ДНК и РНК

Межсубъединичные контакты, которые определяют существование четвертичной структуры, представляют собой весьма развитую систему нековалентных взаимодействий. Ковалентные дисульфидные связи весьма редко используются для стабилизации четвертичной структуры (например, они соединяют легкие и тяжелые цепи в иммуноглобулинах), причем даже в этих случаях они играют подчиненную роль, дополняя нековалентные контакты.

В организации сети межсубъединичных контактов важная роль принадлежит водородным связям. Очень часто система таких связей соединяет в одну очень протяженную структуру b-складчатые листы контактирующих субъединиц. Если на поверхность субъединицы выходит крайний отрезок b-складчатого листа, то такой же отрезок будет занимать соответствующее положение в другой субъединице. Поворот последней на 180° позволит сблизить упомянутые отрезки так, что между ними установится характерная для антипараллельной b-структуры система водородных связей. Например, в четвертичной структуре алкогольдегидрогеназы лошади, фермента, катализирующего превращение различных спиртов в альдегиды, две субъединицы, контактируя, образуют протяженный b-складчатый слой, который состоит из 12 пептидных отрезков. В зоне контакта в общей сложности устанавливается 8 водородных связей между С=O- и N-Н-группами главной цепи:

В дополнение к этой системе могут возникать и отдельные водородные связи между функциональными группами разных субъединиц.

Как ни значима роль водородных связей, сами по себе они не смогли бы обеспечить поддержание достаточно устойчивой четвертичной структуры, особенно в водных растворах. Как и при образовании третичной структуры, большое значение имеют при этом контакты между гидрофобными группами и целыми гидрофобными участками на поверхности взаимодействующих субъединиц. Уже упоминалось, что около половины гидрофобных аминокислотных остатков локализовано в поверхностном слое белка, поэтому возникновение таких контактов вполне объяснимо. Так, четвертичная структура алкогольдегидрогеназы кроме водородных связей стабилизируется гидрофобными контактами, в которых со стороны каждой из двух субъединиц участвуют два остатка метионина, один - лейцина, три - изолейцина, два - пролина, один - триптофана, в общей сложности 18 остатков, размещенных на площади 600 А². Гидрофобные боковые группы этих остатков в изолированной субъединице имели бы термодинамически невыгодные контакты с водой, упорядочивая ее структуру. Поэтому формирование межсубъединичного контакта приводит к возрастанию энтропии системы, и равновесие оказывается сдвинутым в сторону олигомера.

Сочетание системы водородных связей и гидрофобных контактов делает очень прочным связывание субъединиц алкогольдегидрогеназы. Диссоциация четвертичной структуры этого белка достигается только в 8 М мочевине.

Межсубъединичные контакты нередко содержат ионные пары, в которых устанавливаются электростатические взаимодействия между противоположно заряженными функциональными группами субъединиц, например между карбоксилат-ионами остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот и катионными группами боковых цепей лизина или аргинина. При этом вовсе не обязательно образование только ионных пар - нередко возникают целые системы, кластеры пространственно сближенных разноименных зарядов. Исключение воды из меж-субъединичного контакта делает такие взаимодействия, не слишком устойчивые на поверхности белка, весьма значимыми.

Анализ четвертичной структуры нескольких белков показал, что среди аминокислотных остатков, обеспечивающих межсубъединичные контакты, 67% являются неполярными, 20 - полярными, 13% несут заряженные группы.

В целом зона контакта между субъединицами представляет собой кооперативную систему нековалентных взаимодействий, стабильность которой существенно зависит от внешних условий и, что особенно важно, даже от небольших изменений в пространственной структуре каждой из взаимодействующих субъединиц. Здесь кроется молекулярный базис одной из наиболее специфичных функций четвертичной структуры - ее способности передавать структурные перестройки одной субъединицы на другие.

Прочность четвертичной структуры может колебаться в широких пределах. Ее иногда измеряют долей поверхности субъединиц, которая участвует в межсубъединичном контакте и оказывается скрытой от воды при формировании структуры.

4. Укажите сходства и различия в химическом составе ДНК и РНК. Охарактеризуйте количественное содержание ДНК и РНК в организме и места их локализации в клетке

белок денатурация аминокислота самосборка

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) относятся к сложным высокомолекулярным соединениям, состоят из небольшого числа индивидуальных химических компонентов более простого строения. Так, при полном гидролизе нуклеиновых кислот (нагревание в присутствии хлорной кислоты) в гидролизате обнаруживают пуриновые и пиримидиновые основания, углеводы (рибоза и дезоксирибоза) и фосфорную кислоту:

В молекуле ДНК углевод представлен дезоксирибозой, а в молекуле РНК - рибозой, отсюда их названия: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. Кроме того, они содержат фосфорную кислоту, по два пуриновых и по два пиримидиновых основания; различия только в пиримидиновых основаниях: в ДНК содержится тимин, а в РНК - урацил. В составе ДНК и РНК открыты так называемые минорные (экзотические) азотистые основания (строение некоторых из них приводится далее).

Углеводы (рибоза и дезоксирибоза) в молекулах ДНК и РНК находятся в в-D-рибофуранозной форме:

5. Дайте схему механизма действия пиридоксальфермента в реакции переаминирования аланина с щавелевоуксусной кислотой. Укажите класс и подкласс фермента

Эластин - нерастворимый фибриллярный белок, играющий важную роль в формировании эластичных тканей, прежде всего стенок артерий, легких и связок. Полипептидная цепь его предшественника - тропоэластина, - синтезируемая, как и коллаген, фибробластами, состоит примерно из 760 аминокислотных остатков. Более половины из них приходится на глицин и аланин, четверть - на типично гидрофобные аминокислоты, среди которых особенно много валина, в то время как число гидрофильных аминокислот очень невелико. Содержание пролина в эластине (11%) значительно, меньше, чем в коллагене. Часть остатков пролина гидроксилирована, однако оксипролин, по-видимому, не играет существенной роли в эластине и, возможно, Образуется попутно, как следствие высокой активности пролингидроксилазы в фибробластах, где синтезируется и коллаген.

Для первичной структуры эластина характерно обилие повторяющихся участков последовательности, например последовательность Pro-Gly-Val-Gly-V al встречается в эластине по меньшей мере 11 раз подряд. Эластин построен из большого числа чередующихся гидрофобных и гидрофильных участков полипептидной цепи, которые соответствуют множеству относительно коротких экзонов в структурном гене этого белка. Гидрофильные участки обогащены лизином.

По-видимому, гидрофобные участки ответственны за агрегацию, чрезвычайно характерную для эластина. Гидрофильные же определяют образование межмолекулярных сшивок, которые делают агрегацию необратимой. Примерно в середине каждого из гидрофильных участков содержатся остатки лизина, разделенные двумя-тремя остатками других аминокислот, часто аланина, Например Lys-Ala - Ala-Lys, Lys-Ser-Ala-Ala-Lys-Val-Ala-Ala-Lys, Lys-Ala-Pro-Lys.

При созреваний тропоэластина почти все остатки лизина превращаются в альлизин под действием того же медьсодержащего фермента лизивоксидазы, который модифицирует коллаген. Образовавшиеся при этом альдегидные группы вступают в реакции конденсации с другими остатками аль-лизина, а также с e-аминогруппой еще не окисленного остатка лизина, в результате чего четыре сближенных в агрегате остатка лизина дают десмозин - аминокислоту с пиридиниевым ядром, объединяющую в один узел четыре участка пептидной цепи эластина:

6. Приведите схему механизма обеспечения специфичности воспроизведения первичной структуры при биосинтезе белка. Укажите роль различных видов РНК и ДНК в этом процессе

Определению первичной структуры белка предшествуют его очистка и установление химической индивидуальности, или, как принято говорить, гомогенности. Универсальных критериев гомогенности белка нет, наиболее строгим доказательством его индивидуальности является однозначное установление первичной структуры, требующее большого труда и времени и не всегда доступное. Практически полезными, хотя и неполными, критериями индивидуальности белка служат:

- обнаружение при диск-электрофорезе или изоэлектрофокусировании единственной белковой полосы, проявляющей характерную для данного белка активность; весьма доказательны данные иммуноэлектрофореза и иммуноблоттинга;

- обнаружение при электрофорезе в полиакриламидном геле в присутствии анионного детергента (додецилсульфата натрия) единственной полосы, отвечающей денатурированному белку, в особенности если иммуноблоттинг подтверждает, что она несет антигенные детерминанты данного белка. В случае олигомерных белков, построенных из разных субъединиц, таких полос может быть несколько, однако анализу первичной структуры должно предшествовать разделение субъединиц;

- обнаружение единственного белкового пика, достаточно симметричного и совпадающего с пиком активности при различных методах жидкостной хроматографии (аффинной, ионообменной, гидрофобной, гель-хроматографии). Существенно, чтобы соотношение активности и содержания белка (удельная активность) оставалось постоянным по всеми пику;

- выявление единственной аминоконцевой последовательности. К идентификации аминоконцевого остатка для этой цели прибегают редко, так как расход белка для получения столь ограниченной информации оказывается неоправданно большим.

Эти приемы не единственны и не обязательны, доказательство индивидуальности строится по-новому для каждого белка. Нередко при этом обнаруживается так называемая микрогетерогенность белка, вызываемая, как правило неоднозначностью посттрансляционных модификаций или случайными повреждениями белковых молекул in vivo или в процессе выделения. Возможна, впрочем, и гетерогенность, обусловленная функционированием аллельных генов, или альтернативным сплайсингом.

Среди наиболее частых причин микрогетерогенности укажем внутренние разрывы полипептидной цепи за счет случайного действия протеиназ, так называемые растрепанные концы (результат неоднозначного процессинга аминокон-цевого участка белка), а также дезамидирование отдельных остатков аспарагина, реже глутамина. Последнее может происходить спонтанно, в особенности легко - в последовательности Asn-Gly и приводит к так называемой микрогетерогенности по заряду. Известна микрогетерогенность за счет неполноты фосфорилирования белка протеинкиназами или различий в структуре углеводных цепей тликопротеинов.

Высказываемые иногда предположения о микрогетерогенности, обусловленной существованием стабильных конформеров белка с одинаковой первичной структурой, экспериментального подтверждения не получили и труднообъяснимы теоретически. Многие виды микрогетерогенности не препятствуют определению аминокислотной последовательности, однако осложняют анализ и должны учитываться при его проведении. Схема имеет следующий вид.

Используемая литература