Один ген – одна полипептидная цепь
В 40-е гг. концепция «один ген – один фермент» не привлекла особого внимания из-за основного вопроса – как неактивные мутантные формы ферментов влияют на фенотип. Вскоре гипотеза была модифицирована, поскольку стало ясно, что почти все ферменты – белки, но далеко не все белки – ферменты. Поэтому появилась гипотеза «один ген – один белок». Белки часто состоят из субъединиц, содержащих две или более полипептидные цепи. Современная форма гипотезы – «один ген – одна полипептидная цепь».
Серповидноклеточная анемия
В 1949 г. – Дж. Нил и Е.А. Бит показали, что СКА наследуется по Менделю – 3 генотипа и фенотипа с парой аллелей. 1949 г. – Лайнус Полинг – молекулярный механизм возникновения СКА. Гемоглобин здоровых и больных имеет разную электрофоретическую подвижность – значит и химическую структуру. Из работы следовало две возможности изменения свойств гемоглобина.
Гемоглобин – 4 небелковых железосодержащих гема и глобин из 4 полипептидных цепей.
1954-1957 гг. – В. Ингрэм показал, что химические изменения затрагивают первичную структуру глобина. Аминокислотный состав отличается у нормального и СКА гемоглобина, причем выявлено отличие только по одному пептиду (замена в 6 позиции бета-цепи валина на глутаминовую кислоту).
Замещение одной аминокислоты приводит к мутации, изменяющей фенотип.
Коллинеарность между генами и полипептидами
Коллинеарность между молекулами ДНК и белков – последовательность нуклеотидов в ДНК прямо соответствует последовательности аминокислот в кодируемом полипептиде.
Первые экспериментальные доказательства получил Ч. Яновски на гене trpA, кодирующем А-субъединицу триптофан синтетазы E coli. Он изолировал множество независимых мутаций и локализовал мутантные сайты в пределах одного гена. Затем определил аминокислотные замены в каждом из мутантных белков. Локализация отдельных мутаций в гене trpA коррелирует с соответствующими заменами в молекуле А- субъединицы фермента
Полинг (Nobel 1954) изолировал нормальные (HbA) и серповидные (HbS) молекулы гемоглобина человека и отделил их с помощью электрофореза.
Гомозиготные особи (АА и SS) производят разные полосы, в то время как гетерозиготы (AS) дают две полосы, что указывает на обладание индивидом обоих типов белков.
Белок расщепляется на пептидные фрагменты протеолитическими ферментами.
Затем смесь подвергали электрофорезу на бумаге, а затем бумажной хроматографии под углом 90 ° к направлению электрофореза.
В результате двумерный "отпечаток", показывает, что нормальный гемоглобин HbA и серповидно-клеточный HbS отличаются одним пептидным фрагментом.
Дальнейший анализ показывает изменение одной аминокислоты кислоты: валин заменен глутаминовой кислотой на 6-й позиции бета- цепи.
Fingerprint analysis
Коллинеарность в гене trpA, который кодирует A субъединицу фермента триптофан синтетазы в E.coli показана при сравнении генных карт нескольких мутантов и положения измененных аминокислот в каждом мутантном белке.
Структура и биологическое разнообразие белков
Какова структура белков и почему именно онм важны для детерминации клеточной активности? Надо различать полипептиды – предшественники белков, собирающиеся на рибосомах в процессе трансляции и белки – трехмерная конформация из нескольких полипептидов, функционально активная.
Каждая аминокислота содержит карбоксильную и аминогруппу и радикал R, ковалентно связанный с центральным атомом углерода. Специфичность аминокислот зависит от радикала –
4 основные класса – неполярные (гидрофобные), полярные (гидрофильнын), отрицательно заряженные и положительно заряженные.
Аминокислоты содержат карбоксильную группу, амино группу и R группу, связанную с центральным углеродом
Группа R (radical) обеспечивает специфичные химические свойства каждой аминокислоты R группа может быть разделена на четыре основных класса:
•nonpolar (hydrophobic)
•polar (hydrophilic)
•negatively charged
•positively charged
Ковалентная пептидная связь образуется, когда аминогруппа одной аминокислоты реагирует с карбоксильной группой другой аминокислоты в реакции дегидратации (конденсации) с выделением молекулы H2O.
Последовательность аминокислот, составляющих полипептид, называется его
первичной структурой.
Известно 4 уровня белковой структуры. Первичная
– линейные полипептиды, вторичная появляется благодаря сближению аминокислот и появлению регулярно повторяющейся конфигурации.
В 1951 г. – Л. Полинг и Р. Корей предположили, что вторичная структура - α -спираль. Возможна и β -структура – складчатая
Как правило, большинство белков содержат смесь альфа-спиральных и бета-складчатых структур