Сиволоб А.В. Молекулярна біологія. Підручник

Подождите немного. Документ загружается.

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

вий філамент при дисоціації головки не повертається назад, оскільки

фіксується іншими головками , що перебувають на інших стадіях сво-

го робочого циклу. Інші приклади роботи молекулярних машин роз-

глядаються в наступних розділах.

ATP

Актиновий

філамент

Міозиновий

філамент

Рис. 2.22. Спрощена схема

роботи актоміозинового комплексу

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Напишіть стандартні скорочення для 20 амінокислот. На які дві

групи їх можна поділити за фізико-хімічними властивостями?

2. Які властивості має пептидна група? Чи взаємодіє вона з водою?

3. Що таке вторинна структура білка? Укажіть типи й основні риси

вторинних структур, що зустрічаються у глобулярних білках. Які вза-

ємодії стабілізують регулярну вторинну структуру?

4. Які взаємодії є основною рушійною силою, що зумовлює укла-

дання поліпептидного ланцюга в компактну глобулу?

5. Укажіть основні загальні риси структури глобулярних водороз-

чинних білків. Чому глобула завжди формується елементами регуляр-

ної вторинної структури?

Розділ 2. Білки

6. Які взаємодії зумовлюють твердість білкової глобули? Яке зна-

чення має твердість білка для його функціонування?

7. Що таке структурний мотив? Укажіть основні структурні моти-

ви, що часто зустрічаються у глобулярних білках.

8. Як структура мембранних білків відрізняється від такої водороз-

чинних?

9. За рахунок чого є можливим перемикання структури білка між

двома конформаційними станами?

10. У чому полягає фізична природа ферментативного каталізу?

11. За яким принципом використовується вільна енергія гідролізу

АТР для здійснення реакцій синтезу?

12. Як використовується вільна енергія гідролізу АТР для виконан-

ня роботи молекулярними машинами? Сформулюйте основні прин-

ципи роботи молекулярних машин.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Ленинджер, А. Основы биохимии : в 3 т. – М. : Мир , 1985.

Фершт, Э. Структура и механизм действия ферментов. – М. : Мир,

1980.

Финкельштейн, А.В. Птицын, О.Б. Физика белка. Курс лекций.

– М. : КДУ, 2005.

Чернавский, Д.С. Чернавская, Н.М.. Белок – машина. Биологические

макромолекулярные конструкции. – М. : МГУ, 1999.

Шульц, Г., Ширмер, Р. Принципы структурной организации белков.

– М. : Мир., 1982.

Branden, C.-I., Tooze, J. Introduction to protein structure.– New York :

Garland Science, 1999.

Creighton, T. Proteins: structure and molecular properties. – New York:

W.H.Freeman and Company.1992.

Lesk, A.M. Introduction to protein architecture: the structural biology

of proteins. – Oxford : Oxford University Press, 2001.

Spirin, A.A. Ribosome as a molecular machine // FEBS Letters.

– 2002. – Vol. 514. – P. 2–10.

Розділ 3

ДНК

They are in you and me;

they created us, body and

mind; and their preservation is

the ultimate rational for our

existence.

R. Dawkins. The selfish gene

Хімічна будова нуклеїнових кислот

Нуклеотиди

Мономерна одиниця нуклеїнової кислоти – нуклеотид – складаєть-

ся з трьох елементів: азотиста основа, пентозний цукор, залишок фо-

сфорної кислоти.

Азотисті основи – гетероциклічні сполуки (рис. 3.1), у кільцях яких

містяться карбон і азот, а всі зв'язки мають характер частково по-

двійних. До складу нуклеїнових кислот входять два типи азотистих

основ: пурини (purines, загальноприйняте позначення R) – аденін (A)

і гуанін (G); піримідини (pyrimidines, Y) – урацил (U), тимін (T), цито-

зин (C). Загальне позначення для всіх основ – N.

Найсуттєвішими для структури нуклеїнових кислот та їхніх взає-

модій з іншими молекулами є такі властивості азотистих основ:

• Оскільки всі зв'язки в кільці – частково подвійні, азотисті ос-

нови є

планарними – усі атоми кільця лежать практично

в одній площині.

• Атоми азоту кільця та приєднані до нього атоми оксигену

є акцепторами, а NH

-групи – донорами водневого зв'язку. Але

водночас площина кільця є

гідрофобною, тому азотисті основи

погано розчиняються у воді.

Один із атомів азоту кільця (виділено червоним на рис. 3.1) приєдну-

ється у складі нуклеотиду до карбону пентозного цукру глікозидним

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

зв'язком (рис. 3.2). Цей атом пентози позначається як С1' (символ '

прийнято додавати, щоб відрізняти атоми фуранозного кільця пентози

від атомів азотистої основи). Інші С'-атоми пентози нумеруються далі

за порядком їхнього розташування (рис. 3.2).

До 3'-атома завжди

приєднана ОН-група

. Пентоза, у складі якої ОН-група знаходиться також

при 2'-атомі, називається рибозою (ribose). Пентоза іншого типу, яка також

входить до складу нуклеїнових кислот – дезоксирибоза (deoxyribose) –

відрізняється лише заміною цієї ОН-групи на атом гідрогену.

Пурини

(

)

Піримідини

(

)

Рис. 3.1. Азотисті основи. Червоним позначено атом N,

'єднаний у нуклеотиді з С1' атомом пентози

Сполука азотистої основи й пентози називається нуклеозидом

(залежно від типу азотистої основи: аденозин, гуанозин, цитидин,

тимідин, уридин) або ж, залежно від типу пентози, рибо- чи дезокси-

рибонуклеозидом. Рибонуклеозиди входять до складу РНК – рибонук-

леїнової кислоти (ribonucleic acid, RNA), дезоксирибонуклеозиди – до

складу ДНК – дезоксирибонуклеїнової кислоти (deoxyribonucleic acid,

DNA). Інша хімічна різниця між ДНК і РНК стосується складу піримі-

динових азотистих основ: T у ДНК замість U в РНК.

Фосфорилювання ОН-групи при 5'-атомі пентози у складі нуклео-

зиду приводить до утворення нуклеотиду (рис. 3.2). Найважливішою

для нуклеїнових кислот властивістю фосфатного залишку є негатив-

ний заряд, який він має за нейтральних рН. Таким чином, нуклеотид

Розділ 3. ДНК

є нуклеозидфосфатом або нуклеозидмонофосфатом (NMP). Зокрема,

нуклеотид, зображений на рис. 3.2, є аденозинмонофосфатом (АМР);

відповідний трифосфат АТР розглянуто в розділі 2 (див. рис. 2.20).

OP O

OH(H)

С1'

С2'

С3'

С4'

С5'

–

Фосфатний

залишок

Азотиста

основа

Рибоза

(дезоксирибоза)

Рис. 3.2. Нуклеотид

На відміну від азотистих основ, пентози та фосфатні залишки

є цілком полярними й добре взаємодіють з водою. Крім того, пентоза

не містить подвійних зв'язків. Тому, на відміну від азотистої основи,

у фуранозному кільці пентози є можливим обертання навкруг зв'яз-

ків, і воно не є планарним. У складі нуклеїнових кислот переважно

зустрічаються дві конформації, схематично показані на рис. 3.3.

Конформація С2'-ендо (С2'-атом виходить у бік С5'-атома з площини,

заданої атомами С4'–О–С1') є переважною для дезоксирибози. Поява

ОН-групи замість гідрогену при С2'-атомі робить цю конформацію

неможливою, і для рибози переважною стає конформація С3'-ендо.

Перемикання цих двох конформацій суттєво змінює геометрію ін-

ших зв'язків у складі нуклеотиду й тому лежить в основі перетворень

між структурними формами нуклеїнових кислот (див. нижче). Отже,

нуклеотид складається з двох елементів, які розрізняються за поляр-

ністю та конформаційною рухливістю:

• Полярна й досить гнучка частина – пентозний цукор із фос-

фатним залишком, причому останній має негативний заряд.

• Жорстка планарна азотиста основа, яка в цілому є неполяр-

ною, хоча й містить донорні та акцепторні групи.

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

С1'

С2'

С3'

С4'

С5'

С1'

С2'

С3'

С4'

С5'

С2'-ендо

С3'-ендо

Рис. 3.3. Дві переважні конформації пентозного кільця

у складі нуклеїнових кислот

Полінуклеотидний ланцюг

Дві хімічні групи – ОН-група при 3'-атомі пентози одного нуклео-

тиду та фосфат при 5'-атомі іншого – використовуються для утво-

рення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами (рис. 3.4).

OP O

CAG

PP P OH

CAG

–

Фосфодіефірний

зв'язок

Рис. 3.4. Полінуклеотидний ланцюг. Угорі праворуч: два варіанти

схематичного зображення ланцюга, вертикальна лінія позначає пентозу,

Р – фосфатний залишок

Розділ 3. ДНК

Таким чином, як і поліпептидний (розділ 2), полінуклеотидний ла-

нцюг має напрямок. На одному його кінці залишається 5'-фосфат

(5'-кінець), на іншому – 3' ОН-група (3'-кінець). Послідовності нукле-

отидів прийнято записувати в напрямку 5' → 3', у тому ж напрямку

відбувається синтез усіх нуклеїнових кислот . Слід також розуміти,

що конформаційні особливості ланцюга залежать від напрямку,

в якому розташовані сусідні нуклеотиди. Наприклад, послідовність

СА має інші особливості, ніж послідовність АС. Загалом у складі ла-

нцюга може бути 16 типів таких динуклеотидних контактів

(16 можливих комбінацій із чотирьох по два).

Отже, полярний остов полінуклеотидного ланцюга являє собою фо-

сфатні залишки та пентози, що чергуються – цукрофосфатний остов.

Від цього остова відходять азотисті основи як бокові залишки.

Нуклеази

Деградація нуклеїнових кислот відбувається при різноманітних

функціональних процесах шляхом гідролізу фосфодіефірного зв'язку

в реакції, яка каталізується спеціальними ферментами – нуклеазами.

Нуклеази поділяють на різні типи за певними ознаками:

• РНКази та ДНКази є специфічними до відповідних нуклеїно-

вих кислот.

• Екзонуклеази відщеплюють нуклеотиди один за одним з кінців

ланцюга, відповідно розрізняють 5'- та 3'-екзонуклеази. Ендону-

клеази гідролізують фосфодіефірний зв'язок усередині ланцюга.

• Серед ендонуклеаз, які мають своїм субстратом дволанцюгову

молекулу ДНК є такі, що роблять одноланцюговий розріз – нік

(nick), залишаючи інший ланцюг інтактним. Інші здійснюють

дволанцюгові розрізи.

• Серед ендонуклеаз є неспецифічні щодо послідовності нукле-

отидів. Але є також велика група бактеріальних ферментів –

рестриктаз – які діють лише на певні невеличкі (частіше чоти-

ри або шість нуклеотидів) елементи послідовності. Рестриктази

виконують у бактеріальній клітині роль захисту від чужорідної

ДНК бактеріофагів і широко використовуються як інструменти

дослідження в молекулярній біології (див. розділ 11).

Реакція гідролізу фосфодіефірного зв'язку є енергетично вигідною.

З цього випливає, що нуклеотид (нуклеозидмонофосфат) не може бути

використаним для синтезу нуклеїнової кислоти – натомість до реакцій

синтезу залучаються відповідні нуклеозидтрифосфати (розділи 5, 6, 9).

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

Подвійна спіраль

Стабілізація подвійної спіралі

Два полінуклеотидні ланцюги (ДНК, РНК або гібридні) можуть

об'єднуватись в єдину дволанцюгову структуру (дуплекс), схему якої

зображено на рис. 3.5. Таке об'єднання відбувається за жорсткої умо-

ви: певні азотисті основи повинні стояти одна проти одної – А проти

Т (чи U), G проти C. Цей принцип комплементарності, сформульова-

ний Уотсоном і Кріком (James D. Watson, Francis H.C. Crick), зумовле-

ний утворенням специфічних водневих зв'язків між названими осно-

вами: два зв'язки в парі А-Т, три в парі G-C. Два ланцюги при цьому

спрямовані в різні боки (є антипаралельними), цукрофосфатні осто-

ви розташовані зовні, пари основ – усередині цієї структури.

5' 3'

3' 5'

Водневі зв'язки

Рис. 3.5. Схема об'єднання двох динуклеотидів

у дволанцюгову структуру

У складі такого дволанцюгового комплексу неполярні площини су-

сідніх пар основ мають наблизитися одна до одної, і відносна гнуч-

кість остовів дозволяє це зробити простим шляхом – закрутити два

ланцюги один навкруг одного у подвійну спіраль (рис. 3.6). Усереди-

ні формується стопка (stack) щільно укладених одна на одну пар ос-

нов, захищена на поверхні спірально закрученими один навкруг од -

ного полярними цукрофосфатними остовами. Між остовами на по-

верхні спіралі утворюються два жолобки різного розм іру – великий

і маленький (major/minor groove), в які “дивляться” донорні та акцеп-

Розділ 3. ДНК

торні групи азотистих основ (рис. 3.7): у великому жолобку міститься

по два акцептори (O, N) та одному донору (NH

) водневого зв'язку

кожної пари; у маленькому – два акцептори пари А-Т, два акцепто-

ри й один донор пари G-C.

Рис. 3.6. Два варіанти представлення подвійної спіралі ДНК

(кристалічна структура додекамеру, 355D)

Таким чином, цілком подібно до білків (розділ 2), гідрофобні взаємодії

(розділ 1) між площинами пар азотистих основ зумовлюють форму-

вання подвійної спіралі. При цьому реалізується щільна упаковка –

утворюються вандерваальсові контакти між сусідніми парами.

Велика кількість таких контактів уздовж осі спіралі робить їх суттє-

вим фактором стабілізації дуплекса. Вандерваальсові взаємодії між

парами основ є за своїм характером орієнтаційними та, унаслідок не-

рівномірності розподілу електронної щільності по кільцях основ, диполь-

дипольними (див. розділ 1). Такі взаємодії складного характеру (гідро-

фобний ефект + вандерваальсові взаємодії) у складі стопки мають спе-

ціальну назву – стекінг-взаємодії.

Отже,

стекінг-взаємодії – головний фактор стабілізації подвійної

спіралі.

Точніше, це практично єдиний фактор стабілізації. Роль ком-

плементарних водневих зв'язків між основами, які самі по собі енер-

гетично не дуже важливі (водневі зв'язки основ із водою при розхо-

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

дженні ланцюгів майже такі самі), полягає в тому, що вони є необхід-

ною передумовою утворення стабільної стопки. Це знову цілком ана-

логічно ролі водневих зв'язків між пептидними групами вторинної

структури білків у стабілізації глобули (розділ 2). Донорні й акцепторні

групи азотистих основ прагнуть утворити водневі зв'язки (енергія во-

дневого зв'язку є надто високою, щоб його втрачати). Опиняючись

усередині неполярної стопки, вони стають недоступним для води

і єдиний шанс зберегти водневі зв'язки – утворити їх із відповідними

групами іншої основи. А це можливо лише за умови комплементарно-

сті. Відповідно, за відсутності комплементарності водневі зв'язки

з водою зберігаються, що робить подвійну спіраль нестабільною.

Великий жолобок

Маленький жолобок

G C

C1' C N O H

Рис. 3.7. Комплементарні пари основ у складі ДНК

з водневими зв'язками між основами. Праворуч: атоми тих самих пар

зображені відповідно до їхніх вандерваальсових радіусів

Ефективність стекінг-взаємодій залежить від типу контактуючих

пар основ, а також їхньої взаємної орієнтації та порядку розташування

в ланцюгах дуплекса – типу динуклеотидного контакту вздовж осі по-