Строение белков

Растворы белков прозрачны, но обладают опалесценцией - при боковом освещении просматривается мутность. Перечисленные свойства используются для количественного определения белка.

 

 

МОНОНУКЛЕОТИДЫ

 

Мононуклеотиды - соединения, построенные из пуринового или пиримидинового основания, рибозы или дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Фосфат в мононуклеотиде чаще всего присприсоединяется к пятому углеродному атому рибозы.

Функции мононуклеотидов:

1) являются мономерами  нуклеиновых кислот,

2) их производные принимают  участие в энергетическом обмене, например АТФ,

3) некоторые моно- и динуклеотиды являются коферментами (ФАД, НАД, ФМН и др.)

Наиболее часто в нуклеотидах встречаются пять азотистых оснований: с пуриновым ядром: аденин, гуанин; с пиримидиновым ядром: урацил, цитозин, тимин.

Пурин              Гуанин             Аденин	Пиримидин         Цитозин        Тимин      Урацил

Кроме перечисленных оснований, встречаются метилированные, серосодержащие и др. производные азотистых оснований. Их называют минорными основаниями. Например, у прокариот встречаются: риботимидин, инозин, ксантин, гипоксантин и др. Всего известно около 60 азотистых оснований.

Азотистые основания и соединения, построенные из них, интенсивно поглощают свет в ультрафиолетовой области (260-280 нм). Это свойство используется для количественного определения веществ, содержащих в своем составе азотистые основания.

 

Соединения, построенные из азотистого основания и рибозы или дезоксирибозы, называются нуклеозидами. В зависимости от строения пентозы различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Нуклеозиды легко расщепляются кислотами, но устойчивы к щелочам Нуклеозиды, к которым присоединены два или три остатка фосфорной кислоты называются нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфатами.

Нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты (АДФ, АТФ, ГТФ, УТФ и т.д.) содержат богатые энергией связи - макроэргические связи. Они обозначаются знаком ~ тильда. В отличие от обычной фосфатной связи, при гидролизе макроэргической связи высвобождается большое количество энергии, используемое клеткой.

Важным производным нуклеозидов является цАМФ. Она образуется из АТФ при участии фермента  аденилатциклазы. цАМФ участвует в регуляции метаболических процессов в клетке. В частности, она выполняет роль второго посредника в действии некоторых гормонов на клетку.

Соединения, построенные по типу нуклеотидов, входят в состав некоторых сложных ферментов, выполняя роль коферментов. Часто в составе таких коферментов обнаруживаются азотистые вещества, отличающиеся по строению от пуриновых и пиримидиновых оснований. Они не синтезируются в организме животных, а поступают с пищей (витамины).

Флавинмононуклеотид  (ФМН) - фосфорилированный рибофлавин  (витамин В2).

Флавинадениндинуклеотид (ФАД) состоит из двух нуклеотидов АМФ и ФМН.

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) состоит из АМФ и второго нуклеотида, включающего в качестве азотистого основания никотинамид - витамин РР.

Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) отличается от НАД тем, что АМФ этого динуклеотида фосфорилирована по гидроксилу третьего углерода рибозы.

Перечисленные выше соединения входят в состав дегидрогеназ - ферментов, осуществляющих транспорт электронов и протонов в окислительно - восстановительных реакциях.

Кофермент А (коэнзим А, коА) состоит из фосфорилированной АМФ и фосфопантотеина (фосфорилированный витамин B3).

Коэнзим А осуществляет активацию и перенос ацильных радикалов, которые с помощью тиоэфирной связи присоединяются к SH-гpyппe.

В зависимости от переносимой кислоты соединения называют: ацетил-коэнзим А, малонил-коэнзим А, сукцинил-коэнзим А.

 

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты - дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) являются полимерами из дезоксирибонуклеотидов и рибонуклеотидов соответсвенно. Мононуклеотиды в нуклеиновых кислотах соединяются через остаток фосфорной кислоты между пятым углеродом рибозы и третьим углеродом рибозы соседнего нуклеотида.

Строение ДНК

В 1950 году Чаргафф обнаружил ряд закономерностей в нуклеотидном составе ДНК, которые впоследствии были названы правилами Чаргаффа. Вот эти правила: 1) Пур=Пир, 2) А=Т, 3) Г=Ц, 4) А+Ц=Г+Т. Правила"Чаргаффа помогли сформулировать комплементарную модель строения ДНК.

Первичная структура ДНК представлена полинуклеотидными цепями.

Структура ДНК

Есть ряд закономерностей в цепочках ДНК:

1) У вирусов и прокариот почти вся последовательность ДНК уникальна, у эукариот 30-40% ДНК составляют повторяющиеся последовательности, особенно много повторяющихся участков в ДНК в области центромеров.

2) Цепи ДНК не имеют разветвлений.

3) В ДНК много (тысячи) обратно бегущих последовательностей - палиндромов, "перевертышей". Примеры перевертышей в русском языке: "нажал кабан на баклажан". Палиндромы образуют крестообразные структуры - шпильки, играющие существенную роль в регуляции экспрессии (работе) генов.

 

Вторичная структура ДНК

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик установили, что ДНК - это двойная спираль антипараллельных полинуклеотидных цепей. Удерживаются цепи друг возле друга водородными связями, образующимися между азотистыми основаниями, причем между аденином и тимином связь двойная, а между цитозином и гуанином - тройная. Снаружи двойной спирали ДНК расположен сахарофосфатный остов.

cпираль А          cпираль В         cпираль Z

Комплементарно связанные азотистые основания обращены вовнутрь. В стопке азотистые основания смещены относительно друг друга. Существует несколько разновидностей спирали ДНК:

1) спираль типа В, обнаруживается при репликации ДНК;

2) спираль типа А, наблюдается при транскрипции;

3) спираль типа Z, закрученная влево, а не вправо как спираль А или В, бывает при кроссинговере.

4) Описаны еще спирали типа С и SBS.Последняя не закручена.

У вирусов может встречаться одноцепочечная ДНК.

 

Третичная структура ДНК

У прокариот молекулы ДНК кольцевые. У эукариот концы ДНК свободны - это линейная форма ДНК. У вирусов бывают линейные и кольцевые ДНК.

У прокариот нет ядра. У них ДНК вместе с белками прикрепляется к цитоплазматической мембране, образуя нуклеоид.

У эукариот ДНК отделена от остальной части клетки ядерной мембраной. В интерфазе ДНК эукариот сосредоточена в хроматиновых нитях. Хроматин, кроме ДНК содержит белки. 50% белка хроматина - гистоны. Гистоны содержат большое число остатков диаминокарбоновых кислот: аргинина и лизина. Это очень консервативные глобулярные белки практически одинаковые у всех эукариот. Вторая половина белков хроматина - негистоновые белки, характеризующиеся большим разнообразием.

В хроматине рассматривается несколько уровней организации:

1) Нуклеосомы. На ядре из четырех пар молекул гистонов намотано почти два витка ДНК. Это - кор. Между корами расположен линкер - 40 пар нуклеотидов, частично покрытых гистоном и (или) негистоновыми белками или вообще не покрытых белками. Гистоны участвуют в активации и репрессии генов на уровне транскрипции.

2) Соленоиды: 6-10 нуклеосом дают один виток соленоида.

3) Петли. На скелете из негистоновых белков обнаруживаются петли в 30-90 тыс. пар нуклеотидов, у которых начало и конец располагаются рядом.

4) Высшим уровнем организации ДНК у эукариот является хромосома. Основу хромосомы сотавляет белковый матрикс, к которому крепится ДНК. На концах хромосомы находятся участки ДНК, называемые теломерами. С теломер может начинаться репликация; теломеры защищают концы хромосом от деградации.

При каждой репликации теломеры укорачиваются. Достигнув определенной критически малой величины теломер, клетка гибнет. Теломераза - фермент, восстанавливающий длину теломеров, делает клетку бессмертной. Теломераза есть в половых, стволовых и раковых клетках, в других клетках ее нет. В центре хромосомы находится центромера - тоже некодирующая ДНК, обеспечивающая правильное расхождение хромосом при делении клеток.

Большая часть ДНК находится в петлях. Здесь расположены гены. В каждой петле локализованы один или несколько генов. С матриксом хромосомы петли взаимодействуют некодирующими участками ДНК.

Физико-химические свойства ДНК

Хромосома - это одна молекула ДНК. У прокариот всего одна хромосома. Размеры ДНК различны от 5000 нуклеотидов у вирусов до 5 млрд (ее длина - 8см) у человека. Длина ДНК всех хромосом одной клетки человека около 2 м.

ДНК - белая волокнистая масса. Растворы очень вязкие. Вязкость увеличивается с увеличением молекулярной массы. Растворы ДНК поглощают ультрафиолетовый свет с максимумом при 260 нм. ДНК в воде заряжена отрицательно.

В кислой, щелочной средах при температуре  80 - 90° С в присутствии формамида, мочевины и ряда др. факторов происходит расхождение полинуклеотидных цепей ДНК - денатурация. При денатурации разрушаются водородные связи - ДНК "плавится". Температурой плавления считается такая, при которой ДНК денатурирует наполовину (разрушена половина водородных связей). При плавлении наблюдается повышение оптической плотности растворов при 260 нм - гиперхромный эффект.

Чем больше в ДНК Г-Ц пар, тем выше температура плавления, потому что Г-Ц пары прочнее, чем А-Т, поскольку удерживаются тремя водородными связями.

После снижения температуры денатурированная теплом ДНК восстанавливает свою вторичную структуру, происходит ренатурация, или отжиг, кислоты.

Если ДНК разных источников в смеси подвергнуть денатурации и отжигу, то произойдет  гибридизация чужеродных цепей ДНК по законам комплементарности. Возможна гибридизация цепей ДНК и РНК. В этом случае образуется гибридная  нуклеиновая кислота, в которой одна цепь - РНК, другая - ДНК.