b>ж. Упаковка ДНК в хромосомах

В клетках или вирусах ДНК, по-видимому, никогда не находится в свободной, вытянутой форме. Она связана с низкомолекулярными катионами - ионами двухвалентных металлов либо с ди- и полиаминами или белками, а возможно, с теми и с другими. Взаимодействие осуществляется с помощью электростатических сил - отрицательно заряженные фосфатные группы частично нейтрализуются положительно заряженными ионами металлов и полиаминами или основными аминокислотными остатками белков. В результате таких взаимодействий происходит конденсация ДНК с уменьшением объема, занимаемого молекулой, иногда в тысячу раз. Кольцевая ДНК Е. coli длиной 1,4 мм заключена в клетку, имеющую форму палочки диаметром 1 мкм и длиной 2 мкм; у эукариотических клеток ядерная ДНК длиной почти 2 м в стадии интерфазы заключена в ядре диаметром менее 10 мкм. Ядерная ДНК в клетках, находящихся в стадии митоза, конденсирована еще больше и в световом микроскопе имеет вид очень компактной структуры.

Хромосомы эукариот. Хромосомы эукариотических клеток состоят в основном из хроматина - комплекса двухцепочечной ДНК и пяти гистоновых белков, обозначаемых H1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, ро1у-рибо-зилированы, а гистоны Н2А и Н2В - ковалентно связаны с белком, называемым убиквитином. Какова роль воздействия указанных компонентов на структуру и функции гистонов - до конца не выяснено.

Типичные характеристики гистонов млекопитающих

Тип	Число амино-кислот	Мол. масса. кДа	Число основных амино-кислот	Отно-шение Lys/ /Arg	Число кислых амино-кислот

Гистон H1 млекопитающих состоит из примерно 215 аминокислот; размеры других гистонов варьируют от 100 до 135 аминокислот. Все они содержат необычно большое количество положительно заряженной аминокислоты лизина; Н3 и Н4 отличаются от других тем, что у них достаточно высок уровень положительно заряженной аминокислоты аргинина. Соотношение между Н2А, Н2В, Н3 и Н4, содержащимися в хроматине низших эукариот, такое же, как в хроматине млекопитающих.

На электронно-микроскопических фотографиях в зависимости от условий выделения и степени растяжения хроматин выглядит либо как длинное волокно диаметром 10 нм, либо чаще как более вытянутое волокно с утолщениями - "бусинками" диаметром 10 нм, нанизанными по всей длине волокна с определенными интервалами. Каждая из этих бусинок представляет собой нуклеосомный кор, на который намотан сегмент хромосомной ДНК длиной 145 пар оснований. Кор - это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида. Молекула ДНК, обвиваясь 13/4 раза вокруг нуклеосомного кора, образует сверхспираль.

Пятый гистон, H1, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Он контактирует с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора. В такой структуре с одним гистоновым октамером и молекулой гистона H1 ассоциированы 168 пар оснований спиральной ДНК. Как мы уже отмечали, на электронно-микроскопических фотографиях хроматин часто обнаруживается в двух альтернативных формах: в форме волокна с четко разделенными нуклеосомами или в форме волокна диаметром 10 нм, в котором нуклеосомы упакованы бок о бок по всей его длине. Волокно диаметром 10 нм может подвергаться дальнейшей конденсации с образованием структур более высокого порядка. При этом нуклеосомы, по всей видимости, образуют соленоид - структуру диаметром 30 нм.

В результате взаимодействия ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 168 пар оснований со средним диаметром 2 нм и длиной 57 нм превращается в спираль диаметром 10 нм и длиной 5 нм. При последующем сжатии этой спирали до волокна диаметром 30 нм степень конденсации увеличивается еще в шесть раз. Таким образом, упаковка дуплекса ДНК с пятью гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако даже столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 5000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме.

Эукариотический хроматин содержит и другие белки, которые обычно называют негистоновыми. Некоторые из них, например ферменты, необходимые для репликации и экспрессии ДНК, могут связываться с хроматином временно. Белки, принимающие участие в различных процессах регуляции, связываются с ДНК только в специфических тканях или на определенных стадиях дифференциации.

Хромосомы прокариот. Насколько известно, в упаковке прокариотической геномной ДНК участвуют только два или три белка. О природе взаимодействия этих белков с ДНК и о структуре конденсированного комплекса белок-нуклеиновая кислота известно немного. У Е. coli, по-видимому, существует лишь один белок или один класс ДНК-связывающих белков, называемых HU-белками; по своему размеру, содержанию лизина и аргинина, антигенным свойствам они сходны с эукариотическим гистоном Н2А. Другой белок, белок II, обнаруженный у Е. coli и цианобактерий, по повышенному содержанию лизина и ДНК-связывающим свойствам также напоминает эукариотический гистон.

Некоторые основные РНК

Тип РНК	Приблизительное число разных видов в клетках	Приблизительная длина (число нук-леотидов)	Рас-про-странен-ность"
Транспортная РНК	80-100	75-90	П, Э
(тРНК)
Рибосомная 5S-PHK	1-2	120	П, Э
(рРНК)
Рибосомная 5,8S-PHK	1	155	Э
(рРНК)
Рибосомная 16S-PHK	1	1600	П
(рРНК)
Рибосомная 23S-PHK	1	3200	П
(рРНК)
Рибосомная 18S-PHK	1	1900	Э
(рРНК)
Рибосомная 28S-PHK	1	5000	Э
(рРНК)
Матричная РНК (мРНК)	Тысячи	Варьирует	П, Э
Гетерогенная ядерная	»	»	Э
РНК (гяРНК)
Малая цитоплазмати-	Десятки	90-330	П, Э
ческая РНК (мцРНК)
Малая ядерная РНК	»	58-220	Э
(мяРНК)

Белки HU и II обнаружены в количествах, достаточных для образования комплекса по крайней мере с половиной ДНК Е. coli и, по-видимому, совместно с полиаминами и еще неизвестными нам белками могут осуществлять те же самые функции при конденсации и упаковке ДНК, что и пять эукариотических гистонов.

2. Структура и поведение РНК

а. Типы РНК и их распространенность

Содержание РНК в любых клетках в 5-10 раз превышает содержание ДНК. Основная роль РНК состоит в трансляции генетической информации с образованием белков. Однако молекулы РНК принимают участие и в осуществлении некоторых специализированных эндонуклеазных функций, возможно регулирующих различные этапы экспрессии генов. Молекулами РНК представлены геномы некоторых вирусов.

Во всех клетках присутствуют следующие виды РНК: рибосомная РНК, транспортная РНК и информационная, или матричная, РНК. Большинство клеток содержат также много других малых цитоплазматических РНК, а в клетках эукариот присутствует еще и множество малых ядерных РНК. Около 80% массы клеточных РНК составляют три или четыре вида рРНК, а около 15% - почти 100 видов тРНК. На долю нескольких тысяч различных матричных РНК приходится менее 5% клеточной РНК, а на долю малых ядерной и цитоплазматической РНК, число видов которых пока неизвестно, - менее 2% от общего количества.

б. Компоненты молекулы РНК и соединяющие их химические связи

РНК - это полинуклеотид длиной от 70 мономерных единиц у некоторых тРНК до 10000 и более у некоторых мРНК. Два пурина и один пиримидин входят также в состав ДНК. А вместо тимина в РНК входит урацил, у которого 5-метильная группа отсутствует. Нуклеотиды в молекуле РНК соединены в цепочку такими же 5'-3'-фосфодиэфирными связями, как и в ДНК. Из-за наличия 2'-ОН-группы связь Р-О чувствительна к действию щелочей и ферментов, расщепляющих РНК.

Некоторые пурины и пиримидины в РНК модифицированы: они содержат метил-, тиол-, водород-и изопентенил-заместители. В РНК присутствуют 2'-О-метилнуклеотиды с модифицированным остатком рибозы, а также может наблюдаться иной способ связывания между урацилом и рибозой. Такие модифицированные нуклеотиды довольно редко встречаются в рРНК и мРНК и достаточно часто - в тРНК. Как правило, модификация оснований и рибозных остатков происходит после завершения синтеза РНК, а не на стадии биосинтетических предшественников. Функциональное значение этого явления установлено лишь отчасти.

в. Структура РНК

Большинство клеточных РНК - одноцепочечные молекулы, хотя некоторые вирусные геномы представлены двухцепочечными РНК, напоминающими А-форму ДНК. В одиночных цепях все время образуются короткие внутримолекулярные двухцепочечные участки. Это связано с тем, что в большинстве РНК имеются небольшие комплементарные последовательности, которые спариваются и образуют петли. В таких двухцепочечных участках А спаривается с U, a G с С; G может образовать пару и с U, но GU-пара менее стабильна, чем стандартная пара GC, поскольку ее компоненты соединены двумя, а не тремя водородными связями. Двухцепочечные области, образованные подобным образом, обычно непротяженны и прерывисты, поскольку спаривающиеся участки редко бывают абсолютно комплементарными. Укладка большинства РНК может происходить более чем одним способом, однако биологическое значение образующихся при этом изомеров установлено только в некоторых случаях. Например, известно, что адекватная укладка некоторых вирусных РНК чрезвычайно важна для экспрессии генов, поскольку ответ на ключевые регу-ляторные сигналы зависит от конфигурации молекулы. Подобная зависимость функции от упаковки молекулы наилучшим образом продемонстрирована на примере тРНК. Несмотря на разную нуклеотидную последовательность, третичная структура разнообразных тРНК весьма сходна, и ее стабилизация, по-видимому, имеет огромное значение для функционирования этих молекул. Правильная терминация синтеза РНК и созревание транскрипта тоже часто зависят от характера укладки РНК.

г. Денатурация и ренатурация РНК

Как и в случае ДНК, двухцепочечные участки в РНК разрушаются при повышении температуры или рН, но, в отличие от ДНК, при высоких значениях рН в РНК разрушаются и фосфодиэфирные связи. Поскольку протяженность спирализованных участков в одноцепочечной РНК невелика, а сами спирали несовершенны, разрушаются они довольно легко. Однако полностью комплементарная двухцепочечная РНК плавится в довольно узком температурном интервале, как и двухцепочечная ДНК. В результате денатурации образуются две комплементарные одиночные цепи, способные к последующему воссоединению при плавном понижении температуры. После денатурации двухцепочечных участков одноцепочечной РНК восстановление тех же спаренных областей оказывается затрудненным, и в результате ренатурации могут образоваться структуры, отличные от исходной.

д. Гибридные спирали ДНК-РНК

Полинуклеотидные цепочки РНК и ДНК, имеющие комплементарные последовательности, могут образовывать двойную спираль РНК-ДНК с антипараллельными цепями. Структура таких комплексов напоминает А-ДНК. Спаривание оснований в них отвечает правилам Уотсона-Крика для ДНК: dA спаривается с rU, rA-c dT, dG - c rC и dC - c rG. В дуплексах РНК-ДНК пара оснований rG'dC более стабильна, чем пара dG'rQ и обе они стабильнее пар dG'dC в ДНК; обе пары, dT*^ и rU'dA, менее стабильны, чем пара dA'dT в ДНК. Гибридные спирали, или гетеродуплексы, способны к денатурации и ренатурации, как и дуплексы ДНК. В водных растворах с умеренной концентрацией солей двухцепочечные комплексы РНК-ДНК денатурируют легче, чем соответствующие спирали, состоящие исключительно из цепей РНК и ДНК. В растворах же, содержащих формамид и соли в определенных концентрациях, дуплекс РНК-ДНК стабильнее дуплекса ДНК. Эти условия могут использоваться для образования и специфической стабилизации гибридных дуплексов.

Полинуклеотидные цепи РНК или ДНК считаются комплементарными, если они способны образовать протяженную двойную спираль с уотсон-криковскими парами оснований. Две нуклеиновые кислоты можно назвать гомологичными, если их нуклеотидные последовательности идентичны или очень близки. Гомологичность двух нуклеиновых кислот можно определить по степени образования двойных спиралей соответствующими одиночными цепями РНК, ДНК или гибридов РНК-ДНК. За образованием ДНК-, РНК - и гибридных РНК-ДНК-спиралей можно следить разными способами. В качестве зонда для выявления и количественного анализа гомологичных молекул РНК часто используется одноцепочечная ДНК. Так, степень превращения одноцепочечной РНК в двухцепочечную форму в присутствии другой нуклеиновой кислоты является мерой гомологичности их последовательностей. Используя соответствующего партнера по гибридизации, можно установить протяженность специфической нуклеотидной последовательности и гомологичность двух ДНК, РНК и ДНК, а также двух РНК.

3. Структура белков

а. Компоненты белков и соединяющие их химические связи

Белки состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, каждая из которых в свою очередь представляет собой длинный неразветвленный полимер, состоящий из аминокислот. Все полипептиды независимо от источника - от вирусов до человека - построены из 20 разных аминокислот. В аминокислотах имеются как одинаковые для всех, так и уникальные химические группировки: атом углерода, несущий карбоксильную и амино-группы. и определенные заместители, характерные для каждой аминокислоты. Такие "боковые цепи", часто называемые R-группами, различаются по размеру, форме, заряду и химической активности.

Остов любой белковой цепи образуется с помощью амидных связей, соединяющих аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, соседней аминокислоты. Таким образом, полипептиды - это длинные цепи, образуемые с помощью регулярно повторяющихся пептидных связей и содержащие набор боковых групп, расположенных вдоль остова. Полипептидная цепь имеет определенное направление. На одном ее конце находится свободная аминогруппа; соответствующая аминокислота называется N-концевой, такое же название и у данного конца цепи. На другом конце цепи находится карбоксильная группа, обычно существующая в виде СОО - аниона; аминокислота в этой позиции называется С-концевой, такое же название имеет и соответствующий конец цепи. В некоторых белках между цистеиновыми остатками одной цепи образуются дисульфидные связи, объединяя разные участки цепи. Такие дисульфидные мостики могут объединять и разные полипептидные цепи независимо от того, идентичны они или нет. Полипептидные субъединицы некоторых олигомерных белков объединены именно таким образом.

В некоторых белках встречаются в небольших количествах модифицированные формы природных аминокислот. Практически во всех случаях изменения в структуре аминокислот происходят лишь после образования пептидных связей: в результате гидроксилирования уже включенных в белок пролина и лизина получаются гидроксипролин и гидроксилизин соответственно; при карбоксилировании глутамата образуется у-карбоксиглутамат, а при фосфорилировании гидроксильных групп серина и треонина или фенольной группы тирозина-фосфоаминокислоты.

Важными компонентами эукариотических клеток и многих вирусов являются белки, относящиеся к группе гликопротеинов. Они содержат сложные углеводы, ковалентно связанные с входящими в состав белка аспарагиновым, гидроксилизиновым, сериновым и треониновым остатками. Как и в случае модификации аминокислот, описанном выше, на определенных этапах, следующих за сборкой полипептидной цепи, к ней могут присоединяться различные сахара. Реакции гликозилирования играют важную роль в процессах транспортировки белков от места их синтеза в специфические клеточные органеллы и к поверхностным структурам клетки; гликопротеины также придают определенный рисунок поверхности клеток.

Размер и субъединичный состав некоторых глобулярных белков

		Мол. масса белка, кДа	Число субъединиц
Белок	Источник			Мол. масса субъединиц,
ДНК-лигаза	Е. coli	75	1	--
ДНК-полимераза I	Е. coli	109	1	--
Щелочная фосфатаза	Е. coli	86	2	43
Lac-репрессор	Е. coli	160	4	40
(З-Галактозидаза	Е. coli	544	4	135
Глутаминсинтетаза	Е. coli	592	12	49
Гемоглобин	Млекопита-	64	2а	16
	ющие		2р	16
Триптофансинтаза	Е. coli	148	2а	29
			2в	45
Аспартат-транскарба-	Е. coli	310	6(С)Ц	33
милаза			6(R)2)	17
РНК-полимераза	Е. coli	400	2(а)	40
(основной фермент)				155
			Р')	165
Пируватдегидрогсназ -	Е. coli	4500	24?	91
ный комплекс			244)	70
			125)	56

б. Размер и форма белков

Размеры полипептидов очень сильно различаются: число составляющих их аминокислот колеблется от 50 до нескольких тысяч. Поскольку с каждой аминокислотой масса белка увеличивается примерно на 110 дальтон, мол. масса белков может варьировать от 104 до 106 дальтон. Одни белки состоят только из одной полипептидной цепи, другие - из нескольких одинаковых цепей, третьи - из нескольких цепей разного типа. Примером белка, представленного одной полипептидной цепью, служит миоглобин; глутаматсинтетаза бактерий содержит 12 идентичных полипептидных цепей. Гемоглобин - тетрамер, состоящий из цепей двух разных видов, а функциональная форма ДНК-полимеразы Е. coli состоит из полипептидных цепей по крайней мере четырех разных видов.

В растворе белки имеют строго определенную конформацию, или трехмерную структуру. Биологическая активность почти всех без исключения белков, будь то белки-катализаторы, структурные белки, белки, ответственные за транспортные процессы, белки, участвующие в формировании опорно-двигательного аппарата, или белки-регуляторы, зависит от сохранения их природной, или активной, конформации. Белки в соответствии с их конформацией можно разделить на две категории. Глобулярные белки имеют компактную, примерно сферическую форму, образующуюся в результате нерегулярной укладки полипептидных цепей. В фибриллярных белках полипептидные цепи располагаются параллельно друг другу, образуя длинные нити или слои. Большинство ферментов и растворимых белков имеют глобулярную структуру; такие белки, как коллаген и кератин, обнаруживаемые в структурных и соединительных тканях, принимают фибриллярную конформацию. Фибриноген и мышечный миозин могут встречаться как в одной, так и в другой форме.

в. Чем определяется конформация белка

Структуру белка можно рассматривать на разных уровнях организации - на уровне первичной, вторичной, третичной или четвертичной структуры. Первые три относятся к структурным характеристикам полипептидных цепей, четвертый отражает структуру олигомерных белков, состоящих из двух или более полипептидных цепей.

Каждый белок обладает уникальной аминокислотной последовательностью; порядок расположения аминокислот вдоль полипептидной цепи называется первичной структурой. Уникальность первичной структуры впервые была выявлена при исследовании бычьего инсулина, а затем подтверждена в результате анализа тысяч других белков разного размера. Первичная структура белка детерминируется первичной структурой соответствующего гена. Поэтому при изменении нуклеотидной последовательности гена, кодирующего данный белок, изменяется и первичная структура белка.

Полипептидные цепи могут укладываться в регулярные структуры, называемые вторичными. Наиболее часто встречающимися периодическими конформациями белков являются правозакрученная а-спираль и в-слой. В а-спирали остов имеет конфигурацию винтовой спирали с периодичностью 0,54 нм и примерно 3,6 аминокислотными остатками на виток. Стабилизация спиральной структуры осуществляется благодаря образованию водородных связей между атомом водорода NH-группы одной аминокислоты и СО-группой четвертой вдоль цепи аминокислоты. Боковые группы аминокислот располагаются на наружной стороне спирали. Длина участка данной полипептидной цепи, который может принимать а-спиральную конфигурацию, зависит от аминокислотного состава и аминокислотной последовательности цепи. Некоторые аминокислоты или последовательности дестабилизируют а-спираль, а если в цепи встречается пролин или гидроксипролин, то а-спираль прерывается из-за ограничения вращения вокруг пептидной связи и отсутствия атома водорода для образования водородной связи. Как правило, а-спиральные участки относительно непротяженны и состоят в среднем из 10-20 амино-кислот. Иногда водородные связи, образующиеся между боковыми группами аминокислот в двух а-спиральных сегментах, соединяют расположенные бок о бок витки спирали одной и той же или разных полипептидных цепей, и тем самым структура еще больше стабилизируется. Известны случаи, когда множественные а-спиральные сегменты одной полипептидной цепи образуют беспорядочные пучки. У некоторых белков, в частности у фермента химотрип-сина, а-спиральные области отсутствуют; у других, например у а - и. Ряды из двух-пяти цепей, скрепленных водородными связями, находящиеся в параллельной друг другу или антипараллельной ориентации, образуют структуру, напоминающую гофрированную ткань.

Некоторые белки содержат необычайно много глицина и пролина - тех двух аминокислот, которые дестабилизируют или разрушают а-спирали, а также две необычные аминокислоты - гидроксипролин и гидроксилизин. Подобные белки образуют вторичную структуру третьего типа; она состоит из трех длинных лево-закрученных спиралей, сплетенных в виде плотного каната. Структура также стабилизируется водородными связями, образуемыми между боковыми остатками прилегающих друг к другу нитей каната.

Почти все ферменты и регуляторные белки имеют глобулярную форму; это и есть их третичная структура. Боковые цепи полярных аминокислот локализуются на поверхности глобулы, контактирующей с растворителем, а боковые цепи неполярных аминокислот упрятаны внутри и экранированы от водной среды. Плотно скрученные полипептидные цепи содержат варьирующее число а-спиралей и. Биологически активная четвертичная структура белка поддерживается с помощью разнообразных взаимодействий между аминокислотами. К ним относятся:

1) взаимодействия, которые ответственны за формирование а-спиралей и водородные связи между некоторыми боковыми группами аминокислот;

3) ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами;

4) ковалентные дисульфидные связи между отдаленными друг от друга вдоль цепи остатками цистеина;

5) гидрофобные взаимодействия между боковыми группами, более прочные, чем взаимодействия с водной фазой на наружной поверхности белковой глобулы. Относительный вклад всех этих сил в стабилизацию структуры у разных белков варьирует.

При нагревании либо повышении или понижении рН нативная глобула разворачивается. Этот процесс обратим, т.е. третичная структура может восстанавливаться с образованием тех химических и физических взаимодействий, которые стабилизируют нативную компактную кон-формацию. Механизм правильного свертывания полипептидной цепи и промежуточные этапы этого процесса интенсивно изучаются.

Большинство глобулярных белков-олигомеры. Примером глобулярных белков могут служить гемоглобин и иммуноглобулин. Четвертичная структура подобных белков определяется тем, как взаимодействуют между собой в олигомерной структуре отдельные свернутые полипептидные цепи. В гемоглобине, например, благодаря взаимодействию аминокислот, входящих в состав а-спиралей и детальные исследования структуры гемоглобина позволили установить, как изменяются соответствующие взаимодействия при связывании этим белком кислорода.

Вторичная, третичная и четвертичная структуры белков тесно связаны между собой и в конечном счете определяются первичной структурой одной или нескольких полипептидных цепей. Последствия такой взаимосвязи очень значительны: информация, определяющая укладку белковой молекулы и переход ее в биологически активное состояние, закодирована в его аминокислотной последовательности. Подтверждением этого принципиального положения служит то, что химические модификации и мутационные изменения аминокислотной последовательности полипептидов сильно влияют на их ренатурацию и способность формировать вторичную, третичную и четвертичную структуры с полноценной биологической активностью.

В качестве одного из многочисленных примеров зависимости структуры и функции белка от его аминокислотной последовательности можно привести серповидноклеточную анемию. Генетическое нарушение при этой болезни выражается в замене глутаминовой кислоты, шестой по счету от N-конца в-цепи в нормальном гемоглобине, на валин. Изменение в первичной структуре в-глобина приводит

к тому, что на поверхности белковой глобулы оказывается аномальная гидрофобная аминокислота, из-за чего происходит агрегация дезоксигенированного гемоглобина с образованием олигомерных структур более высокого уровня организации. В результате форма и пластичность эритроцитов изменяются, и кровоток через капилляры и мелкие вены затрудняется или вовсе прекращается. Основной вывод, который можно сделать из этого классического случая, состоит в том, что одна-единственная мутация - замена нуклеотида в последовательности ДНК, приводящая к замене одной аминокислоты на другую в специфическом сайте полипептидной цепи, - может оказывать столь драматическое влияние на конформацию белка и его физиологическую функцию. В более общем смысле, таков механизм, связывающий генотипы всех организмов с их фенотипами.

Страницы: 1, 2

Голосование

Как вы оцениваете работу нашего сайта? Отлично Хорошо Нормально Плохо Результаты