4.2. Структурна організація білків та нуклеїнових кислот

Структурна організація біополімерів - білків і нуклеїно­вих кислот - має першочергове значення для розуміння їх функцій в живих організмах, з'ясування молекулярної природи живого. Протягом XX століття був пройдений складний і дуже цікавий шлях у напрямі розкриття структури і функцій біополімерів.

Назвемо лише три визначальні реперні точки на цьому столітньому шляху:

1. У 1902 р. Фішер запропонував поліпептидну теорію структурної організації біополімерів.

2. У 1952 р. Франклін, Крик, Уотсон і Уілкінз експери­ментально довели, що молекули ДНК, які несуть в собі генетичну інформацію, мають спіральну структуру.

3. На початку 2000 р. американська компанія "Селера Дженомікс" оголосила про завершення основного етапу міжнародної програми "Геном людини", яка має за мету розкриття послідовності нуклеотидів в інформаційних макромолекулах, що, по суті, дає змогу на молекулярному рівні визначити патологічні процеси в організмі людини і розробляти ефективні методи їх запобігання.

Перейдемо безпосередньо до класифікації структурної організації білків і нуклеїнових кислот. Табл. 4.5 містить в собі відомості про чотири види структурної організації біополімерів, типи впорядкування та характер взаємодій, що їм відповідають.

Таблиця 4.5. Структурна організація біополімерів

4.2.1. Первинна структура

Макромолекули білків і нуклеїнових кислот характери­зуються чітко відповідною послідовністю мономерів, а саме: в білках - послідовністю амінокислотних залишків в поліпептидному ланцюгу, в нуклеїнових кислотах - послідовністю окремих нуклеотидів в полінуклеотидному ланцюгу. Окремі ділянки цих ланцюгів, тобто поруч розташовані амінокислоти та нуклеотиди, пов'язані між собою дуже сильними хімічними ковалентними зв'язками, величина яких може досягати До речі, середня теплова енергія одноатомних молекул при кімнатній температурі має величину що майже в 220 разів менше, ніж вказана вище енергія зв'язку мономерів в білках та нуклеїнових кислотах.

Послідовність мономерів (амінокислот в поліпептид­ному ланцюгу білків та нуклеотидів в полінуклеотидному ланцюгу нуклеїнових кислот) визначає первинну структуру макромолекул. Саме з'ясування первинної структури гене­тичних макромолекул людини і є головною метою згаданої вище програми "Геном людини", що здавалася фантастич­ним проектом ще 10 років тому і яка стала дійсністю в 2000 році. І нині вже здаються фантастичними медичні наслідки цієї програми, які можуть стати реальністю через 5-10 років.

Розглянемо більш детально первинну структуру білків, що визначається послідовністю амінокислот. Амінокислоти мають дві частини: 1) однакову для всіх амінокислот пептидну групу; 2) бокову групу (БГ), від якої залежить специфіка амінокислоти. Всього таких різних бокових груп (і відповідно амінокислот) може бути 20. Кожний пептидний блок поліпептидного ланцюга складається з ковалентно пов’язаних атомів(рис 4.7). До альфа-вуглецевого атомаприєднується бокова група також за допомогою ковалентного зв'язку. Різні пептидні блоки із своєю боковою групою з'єднуються в поліпептидний ланцюг внаслідок ковалентного зв'язку між атомом вуглецю одного пептидного блоку та атомом азотудругого пептидного блоку.

Рис. 4.7. Схема будови поліпептидного ланцюга білкової молекули.

Двадцять амінокислот, що відрізняються своїми боко­вими групами (амінокислотними залишками), об'єднуються в три класи відповідно до їх фізичних властивостей, що визначаються характером притаманних їм взаємодій. Ця специфіка амінокислот визначає їх просторову структуру, а саме: вторинну, третинну і четвертинну структуру білків.

До першого класу віднесемо п'ять заряджених аміно­кислотних залишків: а) додатно заряджені (аргинін, гісти­дин, лізин); б) від'ємно заряджені (аспарагінова кислота, глутамінова кислота). У табл. 6.6 наведені структурні фор­мули цих заряджених амінокислотних залишків, що через альфа-вуглецевий атом(чорне коло) приєднується до пептидної частини амінокислоти. Амінокислотні залишки першого класу здатні на кулонівські (іон-іонні) та інші електростатичні взаємодії (іон-дипольні, іон-квадрупольні тощо).

До другого класу відносяться сім полярних аміно­кислотних залишків, тобто таких, що є, в цілому, електро-нейтральними, але мають дипольний момент через просто­рове рознесення додатного і від'ємного сумарних зарядів (табл. 4.7). Ці амінокислотні залишки забезпечують диполь-дипольну взаємодію різних типів.

І нарешті, найбільший, третій клас складається з восьми неполярних амінокислотних залишків (табл. 4.8). Для них є характерними ефекти гідрофобної взаємодії.

Первинна структура нуклеїнових кислот визначаєть­ся послідовністю мономерів (нуклеотидів) в полінуклеїдному ланцюгу. Кожний нуклеотид складається з фосфату і сахару, які пов'язані сильними ковалентними силами і тим самим визначають міцність ланцюга, а також азотних основ двох типів - пуринових (аденін А і гуанін Г) та піримідинових (тимін Т, цитозин Ц і урацил У).

Таблиця 4.6. Заряджені амінокислотні залишки

Таблиця 4.7. Полярні амінокислотні залишки

Видатним досягненням молекулярної біології, яка роз­винулася в потужну науку в другій половині XX століття і, безумовно, визначиться як передова наука в XXI столітті, є відкриття та розшифровка генетичної ролі дезоксири­бонуклеїнової (ДНК) і рибонуклеїнової (РНК) кислот. Ця роль, коротко кажучи, зводиться до таких процесів:

Таблиця 4.8. Неполярні амінокислотні залишки

1) транскрипція - процес, внаслідок якого інформація, що записана в ДНК, переписується в РНК і передається до рибосомів;

2) трансляція - процес синтезу білків відповідно до інформації, що записана в матричній РНК;

3) білково-нуклеїнове розпізнавання - процес, внаслі­док якого вільні амінокислоти приєднуються за допомогою транспортної РНК, яка їх впізнає, до поліпептидного білкового ланцюга.