Пояснити біологічну зумовленість різноманітності та специфічності білкових структур.

Білки — біоорганічні високомолекулярні сполуки, молекули яких являютьсобою гетерополімери, побудовані із залишків амінокислот, об’єднаних кислото-амідними (пептидними) зв’язками (–CO–NH–). Білки є найбільш розповсюдженими з усіх класів біомолекул; вони входять до складу всіх клітинних компонентів мікроорганізмів, рослин, тварин (ядра,

біомембран, цитоплазми) та міжклітинних структур. Білковий склад живих клітин ускладнюється пропорційно ступеню складності геному та етапу еволюційного розвитку організму. Кількість різних білків в прокаріотичній клітині E.Coli — близько 3 000, в організмі людини приблизно 5 000 000, всього в різних видах організмів, що складають біосферу Землі, — 1010-1012 різних білків.

Первинна структура білків визначається якісним і кількісним складом амінокислотних залишків, а також їхньою послідовністю. Часто молекула білка у вигляді ланцюга, складеного з амінокислотних залишків, нездатна виконувати специфічні функції. Для цього вона має набути складнішої просторової структури. Вторинна структура характеризує просторову організацію білкової молекули, яка повністю або частково закручується в спіраль. Радикали амінокислот (R-групи) при цьому залишаються ззовні спіралі. У підтриманні вторинної структури важлива роль належить водневим зв'язкам, які виникають між атомами Гідрогену NH2-rpynn одного витка спіралі та Оксигену СО-групи іншого. Третинна структура зумовлена здатністю поліпептидної спіралі закручуватись певним чином у грудку, або глобулу (від лат. глобулюс - кулька). На малюнку 9 наведено схематичну структуру білка міоглобіну. Важлива роль у підтриманні третинної структури належить так званим дисульфідним зв'язкам, які виникають між залишками амінокислоти цистеїну. Четвертинна структура білків виникає внаслідок об'єднання окремих глобул, які разом утворюють функціональну одиницю. На малюнку 9 схематично зображено четвертинну структуру гемоглобіну, молекула якого складається з чотирьох фрагментів білка міоглобіну. Стабілізація четвертинної структури досягається гідрофобними, електростатичними та іншими взаємодіями, а також водневими зв'язками.

 

Залежно від конфігурації білки можуть бути фібрилярними та глобулярними. Молекули фібрилярних білків складаються з видовжених, паралельно розташованих поліпептидних ланцюгів. Як правило, ці білки нерозчинні у воді й виконують в організмі структурну функцію (наприклад, кератин входить до складу волосся людини або шерсті тварин). Молекули глобулярних білків складаються зі щільно скручених поліпептидних ланцюгів і за формою нагадують кульку. Ці білки здебільшого розчинні у воді та сольових розчинах. Вони виконують в організмі різноманітні функції (наприклад, гемоглобін забезпечує транспорт газів, пепсин - розщеплення білків їжі).

 

Залежно від особливостей будови білки поділяють на прості та складні. Прості, або протеїни (від грец. протос — перший), складаються лише з амінокислотних залишків, а складні, або протеїди (від грец. протос та ейдос - вигляд), у своєму складі мають також залишки фосфатної та нуклеїнових кислот, вуглеводів, ліпідів, атоми Феруму, Цинку, Купруму та ін.

 

Унікальні властивості ДНК

Молекулярна маса ДНК довгий час не була адекватно визначена, так як при виділенні її довгі молекули зазнавали гідродинамічного розриву. Молярна маса 1000 нуклеотидних пар (типовий розмір гену) становить 660 тис д. Молярна маса ДНК із самої великої хромосоми плодової мушки становить 40 млр: д., а людини приблизно в чотири рази більша
Для ДНК властиве світлопоглинання за рахунок гетероциклів в ультрафіолетовій частині спектру з максимумом біля 260 нм.
Зовнішня поверхня молекули ДНК при рН > 4 несе негативний заряд, завдяки якому утворює комплекси з катіонами металів. Приблизно на 100 нуклеотидних пар припадає один катіон, переважно Mg2+. Також ДНК взаємодіє з поліамінами, які несуть позитивний заряд – високомолекулярними білками гістонами і низькомолекулярними, наприклад спермідином: H2N-(CH2)3-NH-CH2)4-NH2. Утворена таким чином оболонка виконує роль екрану, який захищає ДНК від дії оточення.
Незважаючи на це, тисячі різних речовин та фізичні фактори можуть змінювати ДНК. Молекули антибіотиків та інших біологічно активних речовин можуть втручатись між ланками спіралі, деформуючи її. Радіоактивне випромінювання та радикали, які виникають в клітині, можуть уражати азотисті основи, приводячи доїх окиснення та інших модифікацій. В результаті цього порушується комплементарність ланцюгів, що, в свою чергу, може привести до зміни генетичної інформації – мутації. Наприклад, залишки тиміну, що розташовуються поруч у ланцюгу, під дією ультрафіолетового випромінювання легко утворюють тимінові димери:

Такі зміни можуть призвести до злоякісного перетворення клітин шкіри при тривалому перебуванні під сонячним промінням.
Прикладом хімічного мутагену можуть бути нітрити, які у надлишковій кількості попадають в організм при неправильному харчуванні. Вони викликають дезамінування азотистих основ за схемою:
R-NH2+HNO2®R-OH+N2+H2O
Енольна форма дезамінованої основи перетворюється в кетонну і, в результаті, цитозин замінюється на урацил, аденін - на гіпоксантин, а гуанін – на ксантин. Створені міжнародні та національні регістри речовин, які викликають зміни в структурі ДНК. Вони нараховують більше 10 тис. різноманітних речовин, багато з яких є антропогенними забруднювачами.
Зв’язки, які стабілізують вторинну структуру ДНК, є досить слабкими. Їх руйнування приводить до втрати просторової структури молекули – її денатурації. Як правило, денатурацію або плавлення ДНК викликають нагріванням. ДНК плавиться в діапазоні температур 850 - 950. Чим більше в молекулі пар Г-Ц, тим вище температура плавлення, так як зв’язки в них більш чисельні, ніж в парах А-Т. Критеріями денатурації є збільшення світлопоглинання при 260 нм (гіперхромний ефект), зменшення правого обертання, зменшення в’язкості і збільшення густини ДНК.
Повна денатурація молекули ДНК приводить до розходження комплементарних ланцюгів. При швидкому охолодженні розчину денатурованої ДНК ланюги залишаються у відокремленому стані. Але, якщо протягом якогось часу підтримувати температуру дещо нижчою, ніж значення температури плавлення, то нативна структура можу відтворитися. На цій властивісті грунтується метод дослідження гомологічності нуклеїнових кислот з різних джерел шляхом гібридизації. Він застосовується як в науковому дослідження ДНК з різних організмів, так і в криміналістиці.
В дослідах по гібридизації ДНК з двох різних джерел молекули нуклеїнової кислоти з одного джерела розщеплюють (наприклад, з допомогою ультразвуку) на фрагменти довжиною близько 1000 нуклеотидів і піддають денатурації. Денатуровану ДНК з іншого джерела наносять на певний носій, наприклад агаровий гель. Фрагменти денатурованої ДНК змішують з фіксованими ланцюгами ДНК. При цьому фрагменти ДНК, які мають високий ступінь комплементарності, гібридизуються з ланцюгом ДНК і затримуються на носії, тоді як фрагменти, які не мають комплементарних ділянок в цьому ланцюгу, вільно залишають носій. Ступінь гомології виражають кількісно. На його підставі можна, зокрема довести належність певного біологічного матеріалу конкретній людині, або її близьким родичам.

Принцип компліментарності дозволяє зрозуміти механізм унікального властивості молекул ДНК – спроможністьсамовоспроизводиться. ДНК – це єдиний речовина живими клітинах, що має подібним властивістю. Процес самовідтворення молекул ДНК відбувається за активної участі ферментів. Особливірасплетающие білки послідовно хіба що проходять вздовж системи водневих зв'язків, що з'єднують азотисті підстави обохполинуклеотидних ланцюгів, і розривають їх. Виниклі внаслідок одиночніполинуклеотидние ланцюга ДНК добудовуються відповідно до принципу компліментарності з допомогою ферменту з допомогою вільних нуклеотидів, завжди що у цитоплазмі і ядрі. Навпакигуаниловогонуклеотида стає вільнийцитозиловийнуклеотид, а навпакицитозилового, своєю чергою,гуаниловий тощо. У знову що виникла ланцюга виникаютьуглеводно-фосфатние і водневі зв'язку. Отже, під час самовідтворення ДНК з однієї молекули синтезуються дві нові. Принцип компліментарності дозволяє зрозуміти механізм унікального властивості молекул ДНК – спроможністьсамовоспроизводиться. ДНК – це єдиний речовина живими клітинах, що має подібним властивістю. Процес самовідтворення молекул ДНК відбувається за активної участі ферментів. Особливірасплетающие білки послідовно хіба що проходять вздовж системи водневих зв'язків, що з'єднують азотисті підстави обохполинуклеотидних ланцюгів, і розривають їх. Виниклі внаслідок одиночніполинуклеотидние ланцюга ДНК добудовуються відповідно до принципу компліментарності з допомогою ферменту з допомогою вільних нуклеотидів, завжди що у цитоплазмі і ядрі. Навпакигуаниловогонуклеотида стає вільнийцитозиловийнуклеотид, а навпакицитозилового, своєю чергою,гуаниловий тощо. У знову що виникла ланцюга виникаютьуглеводно-фосфатние і водневі зв'язку. Отже, під час самовідтворення ДНК з однієї молекули синтезуються дві нові.

Унікальна властивість молекули ДНК подвою­ватися перед поділом клітини називається ре­плікацією. Ця властивість зумовлена особливі­стю будови молекули ДНК, що складається з двох комплементарних ланцюгів. Реплікація відбу­вається в ядрі під час S-періоду інтерфази. На цей час хромосоми під світловим мікроскопом не виявляються. Реплікація ДНК - найважливіший молекулярний процес, що є в основі всіх різновидів поділу клітин, усіх типів розмноження, а, значить, в основі забез­печення тривалого існування окремих індивідуумів, популяцій і всіх видів живих організмів. Для кожно­го виду дуже важливо підтримувати сталість свого генотипу та фенотипу, а значить, зберігати незмін­ність нуклеотидної послідовності генетичного коду.

 

Властивості ДНК. Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури тощо) водневі зв’язки між комплементарними нітратними основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги й відповідно втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватися завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними ну-
клеотидами. Важлива властивість молекул ДНК – їхня здатність до самоподвоєння. Це явище ще називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому ланцюг материнської молекули ДНК слугує матрицею. Реплікація ДНК – напівконсервативний процес, тобто дві дочірні молекули ДНК містять по одному ланцюгу, успадкованому від материнської молекули, і по одному – синтезованому заново. Завдяки цьому дочірні молекули ДНК є точною копією материнської. Це явище забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської молекули ДНК дочірнім

№ 9 Роль метильної групи у складі азотистих основ у збереженні та реплікації спадкової інформації.

ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі».

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін і цитозин) (виняток становлять випадки пізніших модифікацій нуклеотидів, наприклад метилювання). Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном, гуанін — тільки з цитозином. Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найважливішими з яких є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК (тобто за рахунок копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули, що синтезується) у процесі транскрипції і беруть участь у біосинтезі білків (процесах сплайсингу і трансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують регуляторні і структурні функції. Ділянки кодуючої послідовності разом із регуляторними ділянками називаються генами.