6.2.2. Вторинна структура

Завдяки використанню прецизійного фізичного методу рентгеноструктурного аналізу вчені відкрили вторинну структуру макромолекул, яка полягає в тому, що поряд з лінійними ділянками в біополімерах були знайдені також ділянки, певним чином скручені в спіраль або в якусь іншу конформацію. Це явище локального впорядкування біополімерних лацюгів було відкрито як для білків (Астбюрі, Полінг, Корі та інші; саме Полінг отримав Нобелівську премію за відкриття цієї тонкої структури білків), так і для нуклеїнових кислот (вже згадане вище відкриття спіральної структури ДНК Франкліном, Криком, Уотсоном і Уілкинзом).

На мал. 6.8 зображена модель -спіралі поліпептид­ного ланцюга білкової молекули, що закручена направо за стрілкою годинника. Основна причина утворення вторинної структури – це наявність водневих зв’язків між амінокис­лот­ни­ми залишками. Виявилося, що на кожний крок спіралі приходиться 3.6 амінокислотних залишка, а через 5 кроків спіралі (ця ділянка містить відповідно 18 амінокислот) конфігу­ра­ція поліпептидного ланцюга повторюється. Як показали дані рентгеноструктурного аналізу, просторовий крок спіралі дорівнює 0.54 нм, а відповідно просторовий період повторення -спіралі складає 50.54 нм = 2.7 нм. Напрямок водневих зв’язків в -спіралі виявився паралель­ним до вісі спіралі. Стабілізація спіральної конформації відбувається завдяки водневим зв’язкам між групами С=О і Н-N кожної першої і четвертої пептидної одиниці.

Мал. 6.8. Модель -спіралі білкової молекули.

Полінг і Корі встановили, що окрім -спіралі в білках існують ще інші стійкі конформації поліпептидного ланцю­га (наприклад, паралельна і антипаралельна -форми тощо). Всі ці стійкі конформації поліпептидного ланцюга, що визначають вторинну структуру білків, зобов’язані своїм існуванням і стабільністю, як і у випадку -спіралі, водне­вим зв’язкам.

Вторинна структура нуклеїнових кислот (зокрема, ДНК) пов’язана, як вже згадувалося, з наявністю подвійної спіралі, яка складається з двох полінуклеотидних ланцюгів. В цих взаємно перевитих спіральних ланцюгах пуринові азотисті основи одного ланцюга з’єднані водневими зв’язками з відповідними піримідиновими азотистими осно­ва­ми другого ланцюга. З’єднання азотистих основ відбува­ється за наступним правилом Чаргаффа: незважаючи на те, що кількість азотистих основ А, Г, Т, Ц може змінюватися досить в широких межах від виду до виду, але завжди кількість пуринових основ в точності дорівнює кількості піримідинових основ. Точніше кажучи, аденін і гуанін в одному ланцюгу зв’язані у строгій відповідності з тиміном і цитозином в другому ланцюгу, утворюючи так звані “уотсон-криківські пари” АТ і ГЦ (мал. 6.9).

Мал. 6.9. “Уот­сон-криківські” пари в подвійній спіралі ДНК.

Слід зазначити, що в парах азотистих основ АТ і особливо в парах ГЦ значна роль належить диполь-диполь­ним (Ван-дер-Ваальсівським) взаємодіям. Ці взаємодії ста­ють дуже помітними, коли подвійна спіраль розділяється з утворенням двох окремих ланцюгів. При цьому водневі зв’язки між азотистими основами замінюються на зв’язки з молекулами води.

Температура плавлення ДНК Т_пл може бути апроксимо­вана наступною формулою:

Т_пл = Т_ГЦ х + Т_АТ (1 – х),

де Т_ГЦ  110 ^оС і Т_АТ  69 ^оС – температура плавлення відпо­відно пар ГЦ і АТ, а х – концентрація (мольна доля) пар ГЦ в ДНК.

Окремі (розділені) поліпептидні ланцюги скручуються в клубки. Цей процес зветься фазовим переходом спіраль-клубок або денатурацією. Він відбувається не лише при нагріванні, але й при додаванні кислот, спиртів та деяких інших хімічних сполук.