biathlonmordovia.ru → Заземление

Роль слабых взаимодействий в биополимерах. Водородные связи Водородная связь роль в формировании белковых структур

Вторичная структура − это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде α-спирали или β-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации.

Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде α-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. α-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.

Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая α-спираль (α R). Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; α-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные α-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно α R -спирали левая α-спираль (α L) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей (рис.6.1).

Рис. 6.1. Вторичная структура белка: α-спираль

Наряду с α-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие β-структуры, β-изгиб.

В отличие от конденсированной α-спирали β-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно (рис.6.2).

Рис.6.2. Параллельное (а) и антипараллельное (б) расположение β-слоев

B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи (рис.6.3). Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (β α); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (β n). В складчатых структурах α-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз. Энергетически предпочтительной оказывается β α -складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.

Рис.6.3. β-складчатая структура

Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это – β-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних β-тяжей в антипараллельных β-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.

Супервторичная структура − это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур:

1. α-спираль − два антипараллельных участка, которые взаимодействуют гидрофобными комплементарными поверхностями (по принципу «впадина-выступ»);

2. сверхспирализация α-спирали;

3. βхβ − два параллельных участка β-цепи;

4. β-зигзаг.

Встречаются разнообразные способы укладки белковой цепи (рис. 6.5). Рисунок 6.5 взят с обложки журнала Nature 1977 г. (v.268, №.5620), где была напечатана статья Дж. Ричардсона о мотивах укладки белковых цепей.

Домен – компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.

Водородная связь в молекуле белка осуществляется между имеющим частично положительный заряд атомом водорода одной группировки и атомом (кислород, азот), имеющим частично отрицательный заряд и неподеленную электронную пару другой группировки. В белках различают два варианта образования водородных связей: между пептидными группами

и между боковыми радикалами полярных аминокислот. В качестве примера рассмотрим образование водородной связи между радикалами аминокислотных остатков, содержащих гидроксильные группы:

Ван-дер-ваальсовы силы имеют электростатическую природу. Они возникают между разноименными полюсами диполя. В молекуле белка существуют положительно и отрицательно заряженные участки, между которыми возникает электростатическое притяжение.

Рассмотренные выше химические связи принимают участие в формировании структуры белковых молекул. Благодаря пептидным связям образуются полипептидные цепи и, таким образом, формируется первичная структура белка. Пространственная организация белковой молекулы определяется в основном водородными, ионными связями, ван-дер-ваальсовыми силами, гидрофобными взаимодействиями. Водородные связи, возникающие между пептидными группами, определяют вторичную структуру белка. Формированиетретичной и четвертичной структуры осуществляется водородными связями, образующимися между радикалами полярных аминокислот, ионными связями, ван-дер-ваальсовыми силами, гидрофобными взаимодействиями. Дисульфидные связи принимают участие в стабилизации третичной структуры.

Аминокислоты – относительно низкомолекулярные амфотерные соединения, в состав которых кроме углерода, кислорода и водорода входит азот. Амфотерность аминокислот проявляется в способности карбоксильной группы (-СООН) отдавать Н + , функционируя как кислота, а аминной группы – (-NH 2) – принимать протон, проявляя свойства оснований, благодаря чему в клетке играют роль буферных систем.

Большинство аминокислот – нейтральные: содержат одну амино- и одну карбоксильную группу. Основные аминокислоты содержат более одной аминогруппы, а кислые – более одной карбоксильной группы.

В живых организмах встречается около 200 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков – это белокобразующие (основные, протеиногенные) аминокислоты (табл. 2), которые в зависимости от свойств радикала делят на три группы:

1) неполярные (аланин, метионин, валин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);

2) полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);

3) полярные заряженные (аргинин, гистидин, лизин – положительно заряженные; аспарагиновая и глутаминовая кислоты – отрицательно).

Таблица 2. Двадцать белокобразующих аминокислот

Сокращенное название	Аминокислота	Сокращенное название	Аминокислота
Ала	Аланин	Лей	Лейцин
Арг	Аргинин	Лиз	Лизин
Асн	Аспарагин	Мет	Метионин
Асп	Аспарагиновая кислота	Про	Пролин
Вал	Валин	Сер	Серин
Гис	Гистидин	Тир	Тирозин
Гли	Глицин	Тре	Треонин
Глн	Глутамин	Три	Триптофан
Глу	Глутаминовая кислота	Фен	Фенилаланин
Иле	Изолейцин	Цис	Цистеин

Боковые цепи аминокислот (радикалы) бывают гидрофобными или гидрофильными и придают белкам соответствующие свойства. Эти свойства радикалов играют определяющую роль в формировании пространственной структуры (конформации ) белка.

Аминогруппа одной аминокислоты способна вступать в реакцию с карбоксильной группой другой аминокислоты посредством пептидной связи (СО-NH), образуя дипептид . На одном конце молекулы дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом – свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты, образуя олигопептиды (до 10 аминокислот). Если таким образом соединяются 11 - 50 аминокислот, то образуется полипептид.

Пептиды и олигопептиды играют в организме важную роль:

Олигопептиды: гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики (грамицидин S); некоторые очень токсичные ядовитые вещества (аманитин грибов);

Полипептиды: брадикинин (пептид боли); некоторые опиаты («естественные наркотики» человека) выполняющие функцию обезболивания (принятие наркотиков нарушает опиатную систему организма, поэтому наркома испытывает сильную боль – «ломку», которая в норме снимается опиатами); гомоны (инсулин, АКТГ и др.); антибиотики (грамицидин А), токсины (дифтерийный токсин).

Белки образованы значительно большим количеством мономеров – от 51 до нескольких тысяч с относительной молекулярной массой свыше 6000. Молекулы различных белков отличаются друг от друга молекулярной массой, числом, составом и последовательностью расположения аминокислот в полипептидной цепи. Именно это объясняет огромное разнообразие белков; их количество у всех видов живых организмов составляет 10 10 – 10 12 .

Соединяясь друг с другом пептидной связью, аминокислоты образуют цепочку, которая называется первичной структурой белка . Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией (последовательностью нуклеотидов ДНК). От первичной структуры зависят окончательная конформация и биологические свойства белка. Поэтому замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепочке, или изменение расположения аминокислотных остатков обычно приводит к изменению структуры белка и к снижению, или утрате его биологической активности.

Рис. Структура белковой молекулы: 1 - первичная; 2 - вторичная; 3 - третичная; 4 - четвертичная структуры.

Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей внутри одной полипептидной цепи (спиральная конфигурация, альфа-спираль) или между двумя полипептидными цепями (складчатые, бета-слои). Степень спирализации от 11 до 100%. На этом уровне биологически активными являются белки тканей с низким уровнем обменных процессов: кератин – структурный белок волос, шерсти, когтей, перьев и рогов, рогового слоя кожи позвоночных, фибрин крови, гиалин (спиральная структура); фиброин шелка (складчатая структура). Фибриллярные белки могут образовываться в результате скручивания нескольких спиралей вместе (3 у коллагена, 7 у кератина) или связывания боковыми цепями складчатых структур.

Рис. Водородные связи.

Третичная структура глобулярная) – характерна для большинства белков – трехмерное образование шаровидной формы, в которое складываются спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи. Связи, стабилизирующие третичную структуру:

1) электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);

2) водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;

3)гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами;

4) дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

Четвертичная структура – результат объединения за счет гидрофобных взаимодействий, при помощи водородных и ионных связей нескольких полипептидных цепей. Молекула глобулярного белка гемоглобина состоит из четырех (2 альфа - и 2 бета -) отдельных полипептидных субъединиц (протомеров) и небелковой части (простетической группы) – гема . Только благодаря такому строению гемоглобин может выполнять свою транспортную функцию.

По химическому составу белки разделяют на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот (альбумины, глобулины, протамины, гистоны, глутелины, проламины). Сложные в своем составе помимо аминокислот (белковая часть) содержат небелковую часть - нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды) металлы (металлопротеиды), фосфор (фосфопротеиды).

Рис. Связи, стабилизирующие третичную структуру

Белки обладают свойством обратимо изменять свою структуру в ответ на действие физических (высокая температура, облучение, высокое давление и т.д.) и химических (спирт, ацетон, кислоты, щелочи и др.) факторов, которое лежит в основе раздражимости, и происходит путем денатурации и ренатурации:

- денатурация – процесс нарушения естественной (нативной) структуры белка; может быть обратимым, при условии сохранения первичной структуры.

- ренатурация – процесс самопроизвольного восстановления структуры белка при возвращении нормальных условий среды.

Рис. Денатурация и ренатурация белка: 1 - молекула белка третичной структуры; 2 - денатурированный белок; 3 - восстановление третичной структуры в процессе ренатурации.

Функции белков :

1) структурная (строительная):

а) входят в состав биологических мембран, образуют цитоскелет клеток;

б)являются составными частями органоидов (например, рибосом, клеточного центра и др.), хромосом (гистоновые белки);

в) образуют цитоскелет (белок тубулин – составная часть микротрубочек);

г) главный компонент опорных структур организма (коллаген кожи, хрящей, сухожилий; эластин кожи; кератин волос, ногтей, когтей, копыт, рогов, перьев);

д) паутинные нити пауков.

2) транспортная : связывают и переносят специфические молекулы, ионы (гемоглобин переносит кислород; альбумины крови транспортируют жирные кислоты, глобулины - ионы металлов и гормоны); мембранные белки принимают участие в транспорте веществ в клетку и из неё).

3) сократительная (двигательная):

а) в сокращении миофибрилл мышечной ткани участвуют актин и миозин, обеспечивая движение;

б) белок тубулин в составе микротрубочек формирует веретено деления, которое обеспечивает движение хромосом во время митоза и мейоза;

в) белок тубулин в составе ундулиподий – ресничек и жгутиков , обеспечивает движение протист и специализированных клеток (сперматозоидов)

4) ферментативная (каталитическая): более 2000 ферментов катализируют все биохимические реакции в клетке(супероксиддисмутаза нейтрализует свободные радикалы, амилаза расщепляет крахмал до глюкозы, цитохромы участвуют в фотосинтезе);

5) регуляторная : некоторые белки являются гормонами, регулирующими обменвеществ в клетке и в организме (инсулин регулирует содержание глюкозы в крови, глюкагон – расщепление гликогена до глюкозы, гистоны – генную активность и др.);

6) рецепторная (сигнальная): в мембранах имеются белки-рецепторы (интегральные), способные взаимодействовать с гормонами и другими биологически активными веществами; они изменять свою конформацию (пространственную структуру) и передают, таким образом, сигналы (информацию) от встречи с такими веществами в клетку; последняя вследствие этого, перестраивает биохимические реакции обмена веществ; некоторые мембранные белки также меняют свою структуру в ответ на действие факторов внешней среды (например, светочувствительный белок фитохром регулирует фотопериодические реакции растений; опсин – составная часть пигмента родопсина в сетчатке глаза);

7) защитная : защищают организм от вторжения других организмов и от повреждений (антитела – иммуноглобулины блокируют чужеродные антигены, фибриноген, тромбопластин и тромбин предохраняют организм от кровопотерь, белок – интерферон защищает от вирусных инфекций);

8) токсическая : белки-токсины образуются в организме многих змей, лягушек, насекомых, кишечнополостных, грибов, растений и бактерий;

9) энергетическая : при полном окислении 1 г белка высвобождается 17,6 кДж энергии; однако белки становятся источником энергии только после исчерпания запасов углеводов и жиров;

10) запасающая : яичный альбумин – запасной строительный и энергетический материал для развития эмбриона птиц; казеин молока также выполняет эти функции при вскармливании детенышей молоком.

Вторичная структура белка – это способ укладки полипептидной цепи в более компактную структуру, при которой происходит взаимодействие пептидных групп с образованием между ними водородных связей.

Формирование вторичной структуры вызвано стремлением пептида принять конформацию с наибольшим количеством связей между пептидными группами. Тип вторичной структуры зависит от устойчивости пептидной связи, подвижности связи между центральным атомом углерода и углеродом пептидной группы, размером аминокислотного радикала. Все указанное вкупе с аминокислотной последовательностью впоследствии приведет к строго определенной конфигурации белка.

Выделяют два возможных варианта вторичной структуры: в виде "каната" – α-спираль (α-структура), и в виде "гармошки" – β-складчатый слой (β-структура). В одном белке, как правило, одновременно присутствуют обе структуры, но в разном долевом соотношении. В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фибриллярных – β-структура.

Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.

α-Спираль

Данная структура является правозакрученной спиралью, образуется при помощи водородных связей между пептидными группами 1-го и 4-го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее аминокислотных остатков.

Формированию спирали препятствуют пролин и гидроксипролин, которые из-за своей циклической структуры обусловливают "перелом" цепи, т.е. ее принудительный изгиб как, например, в коллагене .

Высота витка спирали составляет 0,54 нм и соответствует высоте 3,6 аминокислотных остатков, 5 полных витков соответствуют 18 аминокислотам и занимают 2,7 нм.

β-Складчатый слой

В этом способе укладки белковая молекула лежит "змейкой", удаленные отрезки цепи оказываются поблизости друг от друга. В результате пептидные группы ранее удаленных аминокислот белковой цепи способны взаимодействовать при помощи водородных связей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Структурная организация белков

Каждый белок характеризуется специфической аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространственной структурой (конформацией). На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. В организме человека насчитывается до 5 млн. различных видов белков. Белковая молекула может состоять из одной или нескольких цепей, содержащих от пятидести до нескольких сотен (иногда более тысячи) аминокислотных остатков. Молекулы, содержащие менее пятидесяти остатков, относят к пептидам. В состав многих молекул входят остатки цистеина, дисульфидные связи которых ковалентно связывают участки одной или нескольких цепей. В нативном состоянии белковые макромолекулы обладают специфической конформацией. Характерная для данного белка конформация определяется последовательностью аминокислотных остатков и стабилизируется водородными связями между пептидными и боковыми группами аминокислотных остатков, а также электростатическими и гидрофобными взаимодействиями.

2. Первичная структура белка: методы исследования

Структурные особенности пептидной связи.

Пептидная связь образуется при реакции аминогруппы одной амино-

кислоты и карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды:

СН3-СН(NH2)-COOH + CH3- СН(NH2)-COOH >СН3-СН(NH2)-CONH-(CH3) СН-COOH + H2O

Связанные пептидной связью аминокислоты образуют полипептидную цепь. Пептидная связь имеет плоскостную структуру: атомы С, О и N находятся в sp2-гибридизации; у атома N имеется р-орбиталь с неподеленной парой электронов; образуется р-р-сопряженная система, приводящая к укорочению связи С?N (0,132 нм) и ограничению вращения (барьер вращения составляет?63 кДж/моль). Пептидная связь имеет преимущественно трансконфигурацию относительно плоскости пептидной связи. Подобное строение пептидной связи сказывается на формировании вторичной и третичной структуры белка. Пептидная связь жесткая, ковалентная, генетически детерминированная. В структурных формулах изображается в виде одинарной связи, однако на самом деле эта связь между углеродом и азотом носит характер частично двойной связи:

Это вызвано различной электроотрицательностью атомов С, N и O. Вокруг пептидной связи вращение невозможно, все четыре атома лежат в одной плоскости, т.е. компланарны. Вращение же других связей вокруг полипептидного остова достаточно свободно.

Первичная структура была открыта профессором Казанского университета А.Я. Данилевским в 1989 г. В 1913 году Э. Фишером были синтезированы первые пептиды. Последовательность аминокислот для каждого белка уникальна и закреплена генетически

Рис. 1.2 Образование дипептида

Для определения первичной структуры отдельной, химически гомогенной полипептидной цепи методом гидролиза выясняют аминокислотный состав: соотношение каждой из двадцати аминокислот в образце гомогенного полипептида. Затем приступают к определению химической природы концевых аминокислот полипептидной цепи, содержащей одну свободную NH2-группу и одну свободную СООН-группу.

Для определения природы N-концевой аминокислоты предложен ряд методов, в частности, метод Сэнжера (за его разработку Ф. Сэнжер был удостоен Нобелевской премии в 1958 г.). Этот метод основан на реакции арилирования полипептида 2,4-динитрофторбензолом. Раствор полипептида обрабатывают 2,4-динитрофторбензолом, который взаимодействует со свободной б-аминогруппой пептида. После кислотного гидролиза продукта реакции только одна аминокислота оказывается связанной с реактивом в виде 2,4-динитрофениламинокислоты. В отличие от других аминокислот она имеет желтый цвет. Ее выделяют из гидролизата и идентифицируют методом хроматографии.

Для определения С-концевой аминокислоты часто используют ферментативные методы. Обработка полипептида карбоксипептидазой, которая разрывает пептидную связь с того конца пептида, где содержится свободная СООН-группа, приводит к освобождению С-концевой аминокислоты, природа которой может быть идентифицирована методом хроматографии. Существуют и другие методы определения С-концевой аминокислоты, в частности, химический метод Акабори, основанный на гидразинолизе полипептида. Следующий этап работы связан с определением последовательности аминокислот в полипептиде. Для этого вначале проводят частичный (химический и ферментативный) гидролиз полипептидной цепи на короткие пептидные фрагменты, последовательность которых может быть точно определена. После гидролиза с помощью электрофореза и хроматографии составляют пептидные карты. Затем устанавливают последовательность аминокислот в выделенных пептидах и первичную структуру всей молекулы.

Вторичная структура белков:б--спираль, ее основные характеристики, в--структура, в--изгиб. Роль водородных связей в формировании вторичной структуры.. Сверхвторичные (надвторичные) структуры белка.

Вторичная структура? это пространственное расположение полипептидной цепочки в виде б-спирали или в-складчатости безотносительно к типам боковых радикалов и их конформации. Л. Полинг и Р. Кори предложили модель вторичной структуры белка в виде б-спирали, в которой водородные связи замыкаются между каждой первой и четвертой аминокислотой, что позволяет сохранять нативную структуру белка, осуществлять простейшие функции, защищать от разрушения. В образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы, что обеспечивает максимальную стабильность, снижает гидрофильность и увеличивает гидрофобность белковой молекулы. б-спираль образуется самопроизвольно и является наиболее устойчивой конформацией, отвечающей минимуму свободной энергии.

Наиболее распространенным элементом вторичной структуры является правая б-спираль (б R).

Пептидная цепь здесь изгибается винтообразно. Ha каждый виток приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 0,54 нм; б-спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету аминокислотного остатка. Таким образом, в протяженных спиральных участках каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Неполярные или амфифильные б-спирали с 5-6 витками часто обеспечивают заякоривание белков в биологических мембранах (трансмембранные спирали). Зеркально-симметричная относительно б R-спирали левая б-спираль (бL) встречается в природе крайне редко, хотя энергетически возможна. Закручивание полипептидной цепи белка в спиралеобразную структуру происходит вследствие взаимодействия между кислородом карбонильной группы i-того аминокислотного остатка и водородом амидогруппы (i+4)- аминокислотного остатка посредством образования водородных связей:

Рис. 1.3 (а) Атомы азота изображены синим цветом, кислорода - красным. Оранжевым изображены водородные связи, образующиеся между соответствующими атомами азота и кислорода Атомы азота изображены синим цветом спирали. И оранжевым отображены водородные связи, образующиеся между соответствующими правилу атомами кислорода и азота

рис.1.3(б) Вторичная структура белка: альфа-спираль

Другая форма спирали присутствует в коллагене, важнейшем компоненте соединительных тканей. Это левая спираль коллагена с шагом 0,96 нм и при остатке в 3,3 в каждом витке более пологая по сравнению с б-спиралью. В отличие от б-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно. Структура стабилизирована за счет скручивания трех пептидных цепей в правую тройную спираль. Наряду с б-спиралями в образовании вторичной структуры белка принимают также участие в-структуры, в-изгиб. В отличие от конденсированной б-спирали в-слои почти полностью вытянуты и могут располагаться как параллельно, так и антипараллельно. B складчатых структурах также образуются поперечные межцепочечные водородные связи.Если цепи ориентированы в противоположных направлениях, структура называется антипараллельным складчатым листом (вб); если цепи ориентированы в одном направлении, структура называется параллельным складчатым листом (вn). В складчатых структурах б-С-атомы располагаются на перегибах, а боковые цепи ориентированы почти перпендикулярно средней плоскости листа, попеременно вверх и вниз.

Энергетически предпочтительной оказывается вб-складчатая структура с почти линейными H-мостиками. В растянутых складчатых листах отдельные цепи чаще всего не параллельны, а несколько изогнуты относительно друг друга.

Рис. 1.4 Бета-складчатая структура белка

Кроме регулярных в полипептидных цепях есть еще и нерегулярные вторичные структуры, т.е. стандартные структуры, не образующие длинных периодических систем. Это - в-изгибы они называются так потому, что часто стягивают верхушки соседних в-тяжей в антипараллельных в-шпильках). В изгибы обычно входит около половины остатков, не опавших в регулярные структуры белков.

Супервторичная структура? это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур:

1. б-спираль? два антипараллельных участка, которые взаимодействуют гидрофобными комплементарными поверхностями (по принципу «впадина-выступ»);

2. сверхспирализация б-спирали;

3. вхв? два параллельных участка в-цепи;

4. в-зигзаг.

Встречаются разнообразные способы укладки белковой цепи:

рис.1.5 Способы укладки белковой цепи

Домен - компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.

Рис. 1.6 Мотивы укладки белковой цепи и орнаменты на индейских и греческих вазах. Вверху: мотив меандра; в середине: мотив греческого ключа; внизу: мотив зигзага-"молнии" .

3.Вторичная структура белков: конформации полипептидной цепи

Для понимания структуры белка необходимо рассмотреть возможные конформации полипептидной цепи.Они определяются,прежде всего, плоским строение пептидной связи -СО - NН- .Структурные параметры пептидных единиц,установленные в результате рентгенографического исследования пептидов и родственных им соединений,представлен в табл.

Таблица 1. Структурные параметры пептидных единиц: длины связей и углы между ними X и Y -атомы,с которыми связан углерод как в основной цепи,так и при привеске радикалов.

Полностью вытянутая цепь(без деформации валентных углов и изменений длин связей) имеет транс конформацию с нулевыми значениями углов поворота.Однако такая конформация не является наиболее стабильной. Атомы иминных групп N-H образуют водородные связи с атомами кислорода карбонильных групп.Нахождение наиболее устойчивой конформации требуетминимизации ее полной энергии,включая энергию внутримолекулярных водородных связей.

Полинг и Кори определили наиболее устойчивые конформации полипептидной цепи,основываясь на данных рентгеноструктурных исследований и рассмотрении полной упаковки цепей с максимальным числом водородных связей. Таких конформаций три.Это, во-первых,уже известная б-спираль. Она характеризуется поворотом вокруг оси на 54 нм.

Водородные связи образованны между С=О группой данной группы и N-Н группой четвертой предшествующей единицы. Такие связи реализуются между всеми аминокислотными остатками, за исключением пролила (Про), не содержащего N-Н группы. Б-спираль может быть и правой и левой. В первом случае углы =132?? и =123?? ,во втором =228 ?? и =237 ?? соответственно.

Вторая и третья конформации с максимальным насыщением водородных связей - параллельная и антипараллельная в-формы.Это конформация уже не отдельной цепи, а совокупности цепей, образующих слоистую структуру. Цепи в такой форме не имеют плоского транс-строения. В параллельной форме углы 61? и 239? соответственно, в антипараллельной - 380? и 325?.

Очень важна возможность образования бета-формы и в отдельной полипептидной цепи. Это так называемые кросс-бета-формы. В местах изгибов углы поворотов имеют значения, отличные от свойственным упорядоченным участкам.

Рис. 1.7 Регулярные вторичные структуры - альфа-спираль, пераллельный бета-лист, антипараллельный бета-лист

Таким образом, водородные связи стабилизируют конформации полипептидной цепи в растворе. Наличие вторичной структуры, имеющей периодичность, означает сходство цепи с кристаллом: альфа-спираль подобна одномерному, бета-форма - двумерному кристаллу.

Рис. 1.8 Вспомогательные взаимодействия: водородные связи

Альфа- и бета-формы, в частности, не единственные. Например, фибриллярные белки обладают другими конформациями.

Рассмотрим теперь зависимости энергий полипептидной цепи от углов внутреннего вращения - так называемые стерические карты, подобные геодезическим.

Конформационная энергия цепи определяется слабым взаимодействием валентно не связанных атомов. Вследствие плоского строения пептидной группы углы поворота i-го звена практически не зависят от углов поворота соседних звеньев. И если углы поворота i-го звена варьируют в области значений, не запрещенных перекрыванием атомов пептидных групп, соединенных связями i-го и (i+1)-го звеньев, и если одновременно варьируют углы (i+1), то не существует такой комбинации этих четырех углов, при которой возможно стерическое взаимодействие i-го и (i+2)-го звена. Тем самым полипептидная цепь имеет ограниченную кооперативность, ближние взаимодействия в ней ограничены ближними соседями. Это позволяет рассматривать порознь конформационные энергии для отдельных конформационных остатков. Стерическая карта для данного остатка существенно зависит от природы его радикала R.

Можно считать, что взаимодействия в данной паре пептидных групп характеризуют аминокислотный остаток, соединяющий эти группы, Рамачардан исследовал дипептид Глицил-L-аланин и получил конформационную (стерическую карту для аланина).

Рис. 1.9 Двумерное распределение плотности вероятности по торсионным углам.

Наиболее часто посещаемые области имеют более темный цвет. Для аминокислотных остатков чаще всего рассматривают двумерные распределения по торсионным углам ш,ц,? .Среди возможных вариантов двумерных распределений обычно уделяют особое внимание сечению по углам ш,ц.

Рис. 2.1 Карта Рамачандрана для аминокислотного остатка.

Конформации, которые могут быть достигнуты любым амтнокислотным остатком, представлены темно-серым цветом. Большинство аминкислот может заселять области, обозначенные светло-серым цветом. Белым обозначены запрещенные конформации, которые, тем не менее, могут встречаться в некоторых белковых структурах.

Расчет проводился на основе простейшего предположения об атомах как твердых сферах, имеющих ван-дер-ваальсовые радиусы, определяемые из данных по межатомным расстояниям в молекулярных кристаллах. В таблице приведены эти расстояния, чаще всего наблюдаемые в кристаллах, и минимальные расстояния, наблюдаемые лишь в немногих случаях.

Таблица 2. Контактные расстояния между атомами в полипептидах

Пара атомов	Обычное расстояние,нм	Минимальное расстояние,нм	Пара атомов	Обычное расстояние, нм	Минимальное Расстояние,нм

4.Третичная структура белков. Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру. Роль S--S--мостиков в формировании третичной структуры некоторых белков

Под третичной структурой понимают пространственное расположение полипептидной цепи (способ укладки цепи в определенном объеме). В стабилизации пространственной структуры основную роль играют нековалентные связи. К ним относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, взаимодействия неполярных боковых радикалов аминокислот (гидрофобные взаимодействия), диполь-дипольные взаимодействия. Кроме того, важную роль в формировании третичной структуры играют дисульфидные связи (S-S-мостики):

Рис. 2.2 (а) Образование дисульфидных связей

Рис. 2.2 (б) Образование дисульфидных связей

Дисульфидные связи образуются при окислении сближенных в пространственной структуре белка остатков цистеина в остатки цистина. Считают, что дисульфидные связи, часто множественные, особенно важны для стабилизации маленьких белков, в которых не может возникнуть обширной системы нековалентных взаимодействий.

Третичная структура - уникальное для каждого белка расположение в пространстве полипептидной цепи, зависящее от количества и чередования аминокислот, т.е. предопределенное первичной структурой белка. Конфигурация белковых молекул может быть фибриллярной и глобулярной. Третичная структура многих белков составляется из нескольких компактных глобул, называемых доменами. Между собой домены обычно бывают связаны тонкими перемычками.

Третичная структура белков. Гемоглобин и миоглобин: конформационные перестройки. Известно, что нативная, трехмерная структура белка устанавливается в результате действия целого ряда энергетических и энтропийных факторов. Характерные времена многих внутримолекулярных изменений, в том числе и ферментативных процессов тысячных долей секунды и зависят от pH, температуры и ионного состава среды. Таким образом, изменения ионного гомеостаза могут непосредственно влиять на структурные изменения в клеточных белках и,соответственно, на их функции и активность. Рассмотрим в качестве примера конформационные перестройки белков,переносящих кислород,-гемоглобина и миоглобина. Строение этих белков, находящихся в кристалической форме, детально изучено методом рентгеноструктурного анализа. Пространство между альфа-спиральными участками,в том числе полость активного центра гемовой группы внутри молекул белка, заполнено гидрофобными боковыми цепями аминокислот, а в окружающую водную среду выступает множество полярных белковых цепей. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц (две б и две в), образующих правильный тетрамер. Молекулы воды, локализованные в области контактов субъединиц,образуют солевые мостики и дополнительно стабилизируют тетрамер. Железо может находиться в высоко- и низкоспиновом состоянии в зависимости от способа заполнения d-орбитали электронами,который определяется правилом Хунда. В связи с этим заполнение электронами внешних d-орбиталей ионов двух- и трехвалентного железа характерно для свободных ионов или ионов в составе соединений с ионной связью. Ситуация меняется,когда атомы железа находятся в комплексе, где связаны с лигандными атомами ковалентной связью и входят в состав гема. Следует подчеркнуть,что спиновое состояние центрального атома в комплексе определяется характером лигандного окружения:симметрией,силой связывания лигандов в комплексе и т.д. В силу этого изменения в лигандном окружении могут приводить к изменениям в спиновом состоянии иона металла,что в свою очередь может вызвать изменения конформации белка с которым связан ион металла. Изменения спинового состояния ионов железа, индуцированные присоединением субстратов,сменой температуры,были продемонстрированны для ряда гемопротеинов. Переход иона железа из низкоспинового состояния в высокоспиновое увеличивет диаметр иона и приводит к выводу его из плоскости гема,что и обуславливает конформационные изменения в близжайшем белковом “окружении”.

В высокоспиновом состоянии ион двухвалентного железа обладает координационным числом 5 и расположен вне плоскостии гема на расстоянии 0,05-0,07 нм.Он координационно связан с четырьмя атомами азотапиррольных групп плоскогопорфиринового кольца,а в 5-м положении взаимодействует с атомом N имидазольного кольца гистидина. Оксигепация и образование связи кислород-железо не меняет валентности атома железа, но переводят его из высокоспинового состояния в низкоспиновое, увеличивая число лигандов в координационной сфере до 6.В 6-ом положении железо координируется с кислородом или другими лигандами.

Рис. 2.3 (а) Упрощенная схема строения гемоглобина

Присоединение кислорода индуцирует ряд конформационных изменений в молекуле гемоглобина.Связывание кислорода с переводом атома железа в низкоспиновое состояние сопровождается одновременным смещением железа на 0,07 нм в плоскость гемовой группы.Это смещение передается через гистидин,и спираль вместе с ним “подтягивается” в сторону гема к центру молекулы,выталкивая из полости остаток тирозина.Затем происходит поэтапный разрыв солевых мостиков между б-субъединицами и смещение их вдоль области контакта. Расстояние между гемом и б-субъединицами увеличивается, а между гемом и в-субъединицами, наоборот, сокращается. Центральная полость гема при этом сжимается. Разрыв четырех солевых мостиков из шести при оксигенации первых двух б-субъединиц способствует разрыву двух остальных мостиков и, следовательно, облегчает соединение следующих молекул кислорода с остальными субъединицами, увеличивая сродство их к кислороду в несколько сотен раз. В этом и состоит кооперативный характер присоединения кислорода к гемоглобину, при котором начало оксигенации последнего облегчает связывание остальных молекул кислорода.

Использование лазерного излучения с длиной волны поглощения в диапазоне в-полосы порфиринаи вблизи нее позволяет регистрировать спектры РКР протопорфиринов в целых клетках(эритроцитах).В этих спектрах доминируют линии, лежащие в области 1000-1650/см, которые обусловлены плоскостными колебаниями связей С-С и С-N и деформационным колебаниям С-Н. Некоторые из них подвержены влиянию химических превращений, происходящих с атомом железа, и могут быть использованы для изучения структуры макроцикла. При изменении состояния окисления атома железа от трехвалентного до двухвалентного наблюдается снижение частоты скелетных колебаний порфирина. Положение этой и других характерных полос спектра РКР отражает заселенность электронами р-орбиталей порфирина. С ее увеличением связи в порфирине становятся менее прочными, что выражается в снижении частоты колебаний. Заселенность этих орбиталей возрастает за счет обратного перехода электронов с р-орбиталей атома железа. Поскольку процесс сильнее выражен для для двухвалентного железа, полосы, характеризующие состояние окисления, сдвинуты в область более низких частот для гемом именно с таким железом. При таком подходе любой эффект (в том числе изменение состояния окисленности атомов железа), который вызывает изменения в распределении электронов в порфирине, может повлиять на частоту соответствующих характеристических линий. Эта частота сильно меняется, например, если аксиальный лиганд, имеющий р-орбиталь, может взаимодействовать с орбиталями порфиринов через dр-электроны атома железа. Аксиальный р-электронный донор приводит к дополнительному переходу dр-электронов атома железа на р-орбитали порфирина и вызывает снижение частоты полос, характеризующих состояние окисления до нетипичных величин.

Рис. 2.3(б) Модель третичной структуры молекулы миоглобина (по Дж. Кендрью). Латинскими буквами обозначены структурные домены, красным цветом - гем

Рис.1.7(в) степень насыщения кислородом миоглобина и гемоглобина

При свертывании белковой глобулы значительная часть (не менее половины) гидрофобных радикалов аминокислотных остатков оказывается скрытой от контакта с окружающей белок водой. Происходит образование своеобразных внутримолекулярных «гидрофобных ядер». В них особенно представлены объемные остатки лейцина, изолейцина, фенилаланина, валина.

С появлением третичной структуры у белка появляются новые свойства - биологические. В частности, проявление каталитических свойств связано с наличием у белка третичной структуры. И наоборот, нагревание белков, приводящее к разрушению третичной структуры (денатурация), приводит и к утрате биологических свойств.

5.Четвертичная структура белков. Количество и типы субъединиц, взаимодействия между субъединицами, стабилизирующие четвертичную структуру. Функциональное значение четвертичной структуры белков

Четвертичная структура? это надмолекулярное образование, состоящее из двух и более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентно, а водородными связями, электростатическими, дипольдипольные и гидрофобными взаимодействиями между остатками аминокислот, находящихся на поверхности. Примером может служить молекула гемоглобина, вирус табачной мозаики (2130 субъединиц).

Каждый из белков-участников третичной структуры при образовании четвертичной структуры называют субъединицей или протомером. Образовавшуюся молекулу называют олигомером, или мультимером. Олигомерные белки чаще построены из четного количества протомеров с одинаковыми или разными молекулярными массами. В образовании четвертичной структуры белка принимают участие те же связи, что и при образовании третичной структуры, за исключением ковалентных.

Объединение белковых молекул третичной структуры без появления новых биологических свойств называют агрегированным состоянием. Как четвертичная структура, так и агрегированное состояние могут быть обратимо разрушены с применением детергентов, в частности, додецилсульфата натрия или неионных детергентов типа тритона. Очень часто для разрушения четвертичной структуры исследуемый белок нагревают при 100°С в присутствии 1%-ного 2-меркаптоэтанола и 2%-ного додецилсульфата натрия. В таких условиях восстанавливаются -S-S-связи между остатками Cys, которые в некоторых случаях удерживают субъединицычетвертичной структуры. Субъединицы, образующие четвертичную структуру белка, могут быть различными как по строению, так и по функциональным свойствам (гетеромеры). Это позволяет объединить в одной структуре несколько взаимосвязанных функций, создать полифункциональную молекулу. Например, в протеинкиназе, стехиометрия червертичной структуры которой отвечает формуле С2R2, субъединица С ответственна за ферментативную активность, осуществляя перенос фосфатного остатка от АТР на белок; субъединица R является регуляторной. В отсутствие циклического АМР последняя связана с С-субъединицей и ингибирует ее. При образовании комплекса с сАМР четвертичная структура распадается и С-субъединицы оказываются способными фосфорилировать белковые субстраты. В гомомерных белках субъединицы одинаковы.

Подавляющая часть белков, имеющих четвертичную структуру, приходится на димеры, тетрамеры и гексамеры, последние встречаются у белков с молекулярной массой, большей 100 кДа.

Характерной особенностью белков с четвертичной структурой является их способность к самосборке. Взаимодействие протомеров осуществляется с высокой специфичностью, благодаря образованию десятка слабых связей между контактными поверхностями субъединиц, поэтому ошибки при формировании четвертичной структуры белков исключены. Практически все белки-ферменты имеют четвертичную структуру и состоят, как правило, из четного числа протомеров (двух, четырех, шести, восьми). Четвертичная структура белка подразумевает такое объединение белков третичной структуры, при котором появляются новые биологические свойства, не характерные для белка в третичной структуре. В частности, такие эффекты, как кооперативный и аллостерический, характерны лишь для белков с четвертичной структурой. Четвертичная структура - последний уровень в организации белковой молекулы, причем не обязательный - до половины известных белков ее не имеют.

Литература

белок биофизика полипептидный

1. Биохимия и молекулярная биология. Версия 1.0 [Электронный ресурс]: конспект лекций / Н.М. Титова, А.А.Савченко, Т.Н. Замай и др. - Электрон. дан. (10 Мб). - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.

2 Ревин В.В. Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс; Под редакцией проф. А.Б. Рубина.-Саранск: Изд-во Мордов. ун-та,2002. 156 с.

3. М.В. Волькенштейн. Биофизика М.: Наука,1988.-592 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Строение и свойства белков. Различия в строении аминокислот. Пространственная организация белковой молекулы. Типы связей между аминокислотами в молекуле белка. Основные факторы, вызывающие денатурацию белков. Методы определения первичной структуры белка.

реферат , добавлен 15.05.2010

Оценка сложившегося административно-территориального устройства России. Исследование белков. Классификация белков. Состав и строение. Химические и физические свойства. Химический синтез белков. Значение белков.

реферат , добавлен 13.04.2003

Характеристика белков как высокомолекулярных соединений, их структура и образование, физико–химические свойства. Ферменты переваривания белков в пищеварительном тракте. Всасывание продуктов распада белков и использование аминокислот в тканях организма.

реферат , добавлен 22.06.2010

Общая характеристика, классификация, строение и синтез белков. Гидролиз белков с разбавленными кислотами, цветные реакции на белки. Значение белков в приготовлении пищи и пищевых продуктов. Потребность и усвояемость организма человека в белке.

курсовая работа , добавлен 27.10.2010

Роль в живой природе. Состав и свойства белков. Классификация белков. Определение строения белков. Определение наличия белка. Идентификация белков и полипептидов. Синтез пептидов. Искусственное получение белка. Аминокислоты.

реферат , добавлен 01.12.2006

Общие пути обмена аминокислот. Значение и функции белков в организме. Нормы белка и его биологическая ценность. Источники и пути использования аминокислот. Азотистый баланс. Панкреатический сок. Переваривание сложных белков. Понятие трансаминирования.

презентация , добавлен 05.10.2011

Аминокислоты, входящие в состав пептидов и белков. Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды. Энантиомерия аминокислот, образование солей. Мезомерия и строение пептидной связи. Методы выделения и анализа белков. Электрофорез в полиакриламидном геле.

презентация , добавлен 16.12.2013

Основные химические элементы, входящие в состав белков. Белки - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Строение аминокислот, уровни организации белковых молекул. Структуры белка, основные свойства белков. Денатурация белка и ее виды.

презентация , добавлен 15.01.2011

Общие принципы препаративной химии белков, особенности их выделения. Удаление небелковых примесей, разделение между собой собственно белковых компонентов. Характерные свойства белков, на которых основано разделение, гель-хроматография (гель-фильтрация).

научная работа , добавлен 17.12.2009

Общий анализ взаимодействия поверхностно-активных веществ (ПАВ) с полимерами. Особенности дифильности белков. Относительная вязкость растворов желатина в зависимости от концентрации добавленного додецилсульфата натрия. Роль взаимодействий белков с ПАВ.

Первичная структура – определенная последовательность нуклео-тидов в цепи. Образована фосфодиэфирными связями. Начало цепи – 5"-конец (на его конце фосфатный остаток), конец, завершение цепи, обозначается как 3"(ОН)-конец.

Как правило, в образовании самой цепи азотистые основания не участвуют, но водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями играют важную роль в формировании вторичной структуры НК:

· между аденином и урацилом в РНК или аденином и тимином в ДНК образуются 2 водородные связи,

· между гуанином и цитозином – 3.

Для НК характерна линейная, а не разветвленная структура. Кроме первичной и вторичной структуры для большинства НК характерна третичная структура – например, ДНК, тРНК и рРНК.

РНК (рибонуклеиновые кислоты). РНК содержится в цитоплазме (90%) и ядре. По структуре и функции РНК делятся на 4 вида:

1) тРНК (транспортные),

2) рРНК (рибосомные),

3) мРНК (матричные),

4) яРНК (ядерные).

Матричные РНК. На их долю приходится не более 5% всей РНК клетки. Синтезируется в ядре. Этот процесс называется транскрипцией. Представляет собой копию гена одной из цепей ДНК. Во время биосинтеза белка (этот процесс называется трансляцией) проникает в цитоплазму и связывается с рибосомой, где и происходит биосинтез белка. В мРНК содержится информация о первичной структуре белка (последовательности аминокислот в цепочке), т.е. последовательность нуклеотидов в мРНК полностью соответствует последовательности аминокислотных остатков в белке. 3 нуклеотида, кодирующие 1 аминокислоту, называются кодоном.

Свойства генетического кода. Совокупность кодонов составляет генетический код. Всего в коде 64 кодона, 61 – смысловые (им соответствует определенная амино-кислота), 3 – нонсенс-кодоны. Им не соответствует какая-либо аминокислота. Эти кодоны называются терминирующими, так как подают сигнал о завершении синтеза белка.

6 свойств генетического кода:

1) триплетность (каждая аминокислота в белке кодируется последовательностью из 3 нуклеотидов),

2) универсальность (един для всех типов клеток – бактериаль-ных, животных и растительных),

3) однозначность (1 кодону соответствует только 1 аминокис-лота),

4) вырожденность (1 аминокислота может кодироваться несколькими кодонами; только 2 аминокислоты – метионин и триптофан имеют по 1 кодону, остальные – по 2 и более),

5) непрерывность (генетическая информация считывается по 3 кодона в направлении 5"®3" без перерывов),

6) колинеарность (соответствие последовательности нуклео-тидов в мРНК последовательности аминокислотных остатков в белке).

Первичная структура мРНК

Полинуклеотидная цепь, в которой выделяют 3 главные области:

1) претранслируемая,

2) транслируемая,

3) посттранслируемая.

Претранслируемая область содержит 2 участка:

а) КЭП-участок – выполняет защитную функцию (обеспе-чивает сохранение генетической информации);

б) АГ-область – место прикрепления к рибосоме во время биосинтеза белка.

Транслируемая область содержит генетическую информацию о структуре одного или нескольких белков.

Посттранслируемая область представлена последовательностью нуклеотидов, содержащих аденин (от 50 до 250 нуклеотидов), поэтому называется поли-А-областью. Эта часть мРНК выполняет 2 функции:

а) защитную,

б) служит «проездным билетом» во время биосинтеза белка, так как после однократного использования от мРНК отщепляется несколько нуклеотидов из поли-А-области. Ее длина определяет кратность использования мРНК в биосинтезе белка. Если мРНК используется только 1 раз, то она не имеет поли-А-области., а ее 3"-конец завершается 1 или несколькими шпильками. Эти шпильки называются фрагментами нестабильности.

Матричная РНК, как правило, не имеет вторичной и третичной структуры (по крайней мере, об этом ничего не известно).

Транспортные РНК. Составляют 12-15% от всей РНК в клетке. Количество нуклеотидов в цепи – 75-90.

Первичная структура – полинуклеотидная цепь.

Вторичная структура – для ее обозначения используют модель Р. Холли, которая называется «листом клевера», имеет 4 петли и 4 плеча:

Акцепторный участок – место прикрепления аминокислоты, имеет у всех тРНК одну последовательность ЦЦА

Обозначения:

I – акцепторное плечо, 7 пар нуклеотидов,

II – дигидроуридиловое плечо (3-4 пары нуклеотидов) и дигидроуридиловая петля (D-петля),

III – псевдоуридиловое плечо (5 пар нуклеотидов) и псевдоуридиловая петля (Tψ-петля),

IV– антикодоновое плечо (5 пар нуклеотидов),

V – антикодоновая петля,

VI – дополнительная петля.

Функции петель:

антикодоновая петля – распознает кодон мРНК,
D-петля – для взаимодействия с ферментом во время биосинтеза белка,
TY-петля – для временного прикрепления к рибосоме во время биосинтеза белка,
дополнительная петля – для уравновешивания вторичной структуры тРНК.

Третичная структура – у прокариотов в виде веретена (D-плечо и TY-плечо сворачиваются вокруг и образуют веретено), у эукариотов в виде перевернутой буквы L.

Биологическая роль тРНК:

1) транспортная (доставляет аминокислоту к месту синтеза белка, к рибосоме),

2) адапторная (распознает кодон мРНК), переводит шифр нуклеотидной последовательности в мРНК в последователь-ность аминокислот в белке.

Рибосомные РНК, рибосомы. На их долю приходится до 80% от всей РНК клетки. Образуют «скелет», или остов рибосом. Рибосомы – нуклеопротеиновые комплексы, состоящие из большого количества рРНК и белков. Это «фабрики» по биосинтезу белка в клетке.

Первичная структура рРНК– полинуклеотидная цепь.

По молекулярной массе и количеству нуклеотидов в цепи различают 3 вида рРНК:

высокомолекулярную (около 3000 нуклеотидов);
среднемолекулярную (до 500 нуклеотидов);
низкомолекулярную (менее 100 нуклеотидов).

Для характеристики различных рРНК и рибосом принято использовать не молекулярную массу и количество нуклеотидов, а коэффициент седиментации (это скорость оседания в ультрацентрифуге). Коэффициент седиментации выражается в сведбергах (S),

1 S = 10-13секунд.

Например, одна из высокомолекулярных будет иметь коэффициент седиментации 23 S, средне- и низкомолекулярные соответственно 16 и 5 S.

Вторичная структура рРНК – частичная спирализация за счет водо-родных связей между комплементарными азотистыми основаниями, образование шпилек и петель.

Третичная структура рРНК – более компактная упаковка и наложе-ние шпилек в виде V- или U-образной формы.

Рибосомы состоят из 2 субъединиц – малой и большой.

У прокариотов малая субъединица будет иметь коэффициент седиментации 30 S, большая – 50 S, а вся рибосома – 70 S; у эукарио-тов соответственно 40, 60 и 80 S.

Состав, строение и биологическая роль ДНК. У вирусов, а также в митохондриях 1-цепочечная ДНК, в остальных клетках – 2-цепочечная, у прокариотов – 2-цепочечная кольцевая.

Состав ДНК – соблюдается строгое соотношение азотистых оснований в 2 цепях ДНК, которые определяются Правилами Чаргафа.

Правила Чаргафа:

Количество комплементарных азотистых оснований равно (А=Т, Г=Ц).
Молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов (А+Г=Т+Ц).
Число 6-кетооснований равно числу 6-аминооснований.
Соотношение Г+Ц/ А+Т – коэффициент видовой специфичности. Для животных и растительных клеток < 1, у микроорганизмов колеблется от 0,45 до 2,57.

У микроорганизмов преобладает ГЦ-тип, АТ-тип характерен для позвоночных, беспозвоночных и растительных клеток.

Первичная структура – 2 полинуклеотидные, антипараллельные цепочки (см. первичную структуру НК).

Вторичная структура – представлена 2-цепочечной спиралью, внутри которой комплементарные азотистые основания уложены в виде «стопок монет». Вторичная структура удерживается за счет связей 2 типов:

водородных – они действуют по горизонтали, между комплементарными азотистыми основаниями (между А и Т 2 связи, между Г и Ц – 3),
силы гидрофобного взаимодействия – эти связи возникают между заместителями азотистых оснований и действуют по вертикали.

Вторичная структура характеризуется:

количеством нуклеотидов в спирали,
диаметром спирали, шагом спирали,
расстоянием между плоскостями, образуемыми парой комплементарных оснований.

Известно 6 конформаций вторичной структуры, которые обозначаются заглавными буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E и Z. А, В и Z конформации типичны для клеток, остальные – для бесклеточных систем (например, в пробирке). Эти конформации отличаются основными параметрами, возможен взаимный переход. Состояние конформации во многом зависит от:

физиологического состояния клетки,
рН среды,
ионной силы раствора,
действия различных регуляторных белков и др.

Например, В- конфомацию ДНК принимает во время деления клетки и удвоения ДНК, А-конформацию – во время транскрипции. Z-структура является левозакрученной, остальные – правозакрученные. Z-струк-тура может встречаться и в клетке на участках ДНК, где повторяются динуклеотидные последовательности Г-Ц.

Впервые вторичная структура математически была рассчитана и смоделирована Уотсоном и Криком (1953 г.), за что они получили Нобелевскую премию. Как оказалось впоследствии, представленная ими модель соответствует В-конформации .

Основные ее параметры:

10 нуклеотидов в витке,
диаметр спирали 2 нм,
шаг спирали 3,4 нм,
расстояние между плоскостями оснований 0,34 нм,
правозакрученная.

При формировании вторичной структуры формируется 2 вида бороздок – большая и малая (соответственно шириной 2,2 и 1,2 нм). Большие бороздки играют важную роль в функционировании ДНК, так как к ним присоединяются регуляторные белки, имеющие в качестве домена «цинковые пальцы».

Третичная структура – у прокариотов суперспираль, у эукариотов, и человека в том числе, имеет несколько уровней укладки:

нуклеосомный,
фибриллярный (или соленоидный),
хроматиновое волокно,
петельный (или доменный),
супердоменный (именно этот уровень можно видеть в электронном микроскопе в виде поперечной исчерченности).

Нуклеосомный. Нуклеосома (открыта в 1974 г.) представляет собой частицу дисководной формы, диаметр 11 нм, которая состоит из гистонового октамера, вокруг которого двухцепочечная ДНК делает 2 неполных витка (1,75 витка).

Гистоны – низкомолекулярные белки, содержат по 105-135 амино-кислотных остатков, в гистоне Н1 – 220 аминокислотных остатков, до 30% приходится на долю лиз и арг.

Гистоновый октамер называют кором. Он состоит из центрального тетрамера Н32-Н42 и двух димеров Н2А-Н2В. Эти 2 димера стабилизируют структуру и прочно связывают 2 полувитка ДНК. Расстояние между нуклеосомами называется линкером, в котором может содержаться до 80 нукклеотидов. Гистон Н1 препятствует раскручиванию ДНК вокруг кора и обеспечивает уменьшение расстояния между нуклеосомами, т. е. участвует в формировании фибриллллы (2-го уровня укладки третичной структуры).

При скручивании фибриллы формируется хроматиновое волокно (3-й уровень), при этом в одном витке обычно содержится 6-г нуклеосом, диаметр такой структуры увеличивается до 30 нм.

В интерфазных хромосомах хроматиновые волокна организованы в домены, или петли , состоящие из 35-150 тыс пар оснований и заякоренные на внутриядерном матриксе. В формировании петель принимают участие ДНК-связывающие белки.

Супердоменный уровень образуют до 100 петель, в этих участках хромосомы в электронном микроскопе хорошо заметны конденсированные плотно упакованные участки ДНК.

Благодаря такой укладке ДНК компактно уложена. Ее длина сокращается в 10 000 раз. В результате упаковки ДНК связывается с гистонами и другими белками, образуя нуклеопротеиновый комплекс в виде хроматина.

Биологическая роль ДНК:

хранение и передача генетической информации,
контроль деления и функционирования клетки,
генетический контроль запрограммированной гибели клетки.

В состав хроматина входят ДНК (30% от всей массы хроматина), РНК (10%) и белки (гистоновые и негистоновые).

Примерные варианты контрольной работы по теме