26_Структурная организация НК и белков

1. Структурная организация нуклеиновых кислот и белков.

Белки. Определение. Первичная структура белковой молекулы.

Белки – полимеры, мономерами кот. являются аминокислоты, связанные пептидной связью.

Первичная структура – порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи и местоположение дисульфидных мостиков (-S-S- связей). Полипептидная цепь содержит на одном конце свободную аминогруппу (N-конец), на другом — карбоксильную группу (С-конец). За начало цепи принимается ее N-конец.

Основная связь первичной структуры белков – пептидная. Особенности строения пептидной связи: 1. Кислород и водород находятся в транс-положении по отношению к оси – С – N –. 2. Основным состоянием пептидной цепи является промежуточное состояние м/д двумя крайними, когда на О небольшой «-», а на N – небольшой «+» заряд. Т.е. пептидная связь (0,132 нм) является промежуточной м/д одинарной (0,146 нм) и двойной (0,127 нм). При такой структуре пептидная связь является плоской и вращение С - N в пептидной связи невозможно. Однако в каждом аминокислотном звене есть α-углеродный атом, который обусловливает присутствие в этом звене двух одинарных связей; вокруг этих связей возможно вращение. Углы вращения одинарных связей называются торсионными и обозначаются через φ (N — Сα) и ψ(С — Сα). Число возможных комбинаций торсионных углов велико, и многие из них реализуются в белках.

Вторичная структура белка как упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учёта типа и конформации боковых радикалов аминокислот. Образуется за счёт замыкания водородных связей между пептидными группами. Разделение на упорядоченные и аморфные области. Ансамбли сверхвторичной структуры и домены.

Вторичная структура — это упорядоченное пространственное расположение отдельных участков полипептидной цепи без учета типа и конформации боковых радикалов аминокислот. Она образуется за счет замыкания водородных связей между пептидными группами. Вторичная структура представлена в основном такими регулярными структурами как α-спираль, складчатые слои (β-структура), β-изгиб. Часть полипептидной цепи не имеет упорядоченного строения, такие участки называют аморфными или бесструктурными областями.

α-спирали - торсионные углы близки к —60, —45°, все водородные связи примерно параллельны оси спирали и коллинеарны друг другу, что отвечает минимуму свободной энергии; каждая карбонильная группа образует водородную связь с четвертой по ходу цепи NH-группой, замыкается максимально возможное число водородных связей, что придает прочность этой структуре. Параметры: число аминокислотных остатков на виток спирали — 3,6; число атомов в витке, замыкаемом водородной связью, — 13; диаметр спирали —0,5 им; шаг спирали —0,54 нм, проекция остатка на ось – 0,15 нм.

В природных белках обнаружены только правые α-спирали. Боковые радикалы аминокислот в α-спирали обращены наружу и расположены по разные стороны от ее оси. Неполярные боковые радикалы аминокислот обычно группируются на одной стороне α-спирали, образуя неполярные дуги; это создает условия для сближения разных спиральных участков.

Складчатые структуры – торсионные углы φ и ψ близки к —120, + 135°. Тоже являются спиральными, но здесь эта спираль сильно вытянута. Параметры: число остатков на «виток» равно 2 (в плоском складчатом слое) или 2,3 (в слегка скрученном слое), проекция остатка на ось — 0,33 нм, радиус «спирали» — 0,1 нм. Складчатые участки полипептидной цепи проявляют кооперативные свойства, т. е. стремятся расположиться рядом в белковой молекуле, и формируют параллельные и антипараллельные β-складчатые слои/листы, которые укрепляются благодаря водородным связям между складчатыми участками цепи.

Антипараллельная структура образуется, в том случае, если складчатая цепь делает поворот назад и идет вдоль самой себя, т. е. в обратном направлении; в месте поворота образуется β-изгиб. В β-изгиб входят четыре последовательно расположенных аминокислотных остатка. Антипараллельность цепей создает наиболее благоприятные условия для возникновения водородных связей между ними при участии пептидных групп. Водородные связи располагаются под углами к цепям.

Параллельная β-структура складывается участками из полипептидной цепи, направления которых совпадают. В случае параллельного расположения цепей в структуре складчатого β-слоя водородные связи между цепями менее прочны, расположены перпендикулярно к цепям.

Боковые радикалы аминокислотных остатков (связи С_α — С_β) приблизительно перпендикулярны плоскости β-складчатых слоев, причем боковые цепи аминокислот ориентированы поочередно то по одну, то по другую сторону этой плоскости.

На некоторых участках белковой цепи встречается нерегулярная укладка аминокислотных остатков в пространстве, которая также удерживается благодаря водородным связям и гидрофобным взаимодействиям. Такие области в белковой молекуле называются неупорядоченными, бесструктурными или аморфными.

α-спиральные и β-структурные участки в белках могут взаимодействовать друг с другом и между собой, образуя ансамбли. Пространственное строение таких ансамблей вторичной структуры называют сверхвторичной структурой белковой молекулы.

Суперспирализованная α-спираль – две α-спирали скручены друг относительно друга, образуя левую суперспираль. Сверхспираль могут образовывать α-спирали, расположенные как параллельно, так и антипараллельно. Встречаются в глобулярных белках (бактериородопсин, гемэритрин), а чаще и в наиболее упорядоченной форме — в фибриллярных белках. Суперспирализация выгодна энергетически, так как между боковыми радикалами аминокислот, принадлежащих разным α-спиралям, образуются дополнительные нековалентные контакты (ван-дер-ваальсовые).

β*β-звено – состоит из двух параллельных β-слоев с сочленением между ними в виде неупорядоченного клубка (βсβ), α-спирали (βαβ) = укладка цепи по Россману (βαβαβ-звено), β-структуры (βββ) = антипараллельная трехцепочечная β-структура/зигзаг.

Домены – структурно и функционально обособленные области (субобласти) молекулы, соединенные друг с другом короткими участками полипептидной цепи, которые называются шарнирными участками. Функциональные домены могут состоять из одного или нескольких структурных доменов. Структурные домены содержаться в ферментах (фермент состоит из 2х полипептидных цепей, к каждой цепи 3 структурных домена). Домены выполняют определенную функцию при действии фермента. М/д доменами в углублении располагается активный центр.

Третичная структура. Фибриллярность и глобулярность. Обеспечение третичной структуры за счёт водородных, ионных, ванн-дер-ваальсовых, ковалентных (дисульфидных) связей и гидрофобных взаимодействий, формируемых боковыми радикалами аминокислот.

Третичная структура – пространственное расположение упорядоченных и аморфных участков в полипептидной цепи в целом, которое достигается за счет взаимодействия боковых радикалов и зависит от их типа и конформации (пространственная укладка всей молекулы белка, если она образована одной полипептидной цепью).

По форме, кот. характеризуется показателем «степень асимметрии» (отношение длинной оси молекулы к короткой): нитевидные/фибриллярные – белки, имеющие степень асимметрии 80 и выше (фиброин шелка, кератин волос, рогов, копыт, коллаген соединительной ткани); глобулярные – белки со степенью асимметрии менее 80 белки, большинство из них имеет степень асимметрии 3—5, третичная структура их характеризуется достаточно плотной упаковкой полипептидной цепи в виде клубкообразной молекулы, приближающейся по форме к шару.

В поддержании третичной структуры глобулярных белков, ее закреплении принимают участие различные типы связей: ковалентные, ионные/солевые, водородные и гидрофобные взаимодействия (указаны в порядке убывания энергии связи). Преимущественную роль в формировании третичной структуры отводят гидрофобным взаимодействиям, возникающим между неполярными боковыми радикалами аминокислот.

Ковалентные связи, участвующие в поддержании третичной структуры белка, представлены дисульфидными (возникают между двумя близко расположенными SH-группами боковых цепей цистеина) и пептидными связями (образованы за счет амино- и карбоксильных групп боковых радикалов аминокислот). К замыканию ковалентных дисульфидных связей (—S—S—) приводит окисление сульфгидрильных (тиольных) групп в присутствии кислорода или некоторых других реагентов, либо эти связи образуются самопроизвольно, если тиольные группы в результате пространственной укладки полипептидной цепи оказываются расположенными рядом, т. е. дисульфидные связи стабилизируют конформацию молекулы, но не определяют характер свертывания полипептидной цепи. Часто встречаются в секретируемых белках (змеиные яды, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки молока и др.). Наличием большого числа дисульфидных мостиков в фибриллярных белках (например, кератине), способных к взаимному превращению с сульфгидрильными группами, т. е. к временному разрыву и образованию заново, отчасти объясняются свойства вязкости и эластичности этих белков. Дисульфидные мостики никогда не образуются между соседними остатками цистеина.

Солевые/ионные связи возникают между группами белков, имеющими противоположные заряды, т. е. между боковыми радикалами аминокислот, диссоциированными по кислотному и основному типам. Группы, способные к ионизации, и полярные группы аминокислот обычно находятся на поверхности белковой глобулы и реже встречаются внутри. Заряженные группы на поверхности белковой глобулы обычно сольватированы и окружены противоионами, что увеличивает растворимость белков в водной среде. Полярные боковые радикалы аминокислот, находящиеся внутри белковой молекулы, обычно образует водородные связи между собой или с полипептидным остовам.

Нахождение заряженных групп внутри глобулы энергетически невыгодно, поэтому они там встречаются редко. Если все-таки заряженные группы локализуются внутри глобулы, то они образуют солевые мостики.

Гидрофобное взаимодействие имеет преимущественную роль в формировании III структуры. Возникает м/д неполярными и полярными боковыми радикалами аминокислот. Боковые радикалы, не имеющие сродства к воде, оказываются компактно упакованными, в основном, внутри глобулы, образуя гидрофобные области, стабилизирующие третичную структуру молекулы. Гидрофобные области (ядра) в центре белковой глобулы имеют высокую плотность упаковки, характерную для многих кристаллов, что свидетельствует об эффективном использовании нековалентных сил при организации пространственной структуры белковой молекулы. Небольшая часть неполярных радикалов может находиться на поверхности молекулы, и, скапливаясь, образовывать гидрофобные кластеры. Таким образом, в целом поверхность белковой глобулы мозаична; в основном гидрофильна, но содержит и небольшие неполярные участки.

Наиболее слабые связи между молекулами обусловлены дисперсионными силами ван-дер-ваальсова притяжения (иногда их называют ван-дер-ваальсовыми связями). Они возникают только на достаточно малом расстоянии между молекулами и имеют в основе кулоновские силы электростатического притяжения. Ядра внутри электронных оболочек атомов находятся в постоянном колебательном движении, поэтому возможно временное смещение электронных орбит относительно ядра, что ведет к образованию диполя. Последние существуют короткое время, но оно достаточно для возникновения согласованной ориентации между молекулами.

Водородные связи возникают между двумя электроотрицательными атомами, когда протон водорода, кова­лентно связанный с одним из этих атомов, располагается между ними. Электроотрицательными (т. е. обладающими повышенной способностью притягивать электроны) являются атомы О, N, F, реже в образовании водородных связей участвуют С1 и S. Атом водорода содержит единственный электрон, и когда последний ухо­дит на образование ковалентной связи, ядро остается без электрон­ных слоев. Такой водород, т. е. протон, не отталкивается, естест­венно, электронными облаками соседних атомов, а наоборот, при­тягивается ими, образуя водородную связь.

Обязательное условие образования водородной связи — нали­чие у электроотрицательного атома хотя бы одной свободной пары электронов, к которым будет притягиваться атом водорода. Элект­роотрицательные атомы обладают повышенным сродством к электронам, поэтому они заполняют электронами весь внешний слой (8 электронов), как бы перегружаясь отрицательными заря­дами. При этом если возникает пара свободных электронов, она взаимодействует с протоном.

Только после приобретения белком нативной третичной структуры он проявляет свою специфическую функциональную активность.

Четвертичная структура. Поддержание гидрофобными, ионными и водородными взаимодействиями. Характерна не для всех белков.

Четвертичная структура – способ взаимного расположения в пространстве отдельных полипептидных цепей в молекуле, характер связей между ними. Каждая отдельная полипептидная цепь в составе молекулы белка с четвертичной структурой называется протомером/субъединицей. Четвертичную структуру имеют те белки, молекула которых состоит из двух и более полипептидных цепей, связанных нековалентно. Четвертичная структура характерна, как правило, для белков, относительная молекулярная масса которых больше 50 000—100 000. Белки, имеющие четвертичную структуру, называются олигомерными. К белкам с четвертичной структурой относят иногда и сложные надмолекулярные белковые структуры, в которых объединяются до нескольких сотен субъединиц – мультимерные (жгутики бактерий, головки вирусов). Объединение протомеров в любом неопределенном количестве, не ведущее к появлению новых биологических свойств белка, называют в отличие от четвертичной структуры агрегированным состоянием.

Внутриклеточные белки – олигомеры. Присутствие их в клетке снижает вязкость, осмотическое давление. Для их кодирования требуется меньше генетического материала. В этом случае меньшая вероятность возникновения дефектных молекул. Большая молекулярная масса белков — мономеров плазмы крови (>60 000) — препятствует их фильтрации и выделению почками, легкому проникновению во внешнее пространство. Примером такого белка служит сывороточный альбумин, содержащий несколько функцио-нальных доменов. Внеклеточные – мономеры, что связывается с неопределенностью судьбы молекул и, как следствие, целесообразностью существования большого числа независимых единиц, характерны для ферментов пищеварительного тракта, лизоцима слюны.

Четвертичная структура образована изологическими и гетерологическими взаимодействиями м/д молекулами. Гетерологическое взаимодействие – каждая из субъединиц одного типа имеет взаимнокомплиментарные участки а и b. При соединении 2х таких участков, орстаются свободные а и b концы, к кот. присоединяются аналогичные субъединицы, причем в одних случаях образуются длинные цепи, в других — кольцо или спираль. Кольца, образованные только за счет гетерологических взаимодействий обладают циклической симметрией: при повороте вокруг оси симметрии на определенный угол каждая субъединица может быть совмещена со следующей. В зависимости от геометрии субъединиц их число в кольце может быть различным. Если углы, возникающие между двумя субъединицами, не приводят к замыканию кольца, образуется спираль.

Если две одинаковые субъединицы белка образуют пару идентичных связей типа ab, такое взаимодействие называется изологическим. Подобная структура обладает осью симметрии второго порядка, т. е. каждая точка одной субъединицы может быть совмещена с такой же точкой другой субъединицы при повороте вокруг оси симметрии на 360°/2=180°. При наложении двух изологических димеров друг на друга между ними могут возникать дополнительные изологические связи, при этом образуются тетрамерные структуры с диэдрической симметрией.

Между субъединицами, составляющими молекулу белка с четвертичной структурой, могут возникать связи различных типов: гидрофобные взаимодействия, ионные и водородные связи. Контактные поверхности субъединиц, формирующих четвертичную структуру, комплементарны, что вносит свой вклад в упрочение молекул белка. Специфичность ассоциации достигается комплементарностью профилей контактных поверхностей, а также оптимальным взаиморасположением доноров и акцепторов водородных связей и заряженных остатков. Однако основными связями, закрепляющими четвертичную структуру, являются гидрофобные. Имеются гидрофобные участки («липкие» пятна) на контактирующих поверхностях протомеров, которые мешают воде образовывать межмолекулярные связи, иммобилизуют ее. Так как все протомеры четвертичной структуры прочно связаны друг с другом (пусть нековалентно) и только будучи объединенными выполняют возникающую при этом биологическую функцию, всю систему следует считать одной молекулой.

Нуклеиновые кислоты. Определение. Первичная структура НК.

Нуклеиновые кислоты - это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Первичная структура нуклеиновых кислот (как ДНК, так и РНК) - это последовательность чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи от 5'-конца к 3'-концу. Связи, создающие эту структуру - ковалентные, фосфодиэфирные, между пентозами, входящими в состав соседних нуклеотидов. Остаток фосфорной кислоты соединяет С-3’-атом пентозы первого нуклеотида с С-5'-атомом последующего. Поэтому полинуклеотидная цепь имеет определенное направление. На одном ее конце в нуклеотиде свободна (реже - фосфорилирована) ОН-группа у С-5' пентозы, а С-3'-ОН-группа занята. Такой нуклеотид считают первым в цепи, а начало полинуклеотидов обозначают как 5’-конец. На другом конце цепи находится нуклеотид, в котором занят С-5' пентозы, а С-3' — свободен. Это - конец полинуклеотидной цепи, или 3'-конец.

рРНК – преоблагание гуаниловых нуклеотидов.

тРНК – маленькая длина - 70-90 нуклеотидов, большое количество минорных нуклеотидов в их составе (различные метилированные нуклеотиды, псевдоуридин, дигидроуридин, а также тимидин, типичный для ДНК, но не для РНК). Кроме того, любая тРНК заканчивается последовательностью 5-ЦЦА-З'.

Вторичная структура как пространственное расположение одной или двух полинуклеотидных цепей без учёта суперспирализации. Связи: водородные между комплементарными азотистыми основаниями и стэкинг-взаимодействия между плоскостями азотистых оснований. Антипараллельные нити во вторичной структуре ДНК. «Клеверный лист» - для тРНК. V или Y –образная структура для рРНК, шпильки – для мРНК.

Вторичная структура нуклеиновых кислот - это пространственная укладка одной или нескольких полинуклеотидных цепей без возникновения суперспирализации. Связи, создающие эту структуру - двух видов:

а) водородные - между комплементарными азотистыми основаниями, действуют “по горизонтали”:

Аленин - Тимин (или Урацил) - взаимодействуют двумя водородными связями в положениях 1:3,6:4.

Гуанин - Цитозин - взаимодействуют тремя связями в положениях 1:3, 6:4 и 2:2

6. стэкинг-взаимодействия. В водных растворах и в кристаллах нуклеотиды в полинуклеотидной цепи стремятся расположиться так, чтобы плоскости их азотистых оснований были параллельны друг другу, образуя “стопку”. Взаимодействия соседних азотистых оснований в этой стопке и называют стэкинг-взаимодействиями. Они обусловлены в основном ван-дер- ваальсовыми силами. Чем больше “стопка” азотистых оснований, тем больший вклад в сохранение вторичной структуры вносят стэкинг-взаимодействия.

Вторичная структура ДНК прокариот заключается в образовании одноцепочечных или двуцепочечных кольцевых или линейных молекул.

У эукариот основная (ядерная) ДНК всегда линейна и двуцепочечна. Две полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК взаимозакручены, образуя двойную спираль (хеликс) вокруг общей оси, причем в целом молекулу ДНК можно сравнить с винтовой лестницей. Снаружи располагается основа “лестницы” - гидрофильный углеводно-фосфатный остов, а “ступеньки” образованы парами гидрофобных комплементарных азотистых оснований.

Основными особенностями ДНК эукариот являются:

• антипараллельность, то есть 5'-концу одной'цепи соответствует 3'- конец другой цепи:

5'→3'

3'←5'

• комплементарность, например:

5’-А АТГГЦАТЦЦТ АГГ-3 ’

3’-ТТАЦЦГТАГГАТЦЦ-5'

Для рРНК во вторичной структуре - отмечают значительное число “шпилек” - коротких двуспиральных участков со спаренными основаниями и петель. Такие участки в рРНК занимают не менее 2/3 всей молекулы. В целом рРНК описывают как имеющие V- или Y-подобную форму.

Вторичная структура тРНК напоминает “кленовый” или “клеверный” лист. Возникает характерная пространственная структура, поддерживаемая водородными связями, которые образуются между парами комплементарных азотистых оснований, которые в отличие от ДНК располагаются в одной полинуклеотидной цепи.

Молекулы тРНК содержат четыре стебля, три из которых заканчиваются петлями и еще одну пятую, так называемую добавочную или вариабельную петлю. Последняя необходима для выравнивания размера тРНК для ее вхождения в рибосому при синтезе белка.

Вторичная структура мРНК представлена нерегулярными шпильками.

Третичная структура НК – пространственное расположение молекулы с учётом суперспирализации и взаимодействия со вспомогательными белками. Уровни укладки: нуклеосомный, фибриллярный, хромомерный, и т.д.до формирования хромосом. Г-образная форма третичной структуры – для тРНК. Большая и малая субъединицы рибосом - при взаимодействии рРНК с рибосомальными белками. Для мРНК – рибонуклеопротеиновые комплексы.

Для геномов эукариот характерно наличие сложно организованного хроматина с большим количеством уровней упаковки.

Нуклеосомный. Базовому уровню организации хроматина соответствует нуклеосома, в составе которой ДНК накручена на октамер, образованный белками-гистонами. Намотанная на кор нуклеосомная ДНК имеет форму левозакрученной суперспирали из 1,8 витков. Впоследствии обнаружено, что в составе этой суперспирали только 1.65 витков, так как концевые 10 п.о. нуклеосомной ДНК распрямлены.

Гистоновый кор можно представить в виде цилиндра (диска) диаметром 11 нм и высотой 5,6 нм. В укладке нуклеосомы принимает участие 5 белков-гистонов: HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Четыре последних образуют кор (октамер), на который накручивается ДНК. Гистон Н1 связывается с линкерным участком ДНК, который находится между нуклеосомами и способствует компактной укладке хроматина. Все гистоны являются основными белками, имеющими большое количество положительно заряженных аминокислот (лизина, аргинина, гистидина). Гистоны соединяются с ДНК по средством ионных связей, за счет взаимодействия отрицательного заряда остатка фосфорной кислоты и положительного заряда остатка аминокислоты, диссоциирующей по щелочному типу. Более 90% ДНК в клетке присутствует в составе нуклеосом. После упаковки ДНК в нуклеосомные структуры линейная длина фибриллы уменьшается в 6 раз.

Нуклеомерный (фибриллярный) – 10-11 нм фибрилла - первый наднуклеосомный уровень упаковки хроматина. Наличие гистона Н1 и некоторое повышение ионной силы делают возможным образование из нитей нуклеосом фибрилл диаметром 10 -11 нм. Нити, лишённые гистона Н1, могут складываться лишь в виде неструктурированных глыбок. В составе 10 нм фибриллы нуклеосомы находятся несколько ближе друг другу, чем в Н1-содержащей нити нуклеосом, линкерная ДНК иногда совсем не видна. 10 нм фибрилла, как и Н1-содержащая нить нуклеосом, имеет зигзагообразную форму. Образование 10 нм фибриллы обеспечивает плотность упаковки ~ в 7 раз по сравнению со свободной ДНК.

Из 10 нм фибриллы формируется 30 нм фибрилла, гистон Н1, соединяясь с линкерной ДНК и двумя соседними белковыми телами, сближает их друг с другом. Образуется структура, построенная, возможно, по типу соленоида. В фиблилле 30 нм коэффициент упаковки ДНК составляет примерно 36 - 40.

Хромомерный и хромонемный. Фибриллы 10 и 30 нм укладываются в петли с помощью негистоновых белков, способных узнавать определенные последовательности в ДНК, отдаленные друг от друга на тысячи пар нуклеотидов. Образуются компактные тела (0,1 - 0,2 мкм) - хромомеры и нити - хромонемы. Их уже можно наблюдать в световой микроскоп.

Отдельные участки хромонемы подвергаются дальнейшей укладке, образуя структурные блоки, видимые в интерфазе как глыбки хроматина. В метафазе хроматин суперспирализуется, отдельные хромосомы становятся хорошо различимы.

Третичная структура тРНК достаточно компактна и образуется за счет взаимодействия петель таким образом, что в результате получается структура состоящая из двух взаимно перпендикулярных частей. В одной из них находится акцепторный участок, в другой антикодон.

Для рРНК третичная структура проявляется во взаимодействии с рибосомальными белками.

мРНК преобеетает третичную структуру в комплексе с белками, образуя рибонуклеопротеиновые частицы.