Američki biolozi dešifrirali su evolucijski mehanizam koji omogućuje bakteriofagu lambda da proizvodi novi put infekcija bakterijskih stanica. Evolucijska inovacija nastaje kao odgovor na to da bakterije stječu otpornost na stari način virusnog napada, temeljen na vezivanju virusnog J proteina na bakterijski površinski protein LamB. U ovoj situaciji selekcija najprije popravlja mutacije gena J, poboljšavajući staru funkciju. “Plaćanje” za bolje vezanje na LamB je destabilizacija J proteina. Kao rezultat, dobiveni su virusi u kojima J protein može imati dvije različite prostorne konfiguracije za isti genom. U ovom slučaju, virusne čestice s "ispravno" savijenim J inficiraju žrtve na stari način, dok druge (s istim genomom, ali s "pogrešno" savijenim J) to čine na novi način, pričvršćujući se na drugi površinski protein bakterija (OmpF). U budućnosti se obje varijante mogu stabilizirati fiksiranjem dodatnih mutacija, što zapravo dovodi do podjele izvornog virusa na dvije vrste. Rad potvrđuje staru ideju, ali s malo eksperimentalnih dokaza, da se nove funkcije mogu razviti kroz međufazu fenotipske destabilizacije nakon koje slijedi stabilizacija ("genetska asimilacija") uspješnih nenasljednih devijacija.
Teoretičari su dugo raspravljali o mogućoj ulozi fenotipske destabilizacije u nastanku evolucijskih inovacija. Pretpostavlja se da se inovacije mogu pojaviti prema sljedećoj shemi: “ početni stabilni fenotip → destabilizirajući učinak (na primjer, oštra promjena u okolišu) → rast negenetske varijabilnosti → genetska asimilacija uspješnog fenotipa, odnosno konsolidacija mutacija koje stabiliziraju varijantu fenotipa koja se pokazala biti prilagodljiv novim uvjetima" Ovaj model je detaljno opisan u vijesti Destabilizacija razvoja - put do evolucijskih inovacija (“Elementi”, 13.07.2009.). Ideja izgleda logično, ali za nju još uvijek postoji malo izravnih eksperimentalnih dokaza (pogledajte poveznice na kraju vijesti).
Američki biolozi koji rade s lambda bakteriofagom (vidi Lambda fag) dodali su još jedan eksponat zbirci potvrđenih primjera učinkovitosti ovog mehanizma.
Proučavana je evolucijska inovacija koja se sustavno javlja u fagu λ pod određenim uvjetima. Normalno, ovaj fag inficira svoje žrtve, E. coli Escherichia coli, pričvršćujući se na površinski protein (receptor) LamB. Međutim, žrtve mogu razviti otpornost na virus gomilanjem mutacija koje smanjuju razinu ekspresije ovog receptora. Broj LamB molekula na površini bakterijskih stanica se smanjuje, a virus se nema za što uhvatiti.
U prisutnosti rezistentnih bakterija, virusi su podložni intenzivnoj selekciji zbog svoje sposobnosti da se što učinkovitije prilijepe za nekoliko preostalih molekula LamB. Selekcija uzastopno fiksira 4-7 mutacija u virusnom genu koji kodira J protein. Ovaj protein se nalazi na kraju virusnog stabla i odgovoran je za pričvršćivanje na LamB (slika 1).
Neočekivano, ove mutacije ne samo da povećavaju snagu vezanja na LamB, već također daju J proteinu novu sposobnost – da se veže za drugi površinski protein bakterije, OmpF. Zapravo, virus razvija novi način inficiranja bakterijskih stanica. Takvi virusi uspješno inficiraju bakterije čak i bez potpunog nedostatka LamB (J. R. Meyer et al., 2012. Ponovljivost i nepredviđenost u evoluciji ključne inovacije u Phage Lambda).
Nedavno je pokazano da se dobiveni generalistički virusi (sposobni zaraziti svoje žrtve na dva načina) zatim mogu ponovno specijalizirati, to jest izgubiti jedan od dva načina infekcije, optimizirajući drugi. To može dovesti do specijacije (podjele u dvije vrste). Iako se λ fagi ne razmnožavaju spolno, oni imaju rekombinaciju - razmjenu dijelova genoma između virusa koji inficiraju istu stanicu. Što se tiče evolucijskih posljedica, to je gotovo isto što i spolno razmnožavanje. Pokazalo se da prilagodba na domaćine koji imaju samo jedan od dva receptora (LamB ili OmpF) dovodi do podjele generalističkih virusa u dvije specijalizirane skupine, od kojih je svaka sposobna zaraziti samo jednu vrstu žrtve. Takvi virusi više ne mogu međusobno razmjenjivati gene, jer su nekompatibilne mutacije fiksirane u njihovim genomima (J. R. Meyer i sur., 2016. Ekološka speciacija bakteriofaga lambda u alopatriji i simpatriji). Stoga se mogu smatrati različitim vrstama.
U novoj studiji čiji su rezultati objavljeni u časopisu Znanost, američki virolozi otkrili su kako J protein generalističkih virusa uspijeva kombinirati dvije funkcije. U staničnim organizmima takve se evolucijske promjene obično događaju dupliciranjem gena s naknadnom podjelom funkcija među kopijama. Ali generalistički fagi imaju gen J nije umnoženo.
Alternativni mehanizam uključuje destabilizaciju proteina. Autori su sugerirali da su mutacije fiksirane u genu J kod generalističkih faga, unijeli su element kaosa u proces savijanja kodiranog proteina (vidi Savijanje proteina). Moguće je da J protein u generalističkim fagima može usvojiti dvije različite konformacije, od kojih se jedna veže na LamB, a druga na OmpF.
Destabilizacija prostorne strukture proteina često je popraćena smanjenjem njegove otpornosti na povišenu temperaturu. Stoga su znanstvenici počeli testirati svoju hipotezu procjenom otpornosti virusa na pregrijavanje. Kako bi to učinili, držali su čestice virusa s različitim genotipovima na različitim temperaturama sat vremena (od 37°C – optimalna temperatura za fag λ do smrtonosnih 55°C) i promatrali koji je postotak virusa ostao održiv. U eksperimentu su korišteni genotipovi koji odgovaraju različitim fazama prethodno proučavanog evolucijskog puta od roditeljskog virusa (vezan samo za LamB) do generalnog virusa. Proučavani virusi razlikovali su se samo po mutacijama u genu J, a ostatak njihovog genoma bio je isti.
Rezultati su potvrdili očekivanja istraživača (slika 2). Ispostavilo se da mutacije u genu J, koji je tijekom prilagodbe virusa žrtvama sa smanjenom ekspresijom LamB povećao afinitet J za LamB, a zatim omogućio i vezanje na OmpF, istovremeno smanjujući termostabilnost J proteina.
Međutim, to samo po sebi ne znači ništa, jer mutacije koje mijenjaju sekvence aminokiselina proteina često smanjuju otpornost proteina na pregrijavanje - to je uobičajena stvar. Ali u ovom slučaju sve se pokazalo zanimljivijim. Autori su testirali termoosjetljivost gore navedenih virusa - potomaka generalista, koji su tijekom daljnje evolucije ponovno postali specijalisti, izgubivši sposobnost vezivanja za jedan od dva receptora. Ovi virusi imaju "sekundarne stručnjake" u genu Jčak i više mutacija u usporedbi s izvornom verzijom od generalista. Međutim, pokazalo se da je njihova otpornost na toplinu jednako visoka kao kod "divljih" virusa. Tako su "generalizirajuće" mutacije smanjile termostabilnost, dok su je "specijalizirane" mutacije ponovno povećale.
Najzanimljiviji rezultat dobiven je kada su autori analizirali vrijeme na te dinamiku razaranja virusnih čestica pri njihovoj optimalnoj temperaturi od 37°C. U eksperimentu su korišteni sojevi s maksimalnom i minimalnom otpornošću na toplinu, odnosno "divlji tip" i generalistički virusi sa sedam mutacija (crna i zelena puna linija na slici 2 odgovaraju ova dva genotipa). Pokazalo se da se generalisti s vremenom uništavaju brže od "divljih" virusa. Ovo je očekivani rezultat, jer bi trebalo očekivati da će i virusi manje otporni na toplinu biti manje otporni na optimalna temperatura. Zanimljivija je još jedna stvar: istraživači su otkrili da se tijekom prva dva dana uništavanje virusa divljeg tipa događa konstantnom brzinom, dok se generalni virusi razgrađuju mnogo brže u prvom danu nego u drugom (slika 3).
Ali ako su sve virusne čestice u uzorku iste, tada ih treba uništavati konstantnom brzinom. Dobiveni rezultat sugerira da se čini da su generalistički virusi zastupljeni s dva različita fenotipa, od kojih je jedan nestabilan i brzo se uništava (uglavnom tijekom prvog dana), a drugi sporo (približno istom brzinom kao "divlji" virusi). Međutim, svi generalisti imaju isti genotip. Dakle, govorimo o negenetičkoj varijabilnosti. Najvjerojatnije je problem ovdje različite opcije J presavijanje proteina.
Daljnji eksperimenti pružili su brojne neizravne potvrde ove pretpostavke. Bilo je moguće pokazati da se frakcija generalističkih virusa koja se brzo razgrađuje preferirano veže na OmpF, a frakcija koja se sporo razgrađuje veže na LamB. To je vidljivo, na primjer, iz činjenice da kako se virusne čestice uništavaju, sve manje i manje generalističkih virusa ostaje sposobnih za vezanje na OmpF, dok se udio onih koji se vežu za LamB povećava. A ako odaberete one viruse koji su se vezali na OmpF, tada se preostali virusi, prvo, vežu na LamB bolje od izvorne mješavine, a drugo, uništavaju se sporije tijekom vremena. Dodatni eksperimenti potvrdili su da je varijabilnost kod generalističkih virusa doista negenetska, to jest nenasljedna.
Kao rezultat toga, pojavila se sljedeća shema za pojavu evolucijske inovacije. Tijekom prilagodbe žrtvama sa smanjenom ekspresijom LamB receptora, selekcija je počela podržavati takve mutacije u genu virusa J, što je omogućilo J proteinu da se čvršće veže za LamB. To je postignuto po cijenu destabilizacije J proteina, koji se zbog toga ponekad počeo krivo savijati. Nakon dobivanja četiri takve mutacije (od kojih je svaka povećala afinitet J za LamB), J protein je stekao novu presavijanu varijantu koja mu je omogućila da se veže na drugi receptor, OmpF. Protein s novom funkcijom nastao je kao jedna od varijanti fenotipa u okviru negenetske varijabilnosti. S obzirom na isti genom, neki se virusi sada mogu vezati na OmpF, dok se drugi istog genotipa vežu na LamB. Tako su se pojavili generalistički virusi. Štoviše, svaka se pojedina virusna čestica mnogo učinkovitije veže za jedan od dva receptora nego za drugi. Generalizacija se dogodila na razini populacije, a ne na razini pojedinca.
U budućnosti se generalistički virusi mogu ponovno specijalizirati kada pronađu odgovarajuće uvjete (to jest, imaju pristup žrtvama koje imaju ili samo LamB ili samo OmpF). Tijekom specijalizacije fiksiraju se mutacije koje povećavaju vjerojatnost da će se J protein saviti na način koji je povoljan u danoj situaciji. Kao rezultat, J protein se ponovno stabilizira, odnosno počinje se savijati samo na jedan način. Istodobno se obnavlja i otpornost proteina (i cijelog virusa) na povišene temperature.
Tako je pronađen upečatljiv primjer nastanka nove funkcije kroz međufazu povezanu s destabilizacijom fenotipa. Ostaje nejasno koliko često evolucijske inovacije nastaju na ovaj način u virusima i staničnim organizmima. Daljnja istraživanja trebala bi odgovoriti na ovo pitanje.
Složenost strukture proteinskih molekula i iznimna raznolikost njihovih funkcija čine iznimno teškim stvaranje jedne njihove jasne klasifikacije na bilo kojoj osnovi. Proteini se mogu klasificirati prema njihovom sastavu (jednostavni, složeni), strukturi (fibrilarni, globularni, intermedijarni) i funkcijama. Pogledajmo pobliže strukturnu klasifikaciju.
fibrilarni proteini su jako produljeni (najvažnija je sekundarna struktura) i obavljaju strukturne funkcije.
Kuglasti proteini, koji se grubo mogu predstaviti u obliku sfera (najvažnija je tercijarna struktura), sudjeluju u takvim specifičnim procesima kao što su kataliza, transport, regulacija.
Uz gore navedene vrste proteina, tijelo sadrži male polipeptide ili polipeptide s niskim udjelom ugljika, koji možda sami nemaju fiksnu strukturu, ali je dobivaju u interakciji s drugim makromolekulama. Treba napomenuti da se ova klasifikacija ne može smatrati potpunom, budući da postoje proteini koji ne pripadaju niti jednoj od ovih klasa. Na primjer, miozin, koji u svojoj strukturi sadrži karakteristike i fibrilarnih i globularnih proteina.
Naziva se protein s originalnim, prirodnim rasporedom lanaca, tj. koji ima trodimenzionalnu konfiguraciju domaći, protein s nenamotanim, nasumično savijenim lancem - denaturiran Transformacija nativnog proteina u denaturirani, tj. protein gubi svoju trodimenzionalnu konfiguraciju, naziva se denaturacija(Slika 3.15). Različiti čimbenici mogu uzrokovati denaturaciju. Konkretno, čvrsto pakiranje proteinskog lanca obično se poremeti zagrijavanjem. Toplinska denaturacija - opća svojina bjelančevine. Nakon denaturacije, biološki aktivni protein može se spontano saviti u svoju izvornu konformaciju i obnoviti svoju aktivnost. Proces savijanja denaturiranog proteina naziva se renaturacija.
Riža. 3.15. Denaturacija proteinske molekule:
A- početno stanje; b - početak reverzibilnog poremećaja molekularne strukture; V- nepovratno odvijanje polipeptidnog lanca
S produljenim izlaganjem denaturirajućem sredstvu (temperatura, kemijska tvar, okolina s različitim pH), denaturacija postaje nepovratna (na slici 3.15 ovaj proces je označen strelicom između stanja proteinske molekule b I V). Većina proteina denaturira kada se njihove otopine zagriju iznad 50-60 °C.
Denaturirani protein gubi sposobnost topljenja u vodi. Najviše karakteristična značajka Denaturacija je oštro smanjenje ili potpuni gubitak biološke aktivnosti proteina (katalitičke, antigene ili hormonske). Činjenica da denaturirana bjelančevina u potpunosti gubi svoja biološka svojstva potvrđuje blisku vezu između strukture proteinske molekule i funkcije koju obavlja u tijelu.
Sposobnost proteinske molekule da se spontano renaturira kada se ukloni vanjski agresivni utjecaj sugerira da sama sekvenca aminokiselina određuje prostornu strukturu proteina bez sudjelovanja bilo kakvog vanjskog regulacijskog centra.
Trenutno, denaturacija i renaturacija globularnih proteina in vitro Intenzivno se proučavaju, budući da su ti procesi povezani s problemom samoorganizacije proteina, odnosno s pitanjem kako proteinski lanac „pronalazi“ svoju jedinstvenu strukturu među golemim brojem mogućih alternativa.
Fibrilarni proteiničine osnovu u vodi netopljivih i izdržljivih materijala, kao što su rogovi, kopita, nokti, vuna, dlaka, perje, koža, tetive i međustanična tvar koštanog tkiva. Kosa je dovoljno duga jaka vlakna, čija je osnova protein - a-keratin. U srcu tetiva je još jedan protein - kolagena. Daje elastičnost i otpornost stijenkama arterija ili plućnih alveola elastin. Zajednička značajka Ovi proteini sudjeluju u formiranju njihove prostorne strukture kovalentnih nepeptidnih veza.
Keratini oblik dlake i vune intermedijarni filamenti, koji se sastoji od dugih polipeptidnih lanaca s velikim domenama koje tvore α-heliksi i koji sadrže ponavljajuće sekvence od sedam aminokiselinskih ostataka (heptapeptidi). Dva identično usmjerena lanca keratina tvore superheliks, u kojem su nepolarni aminokiselinski ostaci okrenuti prema unutra i time su zaštićeni od utjecaja vode. Ova struktura je dodatno stabilizirana brojnim disulfidnim vezama koje tvore cisteinski ostaci susjednih lanaca. Superhelikalni dimeri se zauzvrat kombiniraju u tetramere, slično četverožilnom užetu.
Kolagen formirana izvan stanica iz proteina koji one luče - prokolagen, koji se kao rezultat međudjelovanja odgovarajućih enzima pretvara u kolagen. Molekula prokolagena je trostruka superheliks formirana od tri specijalizirana polipeptida upletena zajedno. Nadalje, nakon cijepanja terminalnih polipeptida, tropokolagen, koji je upakiran u kolagena vlakna. Svaki od tri polipeptida u tropokolagenu je u obliku lijeve spirale (za razliku od uobičajenih desnokretnih α-spirala u proteinima). Oko trećine aminokiselinskih ostataka u tropokolagenu predstavlja prolin, a svaki treći ostatak je glicin.
Tijekom stvaranja kolagena, mnogi ostaci prolina i lizina se hidroksiliraju u prisutnosti askorbinske kiseline, pretvarajući se u hidroksiprolin, odnosno hidroksilizin:
Ti su ostaci uključeni u protein ne tijekom njegove matrične sinteze, već kao rezultat kemijskih posttranslacijska transformacija aminokiselina koje sadrži. Hidroksilacija prolina zahtijeva kao kofaktor (neproteinska komponenta neophodna za učinkovit rad) askorbinska kiselina (vitamin C), koja je potrebna za održavanje reduciranog stanja Fe 2+ iona u aktivnom centru enzima prolil-hidroksilaze. Uz nedostatak vitamina C, formiranje vezivnog tkiva je poremećeno, što uzrokuje ozbiljnu bolest - skorbut.
Tri spiralno namotane molekule tropokolagena međusobno su kovalentno povezane, tvoreći čvrstu strukturu. Takvo povezivanje nije moguće u konvencionalnoj proteinskoj spirali, budući da ga sprječavaju glomazni bočni lanci. U kolagenu su spirale više izdužene (ima 3 ostatka po zavoju, umjesto 3,6), budući da je svaki treći aminokiselinski ostatak glicin, pa su spirale na tim točkama što bliže jedna drugoj. Dodatna stabilizacija strukture provodi se vodikovim vezama hidroksiliranih ostataka lizina i prolina.
Molekule tropokolagena sadrže oko 1000 aminokiselinskih ostataka. Sastavljaju se u kolagene fibrile, spajajući glavu s repom. Šupljine u ovoj strukturi, ako je potrebno, mogu poslužiti kao mjesto za početno taloženje kristala hidroksiapatita Ca 5 (0H) (P0 4)3, koji igra važna uloga u mineralizaciji kostiju.
Tetivni kolagen prolazi kroz enzimatsku modifikaciju - rezidue lizina su kovalentno umrežene na terminalnim dijelovima tropokolagenskih lanaca. Dakle, tetive su snopovi paralelno usmjerenih fibrila. Za razliku od tetiva u koži, kolagena vlakna tvore neku vrstu neuređene dvodimenzionalne mreže.
Elastin svojom strukturom razlikuje se od kolagena i a-keratina. Sadrži obične α-spirale koje tvore umreženu mrežu, koja svoju neobično visoku elastičnost duguje jedinstvenom načinu na koji su bočni lanci lizina povezani:
četiri blisko raspoređena lizinska ostatka 
čine tzv dezmozin struktura koja kombinira četiri dijela peptidnih lanaca u jednu cjelinu (slika 3.16).
Riža. 3.16. Kemijska struktura dezmozina
Globularni proteini. Većina proteinskih molekula u tijelu ima globularnu strukturu. Peptidna veza u globularnim proteinima u njihovom prirodnom stanju je savijena u kompaktne strukture - globule, koji se u prvoj gruboj procjeni može prikazati u obliku lopte ili ne previše izduženog elipsoida, za razliku od fibrilarnih proteina, gdje su dugi polipeptidni lanci izduženi duž jedne osi.
Globule su stabilne u vodenim sustavima zbog činjenice da su polarne skupine glavnog i bočnih lanaca koncentrirane na površini u kontaktu s vodom, a nepolarne su okrenute duboko u molekulu i zaštićene su od tog kontakta. Ionske veze ponekad se stvaraju na površini proteinske globule - slani mostovi.
>N-H i >C=0 skupine glavnog lanca koje se nalaze unutar globule s formiranim vodikovim vezama tvore a-spirale i (3-slojeve) Destabilizirajući faktor prostornog pakiranja je prisutnost nekih skupina u dubini globule koji su potencijalno sposobni stvarati ionske i vodikove veze, ali su zapravo lišeni partnera.
U fiziološkim uvjetima, stanje proteina, koji ima nativnu trodimenzionalnu strukturu, je termodinamički stabilno, tj. odgovara minimalnom slobodna energija. Informacije potrebne za savijanje proteina u njegovu nativnu konformaciju sadržane su u njegovoj aminokiselinskoj sekvenci. Stoga je u načelu teoretski moguće predvidjeti trodimenzionalnu strukturu bilo kojeg proteina na temelju njegove aminokiselinske sekvence. Međutim, predviđanje tercijarne strukture ostaje neriješen problem u molekularnoj biologiji. Savijanje proteinske molekule iz nesmotanog stanja mora se izvesti na jedan način. Ako pretpostavimo da se molekula proteina sastoji od 50 ostataka, od kojih svaki može poprimiti 10 različitih konformacija, tada će ukupan broj mogućih konformacija biti 10 50, a ako je karakteristično vrijeme molekularnih preraspodjela 10 “13 s, onda je redom da bi se isprobale sve konformacije, trebat će 10 37 s (~ 10 30 godina). Stoga postoji usmjereni put za savijanje proteina.
Stabilnost savijene proteinske molekule u vodenom okruženju je izuzetno niska. Glavna pokretačka snaga savijanja je entropijski hidrofobni učinak, zbog kojeg nepolarne skupine nastoje napustiti vodeni okoliš i završiti unutar globule. Postoji i suprotan učinak, koji sprječava presavijanje, a posljedica je činjenice da je za presavijenu proteinsku molekulu broj dopuštenih konformacija glavnog i bočnih lanaca manji nego za nesmotanu.
Hemoglobin (Hb)- protein koji prenosi kisik iz pluća u tkiva. Hb je lokaliziran u crvenim krvnim stanicama – eritrocitima.
Kao što je već navedeno (vidi sliku 3.14), hemoglobin se sastoji od četiri polipeptidna lanca, od kojih svaki sadrži hem (slika 3.17). Funkcionalni odnos ovih lanaca je takav da dodatak O2 jednom od atoma željeza povećava afinitet prema kisiku ostala tri.
Hemoglobini su cijela klasa proteina, čiji se predstavnici razlikuju po jednom ili dva aminokiselinska ostatka ili njihovom slijedu. Odrasla osoba ima hemoglobin tipa HLA. Osim HbA, postoji i fetalni hemoglobin HbF, koji nestaje nakon rođenja. Molekularna težina oba hemoglobina je približno ista (64 500); razlikuju se samo u slijedu aminokiselinskih ostataka. Uz uobičajeno postojeće hemoglobine, u ljudskom tijelu se nalaze abnormalni HbS, HbG, HbS, HbH itd. Zajedničko svim hemoglobinima je način na koji su njihovi polipeptidni lanci raspoređeni oko velikog ravnog prstena. hem, identičan za sve, u čijem se središtu nalazi atom željeza (porfirinski prsten).
Hem se sastoji od atoma ugljika, dušika i vodika, koji tvore ravni prsten koji se naziva porfirin (slika 3.17). U središtu prstena nalazi se atom Fe koji je s atomima prstena povezan četirima koordinacijskim vezama (od šest mogućih). Hem je okružen s dva histidinska ostatka (His). Imidazolna skupina histidina (F-8) koordinirana je s atomom Fe preko pete koordinacijske veze. Šesta veza služi za spajanje na molekulu O2.
Riža. 3.17.
mioglobina- mišićni protein koji prenosi kisik u mišićnim stanicama. Sastoji se od jednog polipeptidnog lanca, sadrži samo α-spirale povezane petljama i ima jedan hem. Aminokiselinska sekvenca mioglobina razlikuje se od sekvenci a-lanca hemoglobina. Međutim, tercijarna struktura a-lanca hemoglobina i mioglobina je identična. Opća metoda savijanja α-spirala globularnih proteina naziva se globinski tip preklapanja.
DO nukleinske kiseline uključuju visokopolimerne spojeve koji se tijekom hidrolize razgrađuju na purinske i pirimidinske baze, pentozu i fosfornu kiselinu. Nukleinske kiseline sadrže ugljik, vodik, fosfor, kisik i dušik. Postoje dvije klase nukleinskih kiselina: ribonukleinske kiseline (RNA) I deoksiribonukleinske kiseline (DNA).
Struktura i funkcije DNA
DNK- polimer čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. Model prostorne strukture molekule DNA u obliku dvostruke spirale predložili su 1953. J. Watson i F. Crick (za izgradnju ovog modela koristili su se radovima M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa. ).
molekula DNA tvore dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan oko drugog i zajedno oko zamišljene osi, tj. je dvostruka spirala (s iznimkom da neki virusi koji sadrže DNA imaju jednolančanu DNA). Promjer dvostruke spirale DNA je 2 nm, udaljenost između susjednih nukleotida je 0,34 nm, a po zavoju spirale dolazi 10 parova nukleotida. Duljina molekule može doseći nekoliko centimetara. Molekulska težina - deseci i stotine milijuna. Ukupna duljina DNA u jezgri ljudske stanice je oko 2 m. U eukariotskim stanicama DNA tvori komplekse s proteinima i ima specifičnu prostornu konformaciju.
DNA monomer - nukleotid (dezoksiribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri tvari: 1) dušične baze, 2) monosaharida s pet ugljika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Dušične baze nukleinskih kiselina pripadaju razredima pirimidina i purina. DNA pirimidinske baze(imaju jedan prsten u svojoj molekuli) - timin, citozin. Purinske baze(imaju dva prstena) - adenin i gvanin.
DNA nukleotid monosaharid je deoksiriboza.
Naziv nukleotida izveden je iz naziva odgovarajuće baze. Nukleotidi i dušične baze označeni su velikim slovima.
Polinukleotidni lanac nastaje kao rezultat reakcija kondenzacije nukleotida. U ovom slučaju, između 3"-ugljika ostatka deoksiriboze jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog, fosfoesterska veza(spada u kategoriju jakih kovalentnih veza). Jedan kraj polinukleotidnog lanca završava s 5" ugljikom (koji se naziva 5" kraj), drugi završava s 3" ugljikom (3" kraj).
Nasuprot jednog lanca nukleotida nalazi se drugi lanac. Raspored nukleotida u ova dva lanca nije slučajan, već strogo definiran: timin se uvijek nalazi nasuprot adeninu jednog lanca u drugom lancu, a citozin uvijek nasuprot gvaninu, dvije vodikove veze nastaju između adenina i timina, a tri između gvanina i citozina nastaju vodikove veze. Obrazac prema kojem su nukleotidi različitih lanaca DNA strogo poredani (adenin – timin, gvanin – citozin) i selektivno se međusobno povezuju naziva se načelo komplementarnosti. Valja napomenuti da su J. Watson i F. Crick shvatili načelo komplementarnosti nakon što su se upoznali s radovima E. Chargaffa. E. Chargaff, proučavajući ogroman broj uzoraka tkiva i organa različitih organizama, otkrio je da u bilo kojem fragmentu DNA sadržaj ostataka gvanina uvijek točno odgovara sadržaju citozina, a adenina timinu ( "Chargaffovo pravilo"), ali tu činjenicu nije mogao objasniti.
Iz načela komplementarnosti proizlazi da slijed nukleotida jednog lanca određuje slijed nukleotida drugog.
Lanci DNA su antiparalelni (višesmjerni), tj. nukleotidi različitih lanaca nalaze se u suprotnim smjerovima, pa je, prema tome, nasuprot 3" kraju jednog lanca 5" kraj drugog. Molekula DNK ponekad se uspoređuje s spiralne stepenice. "Ograda" ovog stubišta je šećerno-fosfatna okosnica (izmjenični ostaci deoksiriboze i fosforne kiseline); “koraci” su komplementarne dušične baze.
Funkcija DNA- pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija.
replikacija DNK (reduplikacija)
- proces samodupliciranja, glavno svojstvo molekule DNA. Replikacija pripada kategoriji reakcija sinteze matriksa i odvija se uz sudjelovanje enzima. Pod djelovanjem enzima molekula DNA se odmotava, a oko svakog lanca se gradi novi lanac koji djeluje kao predložak, prema principima komplementarnosti i antiparalelizma. Dakle, u svakoj DNK kćeri, jedan lanac je matični lanac, a drugi je novosintetiziran. Ova metoda sinteze naziva se polukonzervativan.
“Građevni materijal” i izvor energije za replikaciju su deoksiribonukleozid trifosfati(ATP, TTP, GTP, CTP), koji sadrži tri ostatka fosforne kiseline. Kada se deoksiribonukleozidni trifosfati ugrade u polinukleotidni lanac, dva krajnja ostatka fosforne kiseline se odcjepljuju, a oslobođena energija se koristi za stvaranje fosfodiesterske veze između nukleotida.
Sljedeći enzimi sudjeluju u replikaciji:
- helikaze ("odmotavanje" DNA);
- destabilizirajući proteini;
- DNA topoizomeraze (rezana DNA);
- DNA polimeraze (odabiru deoksiribonukleozid trifosfate i komplementarno ih pričvršćuju na lanac DNA predloška);
- RNA primaze (tvore RNA početnice);
- DNA ligaze (međusobno povezuju fragmente DNA).
Uz pomoć helikaza, DNA se razmrsuje u određenim dijelovima, jednolančani dijelovi DNA vezani su destabilizirajućim proteinima, a replikacijska vilica. Uz divergenciju od 10 parova nukleotida (jedan okret spirale), molekula DNA mora napraviti puni krug oko svoje osi. Kako bi spriječila ovu rotaciju, DNA topoizomeraza reže jedan lanac DNA, dopuštajući mu da se okreće oko drugog lanca.
DNA polimeraza može pričvrstiti nukleotid samo na 3" ugljik deoksiriboze prethodnog nukleotida, stoga se ovaj enzim može kretati uzduž predloška DNA u samo jednom smjeru: od 3" kraja do 5" kraja ovog predloška DNA Budući da su u matičnoj DNK lanci antiparalelni, tada se na različitim lancima kćeri polinukleotidni lanci odvijaju različito iu suprotnim smjerovima, sinteza polinukleotidnog lanca kćeri se odvija bez prekida će se zvati lanac kćeri; vodeći. Na lancu od 5"-3" - povremeno, u fragmentima ( fragmenti Okazakija), koji se nakon završetka replikacije DNA ligazama spajaju u jedan lanac; ovaj lanac dijete će se zvati oklijevanje (zaostajući).
Posebnost DNA polimeraze je da može započeti svoj rad tek s "sjemenke" (početnica). Ulogu "primera" obavljaju kratke RNA sekvence formirane od strane enzima RNA primaze i uparene s predloškom DNA. RNA početnice uklanjaju se nakon završetka sastavljanja polinukleotidnih lanaca.
Replikacija se odvija slično u prokariota i eukariota. Brzina sinteze DNA u prokariota je za red veličine veća (1000 nukleotida u sekundi) nego u eukariota (100 nukleotida u sekundi). Replikacija počinje istodobno u nekoliko dijelova molekule DNA. Fragment DNK od jednog izvora replikacije do drugog tvori jedinicu replikacije - replikon.
Replikacija se događa prije stanične diobe. Zahvaljujući ovoj sposobnosti DNK, nasljedne informacije se prenose sa stanice majke na stanice kćeri.
Popravak ("popravak")
Reparacije je proces uklanjanja oštećenja nukleotidnog niza DNA. Provode ga posebni enzimski sustavi stanice ( popravljaju enzime). U procesu obnove strukture DNA mogu se razlikovati sljedeći stupnjevi: 1) nukleaze za popravak DNA prepoznaju i uklanjaju oštećeno područje, uslijed čega nastaje praznina u lancu DNA; 2) DNA polimeraza popunjava ovu prazninu, kopira informacije iz drugog ("dobrog") lanca; 3) DNA ligaza "povezuje" nukleotide, dovršavajući popravak.
Tri su mehanizma popravka najviše proučavana: 1) fotopopravak, 2) ekscizijski ili predreplikacijski popravak, 3) postreplikacijski popravak.
Promjene u strukturi DNA događaju se u stanici stalno pod utjecajem reaktivnih metabolita, ultraljubičastog zračenja, teški metali i njihove soli itd. Stoga defekti u sustavima za popravak povećavaju brzinu mutacijskih procesa i uzrok su nasljednih bolesti (xeroderma pigmentosum, progeria i dr.).
Građa i funkcije RNA
- polimer čiji su monomeri ribonukleotidi. Za razliku od DNA, RNA se ne sastoji od dva, već od jednog polinukleotidnog lanca (s iznimkom da neki virusi koji sadrže RNA imaju dvolančanu RNA). RNA nukleotidi sposobni su međusobno stvarati vodikove veze. RNK lanci su mnogo kraći od DNK lanaca.
RNA monomer - nukleotid (ribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri tvari: 1) dušične baze, 2) monosaharida s pet ugljika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Dušične baze RNK također pripadaju klasama pirimidina i purina.
Pirimidinske baze RNK su uracil i citozin, a purinske baze su adenin i gvanin. RNA nukleotid monosaharid je riboza.
Istaknuti tri tipa RNA: 1) informativni(glasnička) RNA - mRNA (mRNA), 2) prijevoz RNA - tRNA, 3) ribosomski RNA - rRNA.
Sve vrste RNA su nerazgranati polinukleotidi, imaju specifičnu prostornu konformaciju i sudjeluju u procesima sinteze proteina. Podaci o strukturi svih vrsta RNA pohranjeni su u DNA. Proces sinteze RNA na DNA šabloni naziva se transkripcija.
Prijenosne RNA obično sadrže 76 (od 75 do 95) nukleotida; molekularne težine - 25 000-30 000 tRNA čini oko 10%. opći sadržaj RNA u stanici. Funkcije tRNA: 1) transport aminokiselina do mjesta sinteze proteina, do ribosoma, 2) translacijski posrednik. U stanici se nalazi oko 40 tipova tRNA, a svaki od njih ima jedinstvenu sekvencu nukleotida. Međutim, sve tRNA imaju nekoliko intramolekularnih komplementarnih regija, zbog čega tRNA dobivaju konformaciju poput lista djeteline. Svaka tRNA ima petlju za kontakt s ribosomom (1), petlju antikodona (2), petlju za kontakt s enzimom (3), akceptorsko stablo (4) i antikodon (5). Aminokiselina se dodaje na 3" kraj akceptorskog stabla. Antikodon- tri nukleotida koji "identificiraju" kodon mRNA. Treba naglasiti da specifična tRNA može transportirati strogo definiranu aminokiselinu koja odgovara njezinom antikodonu. Specifičnost veze između aminokiseline i tRNA postiže se zahvaljujući svojstvima enzima aminoacil-tRNA sintetaze.
Ribosomska RNA sadrže 3000-5000 nukleotida; molekularna težina - 1 000 000-1 500 000 rRNA čini 80-85% ukupnog sadržaja RNA u stanici. U kompleksu s ribosomskim proteinima, rRNA tvori ribosome - organele koji provode sintezu proteina. U eukariotskim stanicama sinteza rRNA odvija se u jezgrici. Funkcije rRNA: 1) neophodna strukturna komponenta ribosoma i, na taj način, osiguravanje funkcioniranja ribosoma; 2) osiguravanje interakcije ribosoma i tRNA; 3) početno vezanje ribosoma i inicijacijskog kodona mRNA i određivanje okvira čitanja, 4) stvaranje aktivnog središta ribosoma.
Glasničke RNA varirao u sadržaju nukleotida i molekularnoj težini (od 50 000 do 4 000 000). mRNA čini do 5% ukupnog sadržaja RNA u stanici. Funkcije mRNA: 1) prijenos genetske informacije od DNA do ribosoma, 2) matrica za sintezu proteinske molekule, 3) određivanje aminokiselinskog slijeda primarne strukture proteinske molekule.
Građa i funkcije ATP-a
Adenozin trifosforna kiselina (ATP)- univerzalni izvor i glavni akumulator energije u živim stanicama. ATP se nalazi u svim biljnim i životinjskim stanicama. Količina ATP-a je prosječno 0,04% (od mokre mase stanice), najveća količina ATP-a (0,2-0,5%) nalazi se u skeletnim mišićima.
ATP se sastoji od ostataka: 1) dušične baze (adenin), 2) monosaharida (riboza), 3) tri fosforne kiseline. Budući da ATP ne sadrži jedan, već tri ostatka fosforne kiseline, pripada ribonukleozid trifosfatima.
Većina rada koji se događa u stanicama koristi energiju hidrolize ATP-a. U tom slučaju, kada se terminalni ostatak fosforne kiseline eliminira, ATP se transformira u ADP (adenozin difosforna kiselina), a kada se drugi ostatak fosforne kiseline eliminira, pretvara se u AMP (adenozin monofosforna kiselina). Prinos slobodne energije nakon eliminacije krajnjeg i drugog ostatka fosforne kiseline je 30,6 kJ. Eliminacija treće fosfatne skupine praćena je otpuštanjem samo 13,8 kJ. Veze između krajnjeg i drugog, drugog i prvog ostatka fosforne kiseline nazivaju se makroergičke (visokoenergetske).
Rezerve ATP-a se stalno obnavljaju. U stanicama svih organizama sinteza ATP-a odvija se u procesu fosforilacije, tj. adicija fosforne kiseline na ADP. Fosforilacija se događa različitim intenzitetom tijekom disanja (mitohondriji), glikolize (citoplazma) i fotosinteze (kloroplasti).
ATP je glavna poveznica između procesa praćenih oslobađanjem i akumulacijom energije i procesa koji se odvijaju uz potrošnju energije. Osim toga, ATP je, zajedno s ostalim ribonukleozid trifosfatima (GTP, CTP, UTP), supstrat za sintezu RNK.
Ići predavanja br.3“Struktura i funkcije proteina. Enzimi"
Ići predavanja br.5„Stanična teorija. Vrste stanične organizacije"
Rad i funkcije proteina temelj su strukture svakog organizma i svih životnih reakcija koje se u njemu odvijaju. Svaki poremećaj ovih proteina dovodi do promjena u našem blagostanju i zdravlju. Potreba za proučavanjem strukture, svojstava i vrsta proteina leži u raznolikosti njihovih funkcija.
Prve riječi iz definicije pojma života F. Engelsa “Život je način postojanja proteinskih tijela, ....” još uvijek, nakon stoljeća i pol, nisu izgubile svoju ispravnost i relevantnost.
Strukturna funkcija
Supstanca vezivno tkivo i međustaničnog matriksa tvore proteini kolagena , elastin, keratin, proteoglikani .
Izravno sudjeluje u izgradnji membrana i citoskeleta (integralni, poluintegralni i površinski proteini) – spektrin(površinski, glavni protein citoskeleta eritrocita), glikoforin(integralni, fiksira spektrin na površini).
Ova funkcija uključuje sudjelovanje u stvaranju organela - ribosomi.
Enzimska funkcija
svi enzima su proteini.
Istovremeno, postoje dokazi o postojanju ribozimi, tj. ribonukleinske kiseline s katalitičkom aktivnošću.
Hormonska funkcija
Hormoni reguliraju i koordiniraju metabolizam u različitim stanicama tijela. Hormoni kao što su inzulin I glukagon su proteini, svi hormoni hipofize su peptidi ili mali proteini.
Funkcija receptora
Ova se funkcija sastoji od selektivnog vezanja hormona, biološki aktivnih tvari i medijatora na površini membrana ili unutar stanica.
Transportna funkcija
Samo proteini prenose tvari u krvi, Na primjer, lipoproteini(prijenos masti) hemoglobin(vezivanje kisika), haptoglobin (transport hema), transferin(prijevoz željeza). Proteini prenose kalcij, magnezij, željezo, bakar i druge ione u krvi.
Transport tvari kroz membrane unositi proteine - Na+,K+-ATPaza(antismjerni transmembranski transport iona natrija i kalija), Ca 2+ -ATPaza(ispumpavanje iona kalcija iz stanice), transporteri glukoze.
Rezervna funkcija
Primjer pohranjenih proteina je proizvodnja i nakupljanje u jajetu jajni albumin.
Životinje i ljudi nemaju takve specijalizirane depoe, ali tijekom dugotrajnog posta koriste se proteini mišići, limfni organi, epitelna tkiva I jetra.
Kontraktilna funkcija
Postoji niz unutarstaničnih proteina dizajniranih za promjenu oblika stanice i kretanje same stanice ili njezinih organela ( tubulin, aktin, miozin).
Zaštitna funkcija
Zaštitnu funkciju, sprječavanje infektivnog procesa i održavanje stabilnosti tijela, obavlja imunoglobulini krvi, faktori sustava upotpuniti, dopuna(properdin), kod oštećenja tkiva djeluju proteini koagulacije krv - na primjer, fibrinogen, protrombin, antihemofilni globulin. Mehanički zaštitu u obliku sluznice i kože osigurava kolagen i proteoglikani .
Ova funkcija također uključuje održavanje dosljednosti koloidno osmotski krvni tlak, intersticij i unutarstanični prostor, kao i druge funkcije krvnih proteina.
Proteinski puferski sustav uključen je u održavanje acidobazno stanje .
Postoje proteini koji su predmet posebnog proučavanja:
Monelin– izoliran iz afričke biljke, vrlo je slatkog okusa, nije otrovan i ne doprinosi pretilosti.
Resilin– ima gotovo savršenu elastičnost, formira „šarke” na mjestima pričvršćenja krila insekata.
Proteini sa svojstvima antifriz pronađeni u antarktičkim ribama, štite krv od smrzavanja
- Naprijed >