Наталья Стволинская - Цитология

2. Вторичная структура. Белковая спираль . Громадная полипептидная цепь самопроизвольно складывается в пространстве за счет взаимодействия между остатками карбоксильных и аминогрупп аминокислотных остатков. Основа взаимодействия аминокислотных остатков – слабые водородные связи, многократно повторяющиеся вдоль длинной полипептидной цепи. В результате такого взаимодействия цепь приобретает вид спирали (a-структура) (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вторичная структура полипептида – α-спираль (по Албертс, Брей, Льюис и др., 1994).

3. Третичная и четвертичная структуры . Третичная структура образуется благодаря взаимодействию между собой сложных радикалов аминокислотных остатков в составе одного белка. Например, удаленные друг от друга в полипептидной цепи две аминокислоты, содержащие в составе радикалов серу, могут образовывать дисульфидные мостики, или S-S связи. Благодаря подобным взаимодействиям полипептидная спираль сворачивается и приобретает специфическую форму, например глобулы. Большинство белков глобулярные: общая формула их молекул более или менее сферическая. Известны и фибриллярные белки. Их молекулы в рабочем состоянии вытянуты в волокно. Пространственная конфигурация полипептидной молекулы играет важную роль в осуществлении ее функции.

Четвертичная структура белка представляет собой сложное функциональное объединение нескольких полипептидных молекул с третичной структурой. Например, молекула белка гемоглобина включает в себя четыре полипептида с третичной структурой: две молекулы a-гемоглобина и две молекулы b-гемоглобина. Кроме того, в центре этой сложной молекулы находится гетероциклическое соединение, в состав которого входит железо. Функциональная особенность гемоглобина, как и других белковых молекул, зависит от его пространственной конфигурации (рис. 3.2).

Рис. 3.2.Третичная и четвертичная структура молекулы гемоглобина.

Биосинтез белка осуществляется в цитоплазме всех живых клеток. Происходит этот процесс на рибосомах с участием матричных РНК (мРНК) и транспортных РНК (тРНК), которые образуются в ядре, как на матрице, на молекуле ДНК. Хотя молекулы ДНК не принимают непосредственного участия в биосинтезе белка на рибосомах, они играют в этом процессе ключевую роль. В них закодирована информация о последовательности аминокислот в молекуле белка. Главный постулат клеточной биологии: ДНК → РНК → белок. Чтобы разобраться в процессе биосинтеза белка, рассмотрим строение и функции нуклеиновых кислот, что важно для понимания работы клетки.

Вопросы

1. Какие химические элементы входят в состав молекул белков?

2. Из каких химических соединений образуются молекулы белков в клетке?

3. В чем значение водородных связей в белковых молекулах?

4. В чем значение правильных пространственных конфигураций белковых молекул?

5. Каким образом формируется глобулярная структура белка?

6. Приведите пример белка, для которого характерна четвертичная структура.

7. Что такое полипептид?

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – необходимы для жизни. Они представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов. Открытие структуры ДНК, одного из типов нуклеиновых кислот, позволило понять, каким образом в ней кодируется генетическая информация, необходимая живым организмам для регуляции жизнедеятельности. Понимание структуры ДНК навело на мысль о том, как эта информация удваивается, без чего невозможно размножение клеток и организмов.

Нуклеиновые кислоты являются длинными полимерными молекулами. Например, длина молекулы ДНК может достигать нескольких сантиметров. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Сахара в молекулах ДНК и РНК различаются: в ДНК – дезоксирибоза, в РНК – рибоза. Специфичность молекул ДНК и РНК определяется последовательностью азотистых оснований или нуклеотидов. Азотистые основания и нуклеотиды принято обозначать первой буквой их названия. В состав ДНК входят четыре типа азотистых оснований: А (аденин), Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин). В состав РНК – так же четыре, но вместо тимина (Т) урацил (У).

Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится очень большое количество остатков фосфорной кислоты. Каждый нуклеотид, являющийся мономером ДНК или РНК, имеет в своем составе остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются друг с другом в длинные полимерные молекулы с помощью фосфатных группировок. Остатки фосфорной кислоты соединяют между собой сахара посредством прочной ковалентной фосфодиэфирной связи. Образуется длинный неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида, который является прочным и стабильным. Это очень важно, так как в результате уменьшается риск нарушений структуры в молекулах ДНК и РНК.

Структура ДНК. ДНК состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей. Длина молекулы может доходить до нескольких сантиметров. Каждая цепь закручена в спираль вправо. Две цепи свиты вместе, закручены вправо вокруг одной и той же оси, в результате чего образуется двойная спираль. Две цепи двойной спирали антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны (рис. 3.3), направление расположения сахаров противоположно. Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси располагаются азотистые основания. Азотистые основания двух цепей двойной спирали ДНК находятся строго друг против друга, перпендикулярно длинной оси. Азотистые основания двух цепей связаны между собой слабыми водородными связями. Промежуток между цепями имеет постоянный размер. Он равен расстоянию, занимаемому парой азотистых оснований. Аденин всегда спаривается только с тимином (А – Т), а гуанин – с цитозином (Г – Ц). Последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК определяет последовательность нуклеотидов другой цепи. Поэтому говорят, что две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. Никаких ограничений относительно последовательности нуклеотидов в одной цепи ДНК не существует. На один полный оборот двойной спирали приходится 10 пар азотистых оснований. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, строго периодично.

Рис. 3.3.Схема антипараллельности двух нитей в молекуле ДНК. Сахара двух нитей имеют противоположное направление.