Страница 22 из 140
Второй эксперимент поставили через восемь лет после этого Херши и Чейз. Они использовали бактериофаги. Бактериофаги — это инфекционные агенты, способные заражать бактерии, и имеющие размеры намного меньше бактериальной клетки. В то время было неизвестно, какая именно часть бактериофага несет наследственную информацию; было лишь известно, что бактериофаги состоят из белка и ДНК. Было известно, что если бактериофаги добавить к бактериям, то они проникают в бактериальную клетку и в ней размножаются. Бактериальная клетка разрывается, и новые бактериофаги выходят наружу. В этом эксперименте использовали кишечную палочку и паразитирующие на ней бактериофаги. Белок бактериофагов был мечен радиоактивной серой (35S), а ДНК — радиоактивным фосфором (32Р). Фаги внесли внутрь бактерии. Через некоторое время, достаточное для инфицирования, бактерий отмыли в растворе, и оказалось, что сера отмылась, а внутри бактерий остался фосфор; через некоторое время эти бактерии лопнули, и из них вышли новые частицы фагов. Таким образом, было показано, что именно ДНК обеспечила синтез новых фагов, и что именно ДНК является носителем наследственной информации.
Напомним, что последовательность мономеров в цепи называется первичной структурой. Первичная структура белка — это аминокислоты, а первичная структура ДНК и РНК — это нуклеотиды. При записи первичной последовательности нуклеотиды обозначаются одной буквой (А, Т, G, С для ДНК и A, U, G, С для РНК). При записи первичной структуры белка аминокислоты обозначают либо тремя начальными буквами их английского названия (аргинин — Arg, метионин — Met) или одной буковой (обозначения указаны в таблице генетического кода в лекции 5).
И нуклеиновые кислоты, и белки обладает пространственной структурой, которую называют вторичной структурой. Последовательность нуклеотидов образует двойную спираль ДНК. Значительная часть молекулы РНК также принимает двуспиральную форму, а часть ее функционирует в одно-нитевом состоянии. На рисунке изображена транспортная и рибосомная РНК.
Для того, чтобы могли образоваться спиральные участки в РНК, части молекулы должны быть друг другу комплементарны. То есть первичная структура РНК (последовательность нуклеотидов) определяет образование вторичной структуры (двуспиральных участков). В больших молекулах РНК разные участки могут комплементарно спариваться друг с другом, образуя различные сочетания двойных спиралей. Какие же будут образовываться на самом деле? Сейчас существуют методы расчетов вторичной структуры РНК, и, по сути, они сводятся к поиску комплементарных участков и перебору возможных образуемых ими структур. Оптимальной считается та, в которой будет спарено наибольшее количество нуклеотидов, то есть наибольшая часть РНК войдет в состав двойной спирали. При этом она будет более стабильна, чем одно-нитевой клубок. Реально одно-нитевой клубок РНК для больших молекул практически не существует, существуют отдельные одно-нитевые участки. Самокомплементарные нити ДНК также могут образовывать «шпильки».
Чтобы шпилька образовалась, необходимо, чтобы последовательности соответствующих участков были комплементрны. Это называют палиндромами (палиндром — это последовательность, которая в обоих направлениях читается одинаково, например, "А роза упала на лапу Азора" или, если речь идет о ДНК
3'-GACGTC-5'
5'-CTGCAG-3'
Палиндромы образуют шпильки в РНК. Они же могут образовывать шпильки и в ДНК, но так как ДНК двуспиральная, то шпильки на обеих нитях выглядят как крестообразная структура. В процессе функционирования структура может меняться, и один и тот же участок нуклеиновой кислоты может входить то в одну, то в другую шпильку.
Белки образуют вторичные структуры нескольких типов. Наиболее распространены из них два: α-спираль и β-структура. При образовании α-спирали аминокислота взаимодействует с четвертой от нее аминокислотой. То есть, спираль устроена так, что четвертая аминокислота находится над первой. Если они способны образовать водородную связь, то спираль стабилизируется. Вся α-спираль может быть скреплена подобными связями, β-структура — развернутая структура, в которой аминокислотная цепь вытянута. Образованию α-спирали препятствуют пролин (аминокислота, в которой карбоксильная группа и азот жестко закреплены, и в ней невозможно вращение вокруг связей С-С) и одноименно заряженные аминокислоты (они просто отталкиваются друг от друга, не давая спирали образоваться).
В формировании пространственной структуры биополимеров участвуют так называемые гидрофобные взаимодействия и водородные связи. В гидрофобные взаимодействия вступают вещества, молекулы которых состоят из неполярных групп, плохо растворимых в воде (пример: жирные кислоты). В водном растворе ассоциация полярных групп приводит к уменьшению площади контакта гидрофобных групп с диполями воды и снижению потенциальной энергии молекул.
Водородные связи образуются между двумя группами, одна из которых представлена отрицательным концом диполя, а вторая является донором протона. Донором протона, например, может быть молекула воды, или NH2 — группа.
Все белки состоят из а-аминокислот. В данном случае греческие буквы указывают позицию углерода в соединении, к которому присоединена аминогруппа. От считывать договорились от карбоксильной группы. Существуют и β-, и γ-аминокислоты, но просто они не входят в состав белка. Например, в молекуле γ-аминомаслянной кислоты (сокращенно ГАМК) аминогруппа присоединена к третьему атому углерода, который обозначается буквой γ. ГАМК работает в тормозных нейронах, и ее прописывают как лекарство людям с повышенной тревожностью.
Отметим, что хотя вторичная структура белка также называется α- или β-спираль, это не означает, что α-структура состоит из а-аминокислот, β-структура из чего-то другого. Все белки, независимо от типа их вторичной структуры, состоят из L-изомеров а-аминокислот.
При расчете вторичной структуры белка, то есть возможности образования альфа-спиралей и других элементов вторичной структуры, анализируя расположение аминокислот, учитывают, возможно ли взаимодействие аминокислот в позициях 1–4, учитывают наличие рядом заряженных аминокислот, определяют, какие участки белка могли образовать а-спираль, проверяют не мешает ли пролин образованию альфа-спирали. Для β-структур тоже есть свои характеристики, их выявляют, и размечают на первичной последовательности. Затем рассчитывают третичную структуру, то есть, определяют, как α-спирали и β-струткуры располагаются в пространстве один относительно другого. Методы расчета третичной структуры не всегда дают точные результаты. Они созданы на основе изучения экспериментально установленной третичной структуры белков методом рентгеноструктурного анализа кристаллов белка. Однако не для всех белков удается получить кристаллы.
В образовании вторичной и третичной структуры белка участвуют:
1. Ковалентные связи между остатками двух цистеинов (дисульфидные мостики). Цистеин содержит SH-группу, и два цистеина могут взаимодействовать друг с другом через сульфидный мостик (R-SH + HS-R => R-S-S-R + 2Н+). Такие мостики скрепляют пространственную структуру белка. Они могут быть разорваны каким-нибудь восстанавливающим агентом, а могут быть, потом опять восстановлены.
2. Ионные (электростатические) взаимодействия между противоположно заряженными аминокислотными остатками. Например, между 8-аминогруппой лизина (NН3+ — группой) и карбоксильной группой (СOO-) глутаминовой или аспарагиновой кислоты.
3. Водородные связи. Участвуют все аминокислоты, имеющие гидроксильные, амидные или карбоксильные группы