволанцюжкові ділянок одноланцюжковою РНК відновлення тих же спарених областей виявляється утрудненим, і в результаті ренатурації можуть утворитися структури, відмінні від вихідної.д. Гібридні спіралі ДНК-РНК
Полінуклеотидні ланцюжка РНК і ДНК, що мають комплементарні послідовності, можуть утворювати подвійну спіраль РНК-ДНК з антипаралельними ланцюгами. Структура таких комплексів нагадує А-ДНК. Спарювання підстав у них відповідає правилам Уотсона-Кріка для ДНК: dA злучається з rU, rA-c dT, dG - c rC і dC - c rG. У дуплексу РНК-ДНК пара підстав rG'dC більш стабільна, ніж пара dG'rQ і обидві вони стабільніші пар dG'dC в ДНК; обидві пари, dT * ^ і rU'dA, менш стабільні, ніж пара dA'dT в ДНК . Гібридні спіралі, або гетеродуплекси, здатні до денатурації і ренатурації, як і дуплекси ДНК. У водних розчинах з помірною концентрацією солей дволанцюжкові комплекси РНК-ДНК денатурують легше, ніж відповідні спіралі, що складаються виключно з ланцюгів РНК і ДНК. У розчинах ж, містять формамід і солі в певних концентраціях, дуплекс РНК-ДНК стабільніше дуплексу ДНК. Ці умови можуть використовуватися для освіти і специфічної стабілізації гібридних дуплексів.Полінуклеотидні ланцюга РНК або ДНК вважаються комплементарними, якщо вони здатні утворити протяжну подвійну спіраль з уотсон-Криковського парами підстав. Дві нуклеїнові кислоти можна назвати гомологічними, якщо їх нуклеотидні послідовності ідентичні або дуже близькі. Гомологічною двох нуклеїнових кислот можна визначити за ступенем освіти подвійних спіралей відповідними одиночними ланцюгами РНК, ДНК або гібридів РНК-ДНК. За освітою ДНК-, РНК - і гібридних РНК-ДНК-спіралей можна стежити різними способами. Як зонда для виявлення та кількісного аналізу гомологічних молекул РНК часто використовується одноланцюжкова ДНК. Так, ступінь перетворення одноланцюжковою РНК в двухцепочечную форму в присутності іншого нуклеїнової кислоти є мірою гомологічною їх послідовностей. Використовуючи відповідного партнера по гібридизації, можна встановити протяжність специфічної нуклеотидної послідовності і гомологічні двох ДНК, РНК і ДНК, а також двох РНК.
3. Структура білків
а. Компоненти білків і з'єднують їх хімічні зв'язки
Білки складаються з однієї або кількох поліпептидних ланцюгів, кожна з яких в свою чергу представляє собою довгий нерозгалужений полімер, що складається з амінокислот. Всі поліпептиди незалежно від джерела - від вірусів до людини - побудовані з 20 різних амінокислот. У амінокислотах є як однакові для всіх, так і унікальні хімічні угруповання: атом вуглецю, що несе карбоксильну та аміно-групи. і певні заступники, характерні для кожної амінокислоти. Такі "бічні ланцюги", часто звані R-групами, розрізняються за розміром, формою, заряду і хімічної активності. Остов будь білкового ланцюга утворюється за допомогою амідних зв'язків, що з'єднують аміногрупу однієї амінокислоти з карбоксильною групою інший, сусідній амінокислоти. Таким чином, поліпептиди - це довгі ланцюги, утворені за допомогою регулярно повторюваних пептидних зв'язків і містять набір бічних груп, розташованих уздовж кістяка. Поліпептидний ланцюг має певний напрямок. На одному її кінці знаходиться вільна аміногрупа; відповідна амінокислота називається N-кінцевий, таку ж назву і у даного кінця ланцюга. На іншому кінці ланцюга знаходиться карбоксильна група, зазвичай існує у вигляді СОО - аніону; амінокислота в цій позиції називається С-кінцевий, таку ж назву має і відповідний кінець ланцюга. У деяких білках між цистеїнових залишками одного ланцюга утворюються дисульфідні зв'язки, об'єднуючи різні ділянки ланцюга. Такі дисульфідні містки можуть об'єднувати і різні поліпептидні ланцюги незалежно від того, ідентичні вони чи ні. Поліпептидні субодиниці деяких олігомерних білків об'єднані саме таким чином.
У деяких білках зустрічаються в невеликих кількостях модифіковані форми природних амінокислот. Практично у всіх випадках зміни у структурі амінокислот відбуваються лише після утворення пептидних зв'язків: у результаті гідроксилювання вже включених в білок проліну та лізину виходять гідроксипролін і гідроксилізин відповідно; при карбоксилювання глутамату утворюється у-карбоксіглутамат, а при фосфорилюванні гідроксильних груп серину і треоніну або фенольної групи тирозину-фосфоамінокіслоти.
Важливими компонентами еукаріотичних клітин і багатьох вірусів є білки, які відносяться до групи глікопротеїнів. Вони містять складні вуглеводи, ковалентно пов'язані з вхідними до складу білка аспарагінової, гідроксілізіновим, серинові і треонінових залишками. Як і у випадку модифікації амінокислот, описаному вище, на певних етапах, наступних за складанням поліпептидного ланцюга, до неї можуть приєднуватися різні цукри. Реакції глікозилювання грають важливу роль в процесах транспортування білків від місця їх синтезу в специфічні клітинні органели і до поверхневих структур клітини; глікопротеїни також надають певний малюнок поверхні клітин.
Розмір і субодиничний складу деяких глобулярних білків
У розчині білки мають строго певну конформацію, або тривимірну структуру. Біологічна активність майже всіх без винятку білків, будь то білки-каталізатори, структурні білки, білки, відповідальні за транспортні процеси, білки, що беруть участь у формуванні опорно-рухового апарату, або білки-регулятори, залежить від збереження їх природної, або активною, конформації. Білки відповідно до їх конформацією можна розділити на дві категорії. Глобулярні білки мають компактну, приблизно сферичну форму, що утворюється в результаті нерегулярної укладання поліпептидних ланцюгів. У фібрилярних білках поліпептидні ланцюги розташовуються паралельно один одному, утворюючи довгі нитки або шари. Більшість ферментів і розчинних білків мають глобулярну структуру; такі білки, як колаген і кератин, які виявляються в структурних і сполучних тканинах, беруть фибриллярную конформацію. Фібриноген і м'язовий міозин можуть зустрічатися як в одній, так і в іншій формі.
Кожен білок володіє унікальною амінокислотною послідовністю; порядок розташування амінокислот вздовж поліпептидного ланцюга називається первинною структурою. Унікальність первинної структури вперше була виявлена при дослідженні бичачого інсуліну, а потім підтверджена в результаті аналізу тисяч інших білків різного розміру. Первинна структура білка детермінується первинної структурою відповідного гена. Тому при зміні нуклеотидної послідовності гена, що кодує даний білок, змінюється і первинна структура білка.
Поліпептидні ланцюги можуть укладатися в регулярні структури, які називають вторинними. Найбільш часто зустрічаються періодичними конформації білків є правозакручена а-спіраль і по-шар. В а-спіралі остов має конфігурацію гвинтовий спіралі з періодичністю 0,54 нм і приблизно 3,6 амінокислотними залишками на виток. Стабілізація спіральної структури здійснюється завдяки утворенню водневих зв'язків між атомом водню NH-групи однієї амінокислоти і СО-групою четвертої вздовж ланцюга амінокислоти. Бічні групи амінокислот розташовуються на зовнішній стороні спіралі. Довжина ділянки даної поліпептидного ланцюга, який може приймати а-спіральну конфігурацію, залежить від амінокислотного складу та амінокислотної послідовності ланцюга. Деякі амінокислоти або послідовності дестабілізують а-спіраль, а якщо в колі зустрічається пролін або гідроксипролін, щось а-спіраль переривається через обмеження обертання навколо пептидного зв'язку та відсутності атома водню для утворення водневого зв'язку. Як правило, а-спіральні ділянки щодо непротяжних і складаються в середньому з 10-20 аміно-кислот. Іноді водневі зв'язки, що утворюються між бічними групами амінокислот у двох а-спіральних сегментах, з'єднують розташовані пліч-о-пліч витки спіралі однієї і тієї ж чи різних поліпептидних ланцюгів, і тим самим структура ще більше стабілізується. Відомі випадки, коли множинні а-спіральні сегменти однієї поліпептидного ланцюга утворюють безладні пучки. У деяких білків, зокрема у ферменту хімотріп-сина, а-спіральні області відсутні; в інших, наприклад у а - в. Ряди з двох-п'яти ланцюгів, скріплених водневими зв'язками, що знаходяться в паралельній один одному або антипараллельной орієнтації, утворюють структуру, що нагадує гофровану тканину.
Деякі білки містять надзвичайно багато гліцину і проліну - тих двох амінокислот, які дестабілізують або руйнують а-спіралі, а також дві незвичайні амінокислоти - гідроксипролін і гідроксилізин. Подібні білки утворюють вторинну структуру третього типу; вона складається з трьох довгих ліво-закручених спіралей, сплетених у вигляді щільного каната. Структура також стабілізується водневими зв'язками, утвореними між бічними залишками прилеглих один до одного ниток канату.
Майже всі ферменти і регуляторні білки мають глобулярну форму; це і є їх третинна структура. Бічні ланцюга полярних амінокислот локалізуються на поверхні глобули, що контактує з розчинником, а бічні ланцюги неполярних амінокислот сховані всередині і екрановані від водного середовища. Щільно скручені поліпептидні ланцюги містять варьирующее число а-спіралей і. Біологічно активна четвертинна структура білка підтримується за допомогою різноманітних взаємодій між амінокислотами. До них відносяться:
1) взаємодії, які відповідальні за формування а-спіралей і водневі зв'язки між деякими бічними групами амінокислот;
3) іонні зв'язки між протилежно зарядженими бічними групами;
4) ковалентні дисульфідні зв'язки між віддаленими один від одного вздовж ланцюга залишками цистеїну;
5) гідрофобні взаємодії між бічними групами, міцніші, ніж взаємодії з водною фазою на зовнішній поверхні білкової глобули. Відносний внесок усіх цих сил у стабілізацію структури у різних білків варіює.
При нагріванні або підвищення або зниження рН нативна кулька розгортається. Цей процес оборотний, тобто третинна структура може відновлюватися з утворенням тих хімічних і фізичних взаємодій, які стабілізують нативну компактну кон-формацію. Механізм правильного згортання поліпептидного ланцюга і проміжні етапи цього процесу інтенсивно вивчаються.
Більшість глобулярних білків-олігомери. Прикладом глобулярних білків можуть служити гемоглобін і імуноглобулін. Четвертинна структура подібних білків визначається тим, як взаємодіють між собою в олігомерної структурі окремі згорнуті поліпептидні ланцюги. У гемоглобіні, наприклад, завдяки взаємодії амінокислот, що входять до складу а-спіралей і детальні дослідження структури гемоглобіну дозволили встановити, як змінюються відповідні взаємодії при зв'язуванні цим білком кисню.
Вторинна, третинна та четвертинна структури білків тісно пов'язані між собою і в кінцевому рахунку визначаються первинної структурою однієї або кількох поліпептидних ланцюгів. Наслідки такого взаємозв'язку дуже значні: інформація, яка визначає укладання білкової молекули і перехід її в біологічно активний стан, закодована в його амінокислотної послідовності. Підтвердженням цього принципового положення служить те, що хімічні модифікації і мутаційні зміни амінокислотної послідовності поліпептидів сильно впливають на їх ренатурацією і здатність формувати вторинну, третинну і четвертинну структури з повноцінною біологічною активністю.
В якості одного з численних прикладів залежності структури і функції білка від його амінокислотної послідовності можна навести серповидноклеточной анемію. Генетичне порушення при цій хворобі виражається в заміні глутамінової кислоти, шостий за рахунком від N-кінця в-ланцюга в нормальному гемоглобіні, на валін. Зміна в первинній структурі в-глобіну приводить
до того, що на поверхні білкової глобули виявляється аномальна гідрофобна амінокислота, через що відбувається агрегація дезоксігенірованного гемоглобіну з утворенням олігомерних структур більш високого рівня організації. У результаті форма і пластичність еритроцитів змінюються, і кровотік через капіляри і дрібні вени важко або зовсім припиняється. Основний висновок, який можна зробити з цього класичного випадку, полягає в тому, що одна-єдина мутація - заміна нуклеотиду в послідовності ДНК, що призводить до заміни однієї амінокислоти на іншу в специфічному сайті поліпептидного ланцюга, - може надавати настільки драматичне вплив на конформацію білка і його фізіологічну функцію. У більш загальному сенсі, такий механізм, що зв'язує генотипи всіх організмів з їх фенотипами.
У деяких білках зустрічаються в невеликих кількостях модифіковані форми природних амінокислот. Практично у всіх випадках зміни у структурі амінокислот відбуваються лише після утворення пептидних зв'язків: у результаті гідроксилювання вже включених в білок проліну та лізину виходять гідроксипролін і гідроксилізин відповідно; при карбоксилювання глутамату утворюється у-карбоксіглутамат, а при фосфорилюванні гідроксильних груп серину і треоніну або фенольної групи тирозину-фосфоамінокіслоти.
Важливими компонентами еукаріотичних клітин і багатьох вірусів є білки, які відносяться до групи глікопротеїнів. Вони містять складні вуглеводи, ковалентно пов'язані з вхідними до складу білка аспарагінової, гідроксілізіновим, серинові і треонінових залишками. Як і у випадку модифікації амінокислот, описаному вище, на певних етапах, наступних за складанням поліпептидного ланцюга, до неї можуть приєднуватися різні цукри. Реакції глікозилювання грають важливу роль в процесах транспортування білків від місця їх синтезу в специфічні клітинні органели і до поверхневих структур клітини; глікопротеїни також надають певний малюнок поверхні клітин.
Розмір і субодиничний складу деяких глобулярних білків
| Мовляв. маса білка, кДа | Число субодиниць | |||
| Білок | Джерело | Мовляв. маса субодиниць, | ||
| ДНК-лігаза | Є. coli | 75 | 1 | - |
| ДНК-полімераза I | Є. coli | 109 | 1 | - |
| Лужна фосфатаза | Є. coli | 86 | 2 | 43 |
| Lac-репрессор | Є. coli | 160 | 4 | 40 |
| (З-галактозидаза | Є. coli | 544 | 4 | 135 |
| Глутамінсінтетаза | Є. coli | 592 | 12 | 49 |
| Гемоглобін | Млекопіта- | 64 | 2а | 16 |
| ющие | 2р | 16 | ||
| Тріптофансінтаза | Є. coli | 148 | 2а | 29 |
| 2в | 45 | |||
| Аспартат-транскарба- | Є. coli | 310 | 6 (С) Ц | 33 |
| мілаза | 6 (R) 2) | 17 | ||
| РНК-полімераза | Є. coli | 400 | 2 (а) | 40 |
| (Основний фермент) | 155 | |||
| Р ') | 165 | |||
| Піруватдегідрогсназ - | Є. coli | 4500 | 24? | 91 |
| ний комплекс | 244) | 70 | ||
| 125) | 56 |
б. Розмір і форма білків
Розміри поліпептидів дуже сильно різняться: число складових їх амінокислот коливається від 50 до кількох тисяч. Оскільки з кожною амінокислотою маса білка збільшується приблизно на 110 дальтон, мовляв. маса білків може варіювати від 10 квітня до 10 6 дальтон. Одні білки складаються тільки з однієї поліпептидного ланцюга, інші - з декількох однакових ланцюгів, треті - з декількох кіл різного типу. Прикладом білка, представленого однієї поліпептидного ланцюгом, служить міоглобін; глутаматсінтетаза бактерій містить 12 ідентичних поліпептидних ланцюгів. Гемоглобін - тетрамер, що складається з ланцюгів двох різних видів, а функціональна форма ДНК-полімерази Є. coli складається з поліпептидних ланцюгів принаймні чотирьох різних видів.У розчині білки мають строго певну конформацію, або тривимірну структуру. Біологічна активність майже всіх без винятку білків, будь то білки-каталізатори, структурні білки, білки, відповідальні за транспортні процеси, білки, що беруть участь у формуванні опорно-рухового апарату, або білки-регулятори, залежить від збереження їх природної, або активною, конформації. Білки відповідно до їх конформацією можна розділити на дві категорії. Глобулярні білки мають компактну, приблизно сферичну форму, що утворюється в результаті нерегулярної укладання поліпептидних ланцюгів. У фібрилярних білках поліпептидні ланцюги розташовуються паралельно один одному, утворюючи довгі нитки або шари. Більшість ферментів і розчинних білків мають глобулярну структуру; такі білки, як колаген і кератин, які виявляються в структурних і сполучних тканинах, беруть фибриллярную конформацію. Фібриноген і м'язовий міозин можуть зустрічатися як в одній, так і в іншій формі.
в. Чим визначається конформація білка
Структуру білка можна розглядати на різних рівнях організації - на рівні первинної, вторинної, третинної або четвертинної структури. Перші три відносяться до структурних характеристиках поліпептидних ланцюгів, четвертий відображає структуру олігомерних білків, що складаються з двох або більше поліпептидних ланцюгів.Кожен білок володіє унікальною амінокислотною послідовністю; порядок розташування амінокислот вздовж поліпептидного ланцюга називається первинною структурою. Унікальність первинної структури вперше була виявлена при дослідженні бичачого інсуліну, а потім підтверджена в результаті аналізу тисяч інших білків різного розміру. Первинна структура білка детермінується первинної структурою відповідного гена. Тому при зміні нуклеотидної послідовності гена, що кодує даний білок, змінюється і первинна структура білка.
Поліпептидні ланцюги можуть укладатися в регулярні структури, які називають вторинними. Найбільш часто зустрічаються періодичними конформації білків є правозакручена а-спіраль і по-шар. В а-спіралі остов має конфігурацію гвинтовий спіралі з періодичністю 0,54 нм і приблизно 3,6 амінокислотними залишками на виток. Стабілізація спіральної структури здійснюється завдяки утворенню водневих зв'язків між атомом водню NH-групи однієї амінокислоти і СО-групою четвертої вздовж ланцюга амінокислоти. Бічні групи амінокислот розташовуються на зовнішній стороні спіралі. Довжина ділянки даної поліпептидного ланцюга, який може приймати а-спіральну конфігурацію, залежить від амінокислотного складу та амінокислотної послідовності ланцюга. Деякі амінокислоти або послідовності дестабілізують а-спіраль, а якщо в колі зустрічається пролін або гідроксипролін, щось а-спіраль переривається через обмеження обертання навколо пептидного зв'язку та відсутності атома водню для утворення водневого зв'язку. Як правило, а-спіральні ділянки щодо непротяжних і складаються в середньому з 10-20 аміно-кислот. Іноді водневі зв'язки, що утворюються між бічними групами амінокислот у двох а-спіральних сегментах, з'єднують розташовані пліч-о-пліч витки спіралі однієї і тієї ж чи різних поліпептидних ланцюгів, і тим самим структура ще більше стабілізується. Відомі випадки, коли множинні а-спіральні сегменти однієї поліпептидного ланцюга утворюють безладні пучки. У деяких білків, зокрема у ферменту хімотріп-сина, а-спіральні області відсутні; в інших, наприклад у а - в. Ряди з двох-п'яти ланцюгів, скріплених водневими зв'язками, що знаходяться в паралельній один одному або антипараллельной орієнтації, утворюють структуру, що нагадує гофровану тканину.
Деякі білки містять надзвичайно багато гліцину і проліну - тих двох амінокислот, які дестабілізують або руйнують а-спіралі, а також дві незвичайні амінокислоти - гідроксипролін і гідроксилізин. Подібні білки утворюють вторинну структуру третього типу; вона складається з трьох довгих ліво-закручених спіралей, сплетених у вигляді щільного каната. Структура також стабілізується водневими зв'язками, утвореними між бічними залишками прилеглих один до одного ниток канату.
Майже всі ферменти і регуляторні білки мають глобулярну форму; це і є їх третинна структура. Бічні ланцюга полярних амінокислот локалізуються на поверхні глобули, що контактує з розчинником, а бічні ланцюги неполярних амінокислот сховані всередині і екрановані від водного середовища. Щільно скручені поліпептидні ланцюги містять варьирующее число а-спіралей і. Біологічно активна четвертинна структура білка підтримується за допомогою різноманітних взаємодій між амінокислотами. До них відносяться:
1) взаємодії, які відповідальні за формування а-спіралей і водневі зв'язки між деякими бічними групами амінокислот;
3) іонні зв'язки між протилежно зарядженими бічними групами;
4) ковалентні дисульфідні зв'язки між віддаленими один від одного вздовж ланцюга залишками цистеїну;
5) гідрофобні взаємодії між бічними групами, міцніші, ніж взаємодії з водною фазою на зовнішній поверхні білкової глобули. Відносний внесок усіх цих сил у стабілізацію структури у різних білків варіює.
При нагріванні або підвищення або зниження рН нативна кулька розгортається. Цей процес оборотний, тобто третинна структура може відновлюватися з утворенням тих хімічних і фізичних взаємодій, які стабілізують нативну компактну кон-формацію. Механізм правильного згортання поліпептидного ланцюга і проміжні етапи цього процесу інтенсивно вивчаються.
Більшість глобулярних білків-олігомери. Прикладом глобулярних білків можуть служити гемоглобін і імуноглобулін. Четвертинна структура подібних білків визначається тим, як взаємодіють між собою в олігомерної структурі окремі згорнуті поліпептидні ланцюги. У гемоглобіні, наприклад, завдяки взаємодії амінокислот, що входять до складу а-спіралей і детальні дослідження структури гемоглобіну дозволили встановити, як змінюються відповідні взаємодії при зв'язуванні цим білком кисню.
Вторинна, третинна та четвертинна структури білків тісно пов'язані між собою і в кінцевому рахунку визначаються первинної структурою однієї або кількох поліпептидних ланцюгів. Наслідки такого взаємозв'язку дуже значні: інформація, яка визначає укладання білкової молекули і перехід її в біологічно активний стан, закодована в його амінокислотної послідовності. Підтвердженням цього принципового положення служить те, що хімічні модифікації і мутаційні зміни амінокислотної послідовності поліпептидів сильно впливають на їх ренатурацією і здатність формувати вторинну, третинну і четвертинну структури з повноцінною біологічною активністю.
В якості одного з численних прикладів залежності структури і функції білка від його амінокислотної послідовності можна навести серповидноклеточной анемію. Генетичне порушення при цій хворобі виражається в заміні глутамінової кислоти, шостий за рахунком від N-кінця в-ланцюга в нормальному гемоглобіні, на валін. Зміна в первинній структурі в-глобіну приводить
до того, що на поверхні білкової глобули виявляється аномальна гідрофобна амінокислота, через що відбувається агрегація дезоксігенірованного гемоглобіну з утворенням олігомерних структур більш високого рівня організації. У результаті форма і пластичність еритроцитів змінюються, і кровотік через капіляри і дрібні вени важко або зовсім припиняється. Основний висновок, який можна зробити з цього класичного випадку, полягає в тому, що одна-єдина мутація - заміна нуклеотиду в послідовності ДНК, що призводить до заміни однієї амінокислоти на іншу в специфічному сайті поліпептидного ланцюга, - може надавати настільки драматичне вплив на конформацію білка і його фізіологічну функцію. У більш загальному сенсі, такий механізм, що зв'язує генотипи всіх організмів з їх фенотипами.