Состав и пространственная организация белковой молекулы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт медицины, экологии и физической культуры

В.Ф. Сыч, Н.А. Курносова, Е.П. Дрождина

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Часть 1. Биополимеры живых систем

Учебное пособие

Ульяновск

УДК 577

ББК 28.070

С 95

Печатается по решению Ученого совета

Института медицины, экологии и физической культуры

Ульяновского государственного университета

Рецензент:

кандидат медицинских наук Е.В. Слесарева

Сыч, В. Ф.

С 95 Основы молекулярной биологии : учеб. пособие. Ч. 1. Биополимеры живых систем / В. Ф. Сыч, Н. А. Курносова, Е. П. Дрождина. – Ульяновск : УлГУ, 2008. – 64 с.

В пособии отражено небольшое количество фундаментальных тем, имеющих исключительно важное значение для познания живой природы. Одна из основных задач пособия – изложение материала в достаточно простой и лаконичной форме. Приведенные иллюстрации и схемы позволят освоить непростые молекулярно-биологические понятия, помогут студентам преодолеть различия между школьным и университетским курсами биологии.

Пособие предназначено для студентов 1-го курса медицинского и экологического факультетов, изучающих дисциплины «Основы молекулярной биологии» (элективный курс), «Биология с экологией», «Общая биология».

УДК 577

ББК 28.070

© Сыч В.Ф., Курносова Н.А., Дрождина Е.П., 2008

© Ульяновский государственный университет, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................... 4

1. Основные биополимеры клетки.......................................................... 5

1.1. Белки.................................................................................................. 5

Состав и пространственная организация белковой молекулы... 5

Функции белков............................................................................ 12

1.2. Нуклеиновые кислоты..................................................................... 14

Химический состав в строение ДНК.......................................... 14

Полиморфизм двойной спирали ДНК......................................... 17

Функции ДНК............................................................................... 18

Структура РНК.......................................................................... 18

Виды РНК.................................................................................... 20

Функции РНК............................................................................... 24

Концепция «Мир РНК»............................................................... 25

2. Основные матричные процессы........................................................ 27

2.1. Репликация ДНК............................................................................. 27

Основные принципы репликации ДНК........................................ 27

Особенности репликации............................................................ 28

Ферменты, участвующие в репликации ДНК............................ 30

2.2. Транскрипция................................................................................. 36

Принципы транскрипции........................................................... 37

РНК-полимеразы......................................................................... 37

Этапы транскрипции................................................................. 39

Процессинг РНК.......................................................................... 42

2.3. Трансляция...................................................................................... 46

Подготовительные стадии........................................................ 47

Этапы трансляции..................................................................... 48

Формирование пространственной структуры белков............. 54

2.4. Регуляция биосинтеза белка........................................................... 56

Регуляция генной активности у прокариот.............................. 57

Особенности регуляции синтеза белка у эукариот................... 59

Контрольные вопросы.............................................................................. 62

Библиографический список....................................................................... 63

Введение

Молекулярная биология как самостоятельная наука, изучающая явления жизни на уровне макромолекул, сформировалась в середине XX века, когда была установлена генетическая роль и структура ДНК. В результате выдающихся открытий Дж. Уотсона, Ф. Крика, Г. Кораны, А. Корнберга и других крупнейших молекулярных биологов в середине 60-х годов XX века утвердилась «центральная догма молекулярной биологии», формулирующая магистральный путь реализации генетической информации в клетке: ДНК ® РНК ® белок. Впоследствии «центральная догма молекулярной биологии» была детализирована и дополнена представлениями о существовании процесса обратной транскрипции (биосинтезе ДНК на матрице РНК) и репликации РНК:

К настоящему времени молекулярная биология накопила огромный запас уже устоявшихся фактов, которые изложены в классических учебниках и справочных пособиях. С другой стороны, молекулярная биология продолжает стремительно развиваться, возникают принципиально новые методические подходы в изучении молекулярных основ жизнедеятельности клетки. В связи с этим предлагаемое пособие содержит не только достаточно известные и устоявшиеся научные сведения, но и знакомит студентов с последними достижениями науки.

В пособии отражено относительно небольшое количество фундаментальных тем, имеющих исключительно важное значение для познания живой природы. Одна из основных задач пособия – изложение материала в достаточно простой и лаконичной форме. Приведенные иллюстрации и схемы позволят освоить непростые молекулярно-биологические понятия, помогут студентам преодолеть различия между школьным и университетским курсами биологии. Пособие предназначено для студентов 1-го курса медицинского и экологического факультетов, изучающих дисциплины «Основы молекулярной биологии» (элективный курс), «Биология с экологией», «Общая биология».

ОСНОВНЫЕ БИОПОЛИМЕРЫ КЛЕТКИ

Белки

Состав и пространственная организация белковой молекулы

Белки представляют собой биополимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Известно более 170 аминокислот, но только 20 из них входят в состав белков. Их называют протеиногенными.

Протеиногенные аминокислоты являются α-аминокислотами (рис. 1) и имеют L-конфигурацию. Благодаря своему строению аминокислоты обладают амфотерными свойствами, т. е. одновременно проявляют свойства кислот и оснований. Аминогруппа сообщает молекуле аминокислоты свойства основания, карбоксильная группа – свойства кислоты. Недиссоциированная форма аминокислоты в нейтральном водном растворе превращается в диполярную форму (цвиттерион), которая способна взаимодействовать как с кислотами, так и с основаниями.

При взаимодействии аминокислот друг с другом образуются прочные ковалентные (пептидные) связи между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты:

Длина пептидной связи составляет 0,1325 нм, представляя собой среднюю величину между длинами одинарной С-N связи (0,146 нм) и двойной С=N связи (0,127 нм), т. е. пептидная связь частично имеет характер двойной связи. Это сказывается на свойствах пептидной группировки:

· пептидная группировка имеет жесткую планарную структуру, т. е. все атомы, входящие в нее, располагаются в одной плоскости;

· атомы кислорода и водорода в пептидной группировке находятся в транс-положении по отношению к пептидной С-N связи (рис. 2);

· пептидная группировка может существовать в двух резонансных формах (кето- и енольной):

Эти свойства пептидной группировки определяют структуру полипептидной цепи, которая состоит из регулярно повторяющихся участков, образующих остов молекулы, и вариабельных участков – боковых радикалов аминокислотных остатков. Полипептидная цепь направленна, поскольку каждый из ее строительных блоков имеет разные концы: амино- и карбоксильную группы. Началом полипептидной цепи считают конец, несущий свободную аминогруппу (N-конец), а заканчивается полипептидная цепь свободной карбоксильной группой (С-конец).

В каждой белковой молекуле порядок чередования аминокислот и их количество строго определены, в норме постоянны и закодированы в ДНК. Перестановка аминокислотных остатков или замена одного из них может привести к серьёзным нарушениям процессов, протекающих в клетке. Например, замена в β-цепи гемоглобина человека остатка глутаминовой кислоты на остаток валина приводит к тяжелому, передающемуся по наследству заболеванию – серповидноклеточной анемии.

Различают несколько уровней структурной организации белков: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Под первичной структурой белка понимают порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка, соединенных пептидными связями:

… - Гли – Вал – Тир – Глн – Сер – Ала – Иле – Асн – Лиз – Ала – …

Вторичная структура белка – это упорядоченное расположение отдельных участков основной цепи полипептида, без учета расположения боковых цепей (радикалов аминокислотных остатков). Все вторичные структуры стабилизированы водородными связями между кислородом карбонильной группы и водородом амидной группы: С=О…Н–N. Существуют три основных типа вторичной структуры:

· α-спираль (рис. 3а). Остов полипептидной цепи закручивается в спираль, при этом радикалы аминокислот обращены кнаружи от спирали. Фиксируется α-спираль водородными связями, которые расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются. В силу этого α-спираль имеет плотно упакованную структуру, не имеющую внутреннего канала и не проницаемую даже для молекул воды. α-спираль имеет определенные характеристики: радиус – 0,23 нм, расстояние между витками – 0,54 нм, среднее число аминокислотных остатков, приходящееся на один оборот, – 3,6. В природных белках существуют только правозакрученные α-спирали, что связано с наличием в них аминокислот L-ряда.

Рис. 3. α-спираль (а) и β-складчатая антипараллельная структура (б)

· β-структура или структура складчатого листа (рис. 3б). Остовы пептидных цепей скручены не в спираль, а имеют зигзагообразную конфигурацию. В отличие от α-спирали,в β-структуре водородные связи возникают не внутри цепи, а между параллельно или антипараллельно идущими и сближенными участками цепи. β-структура (как и α-спираль) является наиболее термодинамически выгодным состоянием для данного участка полипептидной цепи.

· Нерегулярная структура –тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет постоянного характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию (рис. 4). Один из видов такого рода структур получил название β-изгиб. Этот элемент наблюдается при изменении направления полипептидной цепи на 180⁰ и стабилизируется водородной связью между 1-м и 4-м по ходу цепи аминокислотными остатками.

Вторичная структура белка определяется первичной. Аминокислотные остатки в разной степени способны к образованию водородных связей, это и влияет на образование α-спирали или β-слоя. К спиралеобразующим аминокислотам относятся аланин, глутаминовая кислота, глутамин, лейцин, лизин, метионин и гистидин. Если фрагмент белка состоит главным образом из перечисленных выше аминокислотных остатков, то на данном участке сформируется α-спираль. Валин, изолейцин, треонин, тирозин и фенилаланин способствуют образованию β-слоев полипептидной цепи. Неупорядоченные структуры возникают на участках полипептидной цепи, где сконцентрированы такие аминокислотные остатки, как глицин, серин, аспарагиновая кислота, аспарагин, пролин.

Супервторичные структуры представляют собой энергетически предпочитаемые ансамбли вторичных структур – белковые домены.

Домены обычно состоят из отрезков полипептидной цепи, содержащих от 50 до 350 аминокислот, и являются теми модульными единицами, из которых строятся белки. Небольшие белки могут содержать только один домен, более крупные белки состоят из нескольких доменов, связанных сравнительно открытыми участками полипептидной цепи (рис. 4).

Каркас пространственной структуры подавляющего большинства доменов состоит из регулярных вторичных структур – a-спиралей и β-листов, которые стабилизованы регулярными водородными связями в главной цепи. В зависимости от наличия и расположения a- и β-структур, выделяют белки группы a-, b- и «смешанные» белки – a&b (рис. 5).

А

В

Б

Рис. 5. Модели пространственной структуры некоторых белковых доменов:
А – белок цитохрома b₅₆₂, почти целиком состоящий из α-спиралей;
Б – НАД-связанный домен лактат-дегидрогеназы, состоящий из смеси α-спиралей
и β-слоев; В – домен одной из цепей иммуноглобулина, состоящий из двух β-слоев

Третичная структура– трехмерная структура белка, характеризующаяся определенной укладкой в пространстве всех звеньев полипептидной цепи.

Выделяют два общих типа третичной структуры белков:

· Фибриллярные белки представляют собой нерастворимые в воде длинные нитевидные молекулы, полипептидные цепи которых не имеют глобулярной формы, а вытянуты вдоль одной оси. Третичная структура представлена либо тройной a-спиралью, либо β-складчатыми структурами. Большинство фибриллярных белков выполняют структурные или защитные функции. Типичными фибриллярными белками являются a-кератин волос и шерсти, фиброин шелка и коллаген сухожилий. К этому классу относятся также нитевидные белки, присутствующие в сократительных системах мышечных и немышечных клеток, например актин и миозин, а также протофиламенты, из которых построены микротрубочки.

· В глобулярных белках полипептидные цепи свернуты в плотную компактную структуру сферической (глобулярной) формы. Обычно третичную структуру белков рассматривают именно в отношении глобулярных белков, имеющих разнообразную пространственную организацию (нерегулярные участки, b-складчатые структуры, a-спирали) и более разнообразные функциональные возможности. Подавляющее большинство природных белков относится к глобулярным (почти все ферменты, транспортные белки крови, антитела, пищевые белки).

Третичную структуру белка стабилизируют взаимодействия, возникающие между боковыми радикалами аминокислотных остатков разных участков полипептидной цепи. Эти взаимодействия можно разделить на сильные и слабые. К сильным взаимодействиям относятся ковалентные связи между атомами серы остатков цистеина, стоящих в разных участках полипептидной цепи. Такие связи называются дисульфидными мостиками:

Кроме ковалентных связей, третичная структура белковой молекулы поддерживается слабыми взаимодействиями, которые, в свою очередь, разделяются на полярные и неполярные. К полярным взаимодействиям относятся ионные и водородные связи. Ионные взаимодействия образуются при контакте положительно заряженных групп боковых радикалов лизина, аргинина, гистидина и отрицательно заряженной СОО^--группы аспарагиновой и глутаминовой кислот. Водородные связи возникают между функциональными группами боковых радикалов аминокислотных остатков. Гидрофобные взаимодействия между углеводородными радикалами аминокислотных остатков способствуют формированию гидрофобного ядра внутри белковой глобулы (рис. 6).

Гидрофобные радикалы некоторых аминокислотных остатков избегают контактов с водным окружением и стремятся собраться вместе внутри глобулярной структуры, где они защищены от соприкосновения с водой. Границы между гидрофобным ядром и наружной поверхностью не всегда выражены, и часть гидрофобных радикалов может выступать на поверхность молекулы, что имеет особое значение для контакта между белковыми глобулами при образовании четвертичной структуры белков, а также для взаимодействия с другими внутриклеточными молекулами.

Хотя нативная третичная структура каждого глобулярного белка отвечает минимуму свободной энергии и потому является самой устойчивой конформацией, какую может принять полипептидная цепь, третичная структура не является абсолютно жесткой и неподвижной. Многие глобулярные белки в норме претерпевают конформационные изменения при выполнении ими биологических функций. Например, молекула гемоглобина изменяет свою конформацию при связывании кислорода и возвращается к исходной конформации после его освобождения. Кроме того, молекулы многих ферментов претерпевают конформационные изменения при связывании субстратов – это составная часть их каталитического действия.

Рис. 6. Типы взаимодействий, поддерживающих третичную структуру белка:
а – дисульфидный мостик; б – ионная связь; в, г – водородные связи;
д – гидрофобные взаимодействия

Четвертичная структурахарактерна для белков, построенных из нескольких полипептидных цепей. Полипептидные цепи занимают строго фиксированное положение друг относительно друга, вследствие чего белок обладает специфической функцией. Белок, имеющий четвертичную структуру, называется эпимолекулой или мультимером, а составляющие его отдельные полипептидные цепи – протомерами или субъединицами.

Четвертичная структура поддерживается исключительно силами слабых взаимодействий (рис. 7), поэтому она представляет собой достаточно лабильное образование, значительно менее прочное, чем третичная или вторичная структуры. Участки субъединиц, на которых происходят взаимодействия, называются контактными площадками.

Рис. 7. Нековалентные (слабые) взаимодействия между протомерами белка
при образовании четвертичной структуры

Белки, обладающие четвертичной структурой, как правило, содержат четное число субъединиц и представляют собой димеры, тетрамеры, гексамеры и т. д. Число димеров и тетрамеров резко преобладает среди всех изученных белков. Классическим примером белка, имеющего четвертичную структуру, является гемоглобин, молекула которого включает 4 субъединицы двух видов (a и b).

Утрата или изменение структурной организации белковой молекулы называется денатурацией. Она сопровождается изменением свойств белка и происходит под воздействием различных физических и химических факторов (например, температуры, радиации, гормонов и др.). Если утрачена четвертичная, третичная или вторичная структуры, то возможно их восстановление, или ренатурация. Если же нарушения коснулись и первичной структуры, то ренатурация невозможна, и такая денатурация необратима.

Функции белков

· Каталитическая. Все биохимические реакции, протекающие в клетке, катализируются белками особой группы – ферментами (энзимами). Каждая реакция обеспечивается собственным ферментом, вследствие чего ускоряется как минимум в 1 млн раз. Например, липаза расщепляет жиры, амилаза – крахмал. Ферменты локализуются в митохондриях, цитоплазме, лизосомах и на мембранах клеток и органелл.

· Структурная. Белки входят в состав биологических мембран, мембранных и немембранных органелл клетки, обладают способностью образовывать волокна. Например, главным компонентом хрящей и сухожилий является фибриллярный белок коллаген. Связки содержат эластин – белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти и перья состоят из прочного нерастворимого белка кератина. Шелковые нити и паутина построены из белка фиброина.

· Сократительная и двигательная. Белки наделяют клетку или организм способностью сокращаться, изменять форму или передвигаться (актин и миозин мышечных клеток, тубулин микротрубочек).

· Транспортная. Существуют специальные белки-переносчики, которые, связываясь со специфическими веществами (гормонами, аминокислотами, липидами, моносахаридами, кислородом и др.), обеспечивают их транспорт между тканями и через мембраны клетки.

· Регуляторная. Некоторые белки участвуют в системе регуляции клеточной или физиологической активности. На клеточном уровне: белки-репрессоры и белки-активаторы транскрипции. На организменном уровне: некоторые гормоны – белки (например, инсулин, соматотропин, паратиреоидный гормон).

· Запасающая и пищевая. В семенах многих растений запасены белки, потребляемые зародышем на первых стадиях развития. Пищевыми белками являются альбумин (главный белок яиц птиц) и казеин (главный молочный белок).

· Защитная. Иммуноглобулины (антитела) позвоночных – специализированные белки. Они вырабатываются лимфоцитами и, взаимодействуя с антигенами, дезактивируют чужеродные соединения, вирусы, бактерии и т. д. Фибриноген и тромбин участвуют в свертывании крови, предохраняя организм от её потери.

· Токсическая. Многие токсины бактерий (дифтерийный токсин), растений (рицин) и животных (яд змей) являются веществами белковой природы.

· Энергетическая. В экстремальных условиях при истощении углеводных и липидных ресурсов белки могут распадаться с освобождением энергии.

Нуклеиновые кислоты

Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), которые обеспечивают хранение наследственной информации, и рибонуклеиновые кислоты (РНК), играющие основную роль в реализации генетической информации.