Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 47)
Органические растворители и детергенты. Эти реагенты нарушают гидрофобные взаимодействия и образуют связи с гидрофобными (неполярными) группами. В результате разрываются и внутримолекулярные водородные связи. Использование спирта в качестве дезинфицирующего средства основано именно на том, что он вызывает денатурацию белка любых присутствующих бактерий.
Ренатурация
Иногда денатурированный белок в подходящих условиях вновь спонтанно приобретает свою нативную структуру. Этот процесс называется ренатурацией. Ренатурация убедительно показывает, что третичная структура белка полностью определяется его первичной структурой и что сборка биологических объектов может осуществляться на основе немногих общих принципов.
5.5.6. Белковый обмен у млекопитающих
На рис. 5.40 представлена схема, иллюстрирующая пути белкового обмена у млекопитающих.
Рис. 5.40. Схема белкового обмена у млекопитающих
5.6. Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты, как и белки, необходимы для жизни. Они представляют собой генетический материал всех живых организмов вплоть до самых простых вирусов.
Выяснение структуры ДНК (одного из двух существующих типов нуклеиновых кислот) открыло новую эпоху в биологии, так как позволило наконец понять, каким образом живые клетки, а значит, и организмы точно воспроизводят себя и как в них кодируется информация, необходимая для регулирования их жизнедеятельности. Из табл. 5.4 мы уже знаем, что нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц, называемых нуклеотидами. Из нуклеотидов строятся чрезвычайно длинные молекулы — полинуклеотиды. Чтобы понять структуру полинуклеотидов, необходимо, следовательно, сначала ознакомиться с тем, как построены нуклеотиды.
5.6.1. Строение нуклеотидов
Молекула нуклеотида состоит из трех частей — пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.
САХАР. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т. е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два типа нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу, в которой на один атом кислорода меньше (-ОН-группа при одном из атомов углерода заменена у нее на атом -Н) (рис. 5.41).
Рис. 5.41. Компоненты нуклеотидов
ОСНОВАНИЯ. В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два — к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает молекулам основные свойства. Пурины — это аденин (А) и гуанин (Г), а пиримидины — цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РНК). В молекуле пуринов имеется два кольца, а в молекуле пиримидинов — одно.
Обратите внимание, что в РНК вместо тимина, присутствующего в ДНК, содержится урацил. Тимин химически очень близок к урацилу (он представляет собой 5-метилурацил, т. е. урацил, в котором у 5-го атома углерода стоит метильная группа). Основания принято обозначать первой буквой их названия: А, Г, Т, У и Ц.
Фосфорная кислота (рис. 5.41). Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекуле содержится фосфорная кислота. На рис. 5.42 показано, как сахар, основание и фосфорная кислота, объединяясь, образуют молекулу нуклеотида. В результате соединения сахара с основанием образуется нуклеозид. Соединение происходит с выделением молекулы воды, т. е. представляет собой реакцию конденсации. Для образования нуклеотида требуется еще одна реакция конденсации, в результате которой между нуклеозидом и фосфорной кислотой возникает фосфоэфирная связь.
Рис. 5.42. Образование нуклеотида. Атомы углерода в рибозе перенумерованы со штрихом (1'-5'), чтобы не путать их с атомами в основаниях (1-9)
Разные нуклеотиды отличаются друг от друга природой Сахаров и оснований, которые входят в их состав. Роль нуклеотидов в организме не ограничивается тем, что они служат строительными блоками нуклеиновых кислот; некоторые важные коферменты также представляют собой нуклеотиды или их производные. Таковы, например, аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), циклический аденозинмонофосфат, кофермент А, никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) (гл. 6).
5.6.2. Строение динуклеотидов и полинуклеотидов
Два нуклеотида, соединяясь, образуют динуклеотид путем конденсации, в результате которой между фосфатной группой одного нуклеотида и сахаром другого возникает фосфодиэфирный мостик, как это показано на рис. 5.43. При синтезе полинуклеотида этот процесс повторяется несколько миллионов раз. Неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида строится путем образования фосфодиэфирных мостиков между 3'- и 5'-углеродами остатков Сахаров, как показано на рис. 5.44.
Рис. 5.43. Строение динуклеотида
Рис. 5.44. Образование полинуклеотида
Фосфодиэфирные мостики возникают за счет прочных ковалентных связей, и это сообщает всей полинуклеотидной цепи прочность и стабильность, что очень важно, так как в результате этого уменьшается риск "поломок" ДНК при ее репликации (гл. 22).
5.6.3. Структура ДНК
Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале нашего века возникло предположение, что ДНК, возможно, представляет собой генетический материал. С данными, подтверждающими эту роль ДНК, мы познакомимся в гл. 22 (разд. 22.4).
В начале 50-х годов американский химик лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг (Linus Pouling), уже изучивший к тому времени α-спиральную структуру, характерную для многих фибриллярных белков, обратился к исследованию структуры ДНК, которая, по имеющимся в то время сведениям, также представлялась фибриллярной молекулой. Одновременно в Королевском колледже в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинда Франклин (Maurice Wilkins, Rosalind Franklin) пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа. Их исследования требовали долгой и трудоемкой работы по приготовлению чистых препаратов солей ДНК, для которых удавалось получать сложные дифракционные картины. С помощью этих картин можно было, однако, выявить лишь общую структуру молекулы ДНК, не столь детализованную, как та, какую давали возможность получить чистые кристаллы белка (рис. 5.45).
Рис. 5.45. Рентгенограмма нити ДНК. По таким рентгенограммам было впервые сделано заключение о двуспиральной структуре ДНК. (С разрешения J. М. Squire.)
Тем временем Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (James Watson, Francis Crick) в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета избрали иной подход, который в конечном счете и обеспечил успешное решение проблемы. Используя все химические и физические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Крик стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру, согласующуюся со всеми такими данными. История этих поисков увлекательно описана Уотсоном в его книге "Двойная спираль". Два обстоятельства оказались для Уотсона и Крика решающими. Во-первых, они имели возможность регулярно знакомиться с результатами работ Уилкинса и, сопоставляя с его рентгенограммами свои модели, могли таким образом эти модели проверять. Рентгенограммы же Уилкинса убедительно свидетельствовали в пользу спиральной структуры (рис. 5.45) с периодичностью 0,34 нм вдоль оси. Во-вторых, Уотсон и Крик отдавали себе отчет в важном значении закономерностей, касающихся соотношения различных оснований в ДНК. Обнаружил эти закономерности и сообщил о них в 1951 г. Эрвин Чаргафф (Erwin Chargaff). Это открытие, однако, при всей своей важности как-то не привлекло к себе должного внимания. В табл. 5.14 мы приводим некоторые из данных Чаргаффа, дополнив их результатами более поздних исследований.
Таблица 5.14. Относительные количества оснований в ДНК разных организмов
Уотсон и Крик задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания удерживаются вместе водородными связями.
На рис. 5.46 показано, как основания соединяются в пары с помощью водородных связей. Аденин спаривается с тимином, а гуанин — с цитозином; А-Т-пара соединяется двумя водородными связями, а Г-Ц-пара — тремя. Уотсон в свое время попытался представить себе именно такой порядок спаривания оснований и позже вспоминал об этом так: "От радости я почувствовал себя на седьмом небе, ибо тут я уловил возможный ответ на мучившую нас загадку: почему число остатков пуринов в точности равно числу остатков пиримидинов?" Уотсон увидел, что при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу и что общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы, так как обе пары содержат по три кольца (рис. 5.46). Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. После того как все эти обстоятельства выяснились, можно было наконец приступить к созданию достоверной модели ДНК, той, какая изображена на рис. 5.47-5.49.