А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов - Физика в мире полимеров (1119325), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Химическое строение белков, ДНК н РНК Сначала в двух словах о химической стороне дела. Звенья белковой цепи — так называемые аминокислотные остатки — имеют структуру — СΠ— СНК вЂ” гчН вЂ”, где через Е обозначен радикал одного из 20 сортов. В простейшем случае это просто атом водорода, тогда соответствюоп,ий аминокислотный остаток называется глицил. Для о .тая ьных 19 остатков радикал К имеет более сложное строение; приведем примеры: — СН, (аланил),— СН,ОН (се. рил), — СН,— СН,—  — СН, (метионил), — СН.„— СΠ— НН„ (аспараги~ил), — СН,— СОО (аспартпл), — (СН~)4 — Н Н~ (лизнл). Из двух последних примеров ясно, что белковые цепи могут содержать как половапельпо, так и отрицательно заряженные звенья (например звенья, которые в норз альных фи зиологических условиях диссоцяируют, в результате чего отделяется иизкомолекулярный ион п звенья встают.
я заряженными). Последовательное~в амипокпслотных остатков вдоль белковой цепи для каждого белка своя; можно сказать, что эта последовательность представляетт собой чтексзя в 20-буквепном белковом «алфавите». Число звеньев й1 в белковой молекуле обычно от нескольких десятков до нескольких сотен. Про транственное строение пары звеньев белковой цепи схематически показано на рис. 3.8. Связь — СΠ— НН--, соединяющая специфичные для каждого звена группы — СН1(--, называется пептидной связью. Поэтому белковая цепь называется также полипептпдной.
Химическое строение цепей макромолекул ДНК показано на рис. 3.9. Основная пень состоит пз чередующихся звеньев остатков фосфорной кислоты (за счет которых опа отрицательно заряжена) и сахара (углевода дезоксирибозы). К каждому сахару присоединены боковые группы — нуклеотиды (азотистые осповзния) четырех сортож аленин (А), цитозин (Ц), гуапин (1) и тимин (Т).
Все эти основания показаны на рнс. 3.9. Аналогично устроены и цепи РНК, опп отлпчжотся от ДНК только типом сахара в основной цепи и замюктй тимина на урацнл (У) в 62 Рис. 3.8. Хамичсское строеиве цепи белка. Прямоугольвикачи обведены плоские амидиые группы, входящая в иих сея *ь гч — с— псптидпая свяаь, замыкаемая при образовапии цепи.
Стрелками отмечены те связи, вокруг которых происходят вращения, приводящие к поварстно-изомсрпой гибкости (углы соответствующих поворотов вазываются углами ~р и ~Р Рамачаидраиа); Н вЂ” боковые группы различпых амваокислотиых остатков ННг - ччн Ц 0 !! уН~"'~НН ьнчя О Н ! О=Р— 0— 0 О Н Рис, 3.9, Хяь ическое строение одиночной цепи ЛНК Ннг ун .АН !! О=Р— Π— ОН И Н г 0 0 бг Н Н У 3' Н Н Ь НС г " 'Нн !! ь0 Рис. 3. 1О.
К поисиепмо взаимной иоиплеиеитариости цепей хвойной спирали ДНК иптельной инф ведению и тнр наборе боковых групп. Таким образом, тексты макромолекул ДНК (и Р1-)К) за и~саны в четырехбуквенном алфашгге. Что касается пространственной структуры, то, как вы, вероятно, зяаете, в живой клетке макромолекула ДНК представляет собой комплекс двух цепей типа изображенных на рпс. 3.9, которые образуют двойную спираль (см. далее рпс.
3,! 1п). Причем эти две цепи взаимно комплементарны: аденипу па одной из цепей отвечает тимин на другой, то же можно сказать о соответствии гуанпн — цитозпн. С физической точка зрения комплсментарносгь цепей обусловлена тем, что азотистые основания расположены в сердпевпне двойной спирали, и только пары оснований в комбинациях Л вЂ” Т и à — Ц могут туда «поместиться», не нарушив хода спирали.
Это обстоятельство дополнительно иллюстрируется нз рпс. 3.10. Таким образом, вторая цепь в двойной спирали не кодирует доцолормации, она лишь помогает ее воспроизажпрованию. 3.6. Первичная, вторичная и третичная структуры бнополимеров Обращаясь к физике биополимеров, нужно прежде всего сказать об иерархичности пх структур — имеются первичная, вторичная и третичная структуры, а иногда говорят и о четвертичной.
Первичная структура, как уже упоминалось (см. предисловие),— это последовательность звеньев в пепи, т. е, текст. Первичная структура формируется прн биоснцтезе каждой макромолекулы и «запоминается», т. е. при дальнейшем тепловом движении не меняется вплоть до разрушения этой макромолекулы, Определять первичные структуры биохимики умеют и для белков и для ДНК; этот пропесс даже частично автоматизирован, и имеется большой н быстро пополняемый международный банк соответствующих данных. Существует даже вполне серьезный проект для определения всей первичной структуры ДНК (т.
е. всего генома) человека! Но подчеркнем, что синтезировать длинные белковые или ДНКовые цепи со строго заданной первичной 51 структурой химическим путем в пробирке очень трудно, иа сегодняшний день практ55чески невозможно. Правда, в 1984 г. английский ученый Л. Фершт объявил о рождении совсем нового подхода к этой проблеме — белковой инженер>ш, н котором мы заставляем систему бпосиитеза жшзой клетки производить белок с едва ли не любой пери>чной структурой, какую только пожелаем а), Но даже если этот подход приведет к успеху, имеется и другая трудпость--- нпкто не знает толком, чего жед!ать.
Прн чисие звеньев й! 10' и 20-тп возможностях для каждого звена всего имеется порядка 20'"' вариантов. Как выбрать те из ппх, 5соторые >юлезны с практ>шеской точки зрения? Ион!но, конечно, просто сщопторпть> природные белки, но это слшиком дорогостоящее удовольствие, игра будет стоить свеч, только если удастсг! вулуч>пить» прн)юдги Ситуация здесь похожа ца положение свободного от цензуры кшпонздателя, не умеющего, однако, чптатзк он может напечатать что угодно, но как еь5у найти ннтереснсий и сОД! ржательныи теис>, который бы пошел парасхва >? с11итерес н содержательность > биогюльмсрных текстов начинает выявл>нься при формырованш! вторичных и третичпь>х структур Вторичная и третичная структуры — это соответственно блпжш>й и дальний порядок в пространственном расположении звеньев цепи.
Основные вторичные структуры белков были открыты в 1940 †19-х годах американским химиком Лай>нусом По лишом 1впосз>едствии получившим за эти работы Нобелевскую премию по химин; кстати, оп еще и лауреат Нобелевской премии мира); оии называются я- и 1>-структура!>и. Обычная вторичная струк~ура ДНК открыта в 1с!53 г. Джеймсом Уотсоном пз СШЛ и Френсисом Криком нз Лпглии, это знаменитая двойная спираль Уотсона — Крика. Все перечпсиенные структуры схематически изображены па рпс.
3.11, Они стабн.иизпруются водородными связями; витки спирали и !"-складки образуются именно потому, что при та сом ходе цепи достигается максимальное насыще>ше водородных связей между звеньями цепи, Надо сказать, что открытие двойной спирали приобрело твердую и вполне оправдьчшую репутацию одного пз наиболее выдаикпихся достижений в истории науки.
Восхитительная красота двухсп>ральной модели ДНК вЂ” в той не- ") !5оявнвшяяся дссятилстисн раньше гснняя инжснсрия иозволяст исиьшсс — заставить одну клетку делать белок, характсринй для другогй иаиринср, заставить бактсри>о сишгсзнровать *>словсчссзиа инсулин. 'хо х х хх ХО О ЧООВОЯ >, 'а сохо сох .о хо ааоа'оса хх 2 х с х й ° аох х ° а хо сС~ Охсс ОХ сО ооохОО 6 а-О~ х ° о О ах ос .О О И ХО О О~ХОВ «В О.
О аса хЬ а о с х принужденности, с которой обьясияется одно из подлинных чудес — способность живого к самовоспроизведению: стбпт ;саум комп.нементарпым нитям разойтись„как тут и<е будут готовы две «типографские» матрицы для создания двух идентичных копий. Это и есть молекулярная основа биоло! ической наследственности.
Вторичные структуры возникают в биополимерных цепочках отнюдь не при любых условиях, и их физика очень интересна. Увеличивая температуру нли добавляя к воде некоторые низкомолекулярные вещества, можно вызватчь Рнс. 3. )2, цена ЙЫК в сос»аве двойвой спирала (а) н в расплав- ленном (б) состонннн !щпример, раскручивание спиралей — прн этом происходит так называемый переход спираль — клубок. Название этого перехода связано с тем, что спирализованная полимерная цепь доьолыю жесткая, а деспирализованиая — гибкан (рис. 3.)2).
Поэтому переход спираль — клубок часто сще называют пла!леш!ем спирали. Аналогия с обычным плавлением твердо!о вещества усугубляется тем, что переход спираль — клубок при изменении температуры происходит очень резко — и узком температурном интервале— и сопровождается заметным поглощением теплоты, которая уходит на разрыв стабилизирующих спираль водородных связей; прп плавлении разрушаются не отдельные витки спирали (что было бы аналогично выплавлению отдельных ячеек кристаллической решетки), а сразу весьма длинные куски — это свойство называ!от кооперативиостью. Есть и отличия от настоящего плавления; глащюе из них в том, что спирализованные и деспирализованные участки не разделяются вдгщь цепи (как лед и вода в зимней реке), а остаются перемешанными — с точки зрении теоретической физики это означает, что псрех» д сп! раль — — клубок !ю являет- » 5! <!'азовым.
Любопытна теорежгческая интерпретации сказанно~о: оказывается, переход спираль — клубок есть настояна.е плавленпе, по ие трех хгер ного кристалла, я одномерного — и одномерном же мире, как можно показать, плявленве яр 1 исходит хотя и резко, но к рясслоепюо фяз пе ведет; зто утверждение известно физикам как теорема Л Д. Ландау. Интересно, что плавление реалыюго гетерополимера с неоднородной первюпюй структурой происходит пе так резко, кяк специально приготовленного в лаборатории модельного однородного голтополимера.
Причину этого различия легко понять, обратпвтпись к рис. 3.13, где для полимеров с разными первичными структурами схематически Рнс. 3.!3 Кривые плавлеиив ллв различима первичимх структур." гомоволимера поли-д (а), гомос;олимера поли В (6), блок-сопели. мера (и), гетерополи мера со сз атистическим черсловаиием зиеииев (г) изображены так называемые кривые плавления — графики зависимости степени спнральиостп бч т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
