Тіманюк В.О., Животова О.М. Біофізика

Подождите немного. Документ загружается.

зображення АF і ВFформ ДНК — на рис. 3.27.

АF, ВF і СFформи ДНК є правими. У 1978 р. була отримана ліва

спіраль ДНК — молекула синтетичного полімеру поліFдезоксіFГЦ.

Його сахарофосфатний кістяк має зигзагоподібний вигляд. Тому така

конформація ДНК одержала назву ZFформа. ZFформа може бути енер-

гетично вигідна тільки в тому випадку, якщо ланцюг ДНК, утворений

чергуванням пуринових і піримідинових азотистих основ, наприклад,

— Г і Ц. Таким чином одиницею, що повторюється в такій структурі, є

дві пари нуклеотидів:

ZFформа має 12 пар основ на виток спіралі, тобто поворот пар основ

дорівнює 30°.

Для будьFякої конформації ДНК, крім ZFформи, характерна наяв-

ність широкої і вузької борозенки на поверхні спіралі.

Молекула рибонуклеїнової кислоти (РНК) також, як і ДНК, утворена

певною послідовністю нуклеотидів, але частіше усього складається з

одного ланцюга. Молекула цукру в ній подана рибозою, і замість тимі-

ну в її склад входить піримідинова основа — гуанін. Під час синтезу

матричної РНК (транскрипції) генетична інформація, що міститься

на певній ділянці ДНК, за принципом комплементарності переходить

на РНК, на якій, як на матриці, в рибосомах відбувається синтез білка

(трансляція). Приєднання потрібних амінокислот до поліпептидного

ланцюга, що синтезуються, здійснюється за допомогою транспортної

РНК. У такий спосіб РНК є посередником між ДНК і білком, а в деяких

вірусах — носієм генетичної інформації.

Різні конформації полінуклеотидного ланцюга досягаються завдяки

можливості поворотів навколо деяких зв’язків (рис. 3.28). Конформація

нуклеїнових кислот значною мірою визначається конформацією дезок-

сирибози в ДНК або рибози в РНК.

Молекула вуглеводу є циклічною. У залежності від того, який

з атомів вуглецю (С2’ або С3’) знаходиться поза пло щиною інших

чотирьох атомів, розрізняють наступні конформації. Якщо атом

С2’ або С3’ знаходиться з того ж боку від площини, що й атом С5’,

то така конформація називається ендоF, якщо з іншого боку, то

— екзоFконформація. Отже, можливі чотири випадки: С2’Fендо,

С3’FендоF, С2’FекзоF та С3’FекзоFконформації (рис. 3.29). У залеж-

ності від конформації вуглеводу, розрізняють два сімейства конфор-

мацій ДНК: АFсімейство (С3’FендоFконформація, АFформа ДНК) і

ВFсімейство (С2’FендоFконформація, ВF, СF і ТFформи ДНК). На рисунку

3.29 видно, що в С2’FендоF і С3’FекзоFконформаціях кут ϕ невеликий

(складає 2–6°), тому у ВFсімействах ДНК нуклеотидні пари розташо-

вані майже перпендикулярно до осі спіралі, для С3’FендоFконформації

ϕ = 20°. Конформаційні переходи ДНК усередині одного сімейства

здій снюються плавно, а перехід з АF у ВFсі мейство — стрибкоподіб-

но, су провод жу ючись зміною конформації вуглеводу від С3’Fендо до

С2’Fекзо.

Молекули ДНК є найбільшими в природі. Наприклад, кільцеві ДНК

Рис. 3.26. Ділянка ланцюга ДНК ( ϕ – кут між перпендикуляром до осі спіралі і площиною

основ).

Табл. 3.1

Геометричні характеристики ДНК у різних формах

Na, АFформа 75 11 2,82 0,255 32,7 20

Na, ВFформа 92 10 3,46 0,346 36 2

Li, ВFформа 66 10 3,37 0,337 36 2

Li, СFформа 66 9,3 3,10 0,332 39 6

Сіль ДНК

Воло-

гість, %

Число

ланок

на виток

спіралі

Крок

спіралі,

нм

Пере-

міщення

на один

нуклео-

тид, нм

Пово-

рот на

нуклео-

тид,

град.

Кут ϕ між перпен-

дикуляром до осі

спіралі і площи-

ною основ

фага Т2 мають довжину 49 мкм, а ДНК E. coli — 400 мкм, молекуляр-

на маса останньої складає 10

. Кожна хромосома містить тільки одну

молекулу ДНК, що має довжину від кількох міліметрів до кількох сан-

тиметрів. Сумарна довжина всіх молекул ДНК однієї клітини людини

складає біля двох метрів.

Величезні розміри молекул нуклеїнових кислот вимагають їхньої

особливої укладки в межах малих розмірів клітин або вірусів. Це дося-

гається за рахунок можливості утворення в молекулі ДНК перегинів,

петель, суперспіралей, що формує її третинну структуру.

Особлива будова молекули ДНК — щільна упаковка азотистих

основ, зв’язаних сильними і слабкими взаємодіями — забезпечує

високу схоронність генів навіть при значних варіаціях умов навко-

лишнього середовища. Комплементарні пари основ зв’язані одна з

одною водневими зв’язками, що відносяться до слабких взаємодій.

Наприклад, для Г–ЦFпар енергія зв’язку Е

св

складає усього лише

5 кДж/моль, а константа дисоціації К, відповідно до рівняння Больц-

мана:

Рис. 3.27. Схема будови А[ і В[форм ДН.

І – В[форма, ІІ – А[форма; а – вигляд

зверху, б – вигляд збоку.

В В[формі центри ваги пар основ знахо-

дяться на осі спіралі, а в А[формі зсунуті

до периферії, тому в центрі залишається

отвір біля 4 нм.

тобто в одномолярному розчині на кожні сім пар основ приходиться

одна розірвана. Для двох пар основ константа дисоціації складає (1/7)

1/49. Для ланцюга з кількох тисяч пар нуклеотидів константа дисоціації

вже настільки мала, що рівновага майже цілком зміщена убік утворення

комплексів пар основ.

Вторинна структура ДНК

є стабільною лише у певних

умовах. Зміни температури,

розчинника, рН, іонного складу

середовища можуть привести

до руйнації слабких водневих

зв’язків між парами нуклеотидів

і утворенню замість подвійної

спіралі ДНК або дво спіральних

ділянок РНК окремих нуклео-

тидних ланцюгів, що зверта-

ються в клубок. Цей процес

називають денатурацією або

плавленням нуклеїнових кислот.

У процесі плавлення ДНК відбувається зменшення в’язкості розчину,

в області максимального поглинання (260 нм) — збільшення оптичної

густини (гіпохромізм). Тому явище плавлення легко виявити по спек-

тру поглинання ДНК (рис. 3.30). Зміна поглинання ДНК при переході

спіраль–клубок дає кількісну оцінку спіральності ДНК

ДНК характеризується не визначеною температурою плавлення, а

деяким температурним інтервалом, у якому відбувається перехід спі-

раль–клубок. SFобразний вигляд кривої плавлення (рис. 3.31) свідчить

про кооперативність цього процесу.

Температура плавлення под-

війної спіралі ДНК залежить від

співвідношення АТF і ГЦFпар.

Аденін зв’язаний із тиміном

двома водневими зв’язками, а

гуанін із цитозином — трьома.

Тому, чим більше в складі ДНК

ГЦFпар, тим вища її температура

плавлення. Так, для синтетично-

го полімеру поліFАТ температура

плавлення складає 65 °С, а для

поліFГЦ уже —104 °С.

Рис. 3.28. Кути повороту в ланці полінуклео-

тидного ланцюга.

Рис. 3.29. Чотири найбільш стійкі конформації

цукрового кільця в нуклеотиді.

Значення температури плавлення нуклеїнових кислот залежить

також від концентрації катіонів у розчині: чим вона вища, тим вища

температура плавлення (залежність близька до логарифмічної). Це

пояснюється тим, що в розчині відбувається дисоціація фосфорної

кислоти. Негативні заряди, що утворюються, відштовхують один від

одного комплементарні ланцюги. Катіони в цьому випадку компенсують

негативний заряд і зменшують сили відштовхування.

Приклади розв’язання задач

Задача 3.1. При переносі етану з бензолу у воду при температурі

25 °С ентальпія зменшилася на 9240 Дж/моль, а ентропія — на

84 Дж/(моль·К). Розрахувати зміну повного термодинамічного потен-

ціалу в цьому процесі. Чи буде бензол розчинятися у воді?

Розв’язання. Зміна повного термодинамічного потенціалу складе:

∆

G =

∆

H – T

∆

S = –9240 – 298·(–84)

≈

16000 Дж/моль = 16 кДж/моль.

Завдяки тому що ∆G > 0, то бензол слабко розчинний у воді.

Задача 3.2. При неферментативному розкладанні перекису водню

енергія активації реакції складає 75 кДж/моль, а при участі ферменту

каталази знижується до E

акт ф

= 8 кДж/моль. Розрахувати, в скільки разів

збільшиться швидкість ферментативної реакції в порівнянні з нефер-

ментативною при температурі 25 °С.

Розв’язання. Відношення швидкостей реакції дорівнює відношенню

констант цих реакцій

або, відповідно до рівняння Арреніуса,

де v

і v

— швидкості; E

акт ф

і E

акт н

— енергії активації ферментативної

і неферментативної реакцій, відповідно. Підставляючи чисельні дані,

отримуємо

Цей метод також можна використовувати при вимірі ступеня спіральності біл-

ків, однак максимум їхнього поглинання лежить у далекій ультрафіолетовій області

(200 нм), у котрій важко проводити спектрофотометричні виміри.

= 5,6·1011.

Задача 3.3. Використовуючи умову попередньої задачі, розрахува-

ти, при якій температурі середовища Т

, швидкість неферментативної

реакції буде дорівнювати швидкості ферментативної при температурі

= 25 °С.

Розв’язання. За умови, що v

= v

, із рівняння Арреніуса, отримує-

мо:

звідси

= .

акт н

акт ф

Підставляючи чисельні дані, отримаємо

298 75 10

810

··

акт н

акт ф

= 2794 К ≈ 2500°С.

Питання тестового контролю

3.1. Енергія ванFдерFваальсового притягання обернено пропорцій-

на:

а) r;

б) r

;

Рис. 3.30. Залежність оптичної густини

(D) від довжини хвилі (λ) для спіральної

(1 ) і клубкоподібної (2) конформації ДНК

тимуса теляти у важкій воді.

Рис. 3.31. Перехід спіраль[клубок

у ДНК (θ – частка спіралізованих

ланок, θ = 1 для цілком спіралізованої

ДНК, θ = 0 для цілком розплетеної

ДНК).

в) r

;

г) r

;

д) r

де r — відстань між атомами.

3.2. Координаційне число води в структурі льоду складає:

а) 1;

б) 2;

в) 3;

г) 4;

д) 5.

3.3. Координаційне число води в рідкому стані складає біля:

а) 2,3;

б) 3;

в) 4;

г) 4,4;

д) 5,7.

3.4. При утворенні упорядкованої структури води:

а) ∆S < 0, ∆H < 0, ∆G < 0;

б) ∆S > 0, ∆H > 0, ∆G > 0;

в) ∆S > 0, ∆H < 0, ∆G > 0;

г) ∆S < 0, ∆H > 0, ∆G < 0;

д) ∆S < 0, ∆H > 0, ∆G < 0.

3.5. При розчиненні у воді гідрофобної сполуки:

а) ∆S > 0, ∆H > 0, ∆G < 0;

б) ∆S > 0, ∆H > 0, ∆G > 0;

в) ∆S < 0, ∆H < 0, ∆G < 0;

г) ∆S < 0, ∆H > 0, ∆G < 0;

д) ∆S < 0, ∆H < 0, ∆G > 0.

3.6. Залежність енергії молекул, що мають осьову симетрію С

, від

кута повороту ϕ приблизно визначається формулою:

а) U = 1/2U

(1 – sin 3ϕ);

б) U = 1/2U

(1 – cos 3ϕ);

в) U = 1/3U

(1 + sin 2ϕ);

г) U = 1/3U

(1 + cos 3ϕ);

д) U = 1/4U

(1 – cos 2ϕ).

3.7. У білках ковалентними зв’язками стабілізована переважно:

а) тільки первинна структура;

б) первинна і вторинна структури;

в) первинна, вторинна і третинна структури;

г) тільки четвертинна структура;

д) усі типи організації білка.

3.8. Якщо в білку відношення числа полярних залишків до непо-

лярних (b) перевищує відношення об’єму гідрофільної фази до об’єму

гідрофобного ядра (b

), то глобула буде прагнути:

а) прийняти сферичну форму;

б) прийняти витягнуту форму;

в) утворити надмолекулярну структуру;

г) така структура завжди нестабільна.

3.9. Дія ферментів зводиться:

а) до збільшення вільної енергії кінцевого продукту;

б) збільшення енергії активації реакції, яка каталізується;

в) зменшення вільної енергії кінцевого продукту;

г) зменшення енергії активації реакції, яка каталізується;

д) зміни хімічної рівноваги в реакціях.

3.10. Рівняння Міхаеліса — Ментен має вигляд:

а)

б)

в)

г)

д)

3.11. У присутності конкурентного інгібітора:

а) швидкість реакції не змінюється;

б) швидкість реакції збільшується;

в) максимальна швидкість реакції не змінюється;

г) максимальна швидкість реакції зменшується;

д) максимальна швидкість реакції збільшується.

3.12. У присутності неконкурентного інгібітора:

а) швидкість реакції не змінюється;

б) швидкість реакції збільшується;

в) максимальна швидкість реакції не змінюється;

г) максимальна швидкість реакції зменшується;

д) максимальна швидкість реакції збільшується.

3.13. Розрахувати константу дисоціації нуклеотидного ланцюга, який

складається з чотирьох пар нуклеотидів, якщо константа дисоціації

однієї пари нуклеотидів дорівнює 1/7:

а) 7,3·10

–5

;

б) 4·10

–4

;

в) 0,49;

г) 2,4·10

;

д) 5·10

3.14. Явище гіпохромізму ДНК полягає:

а) у збільшенні оптичної щільності в області 260 нм при переході

спіраль–клубок;

б) збільшенні в’язкості;

в) зменшенні оптичної щільності в області 260 нм при переході

спіраль–клубок;

г) збільшенні кількості водневих зв’язків між аденіном і тиміном;

д) зменшенні кількості водневих зв’язків між аденіном і тиміном.