Ahli biologi Amerika telah menguraikan mekanisme evolusi yang memungkinkan bakteriofag lambda berproduksi jalan baru infeksi sel bakteri. Inovasi evolusioner muncul sebagai respons terhadap bakteri yang memperoleh resistensi terhadap cara serangan virus yang lama, berdasarkan perlekatan protein J virus ke protein permukaan bakteri LambB. Dalam situasi ini, seleksi pertama-tama memperbaiki mutasi gen J, meningkatkan fungsi lama. “Pembayaran” untuk pengikatan yang lebih baik pada LambB adalah destabilisasi protein J. Hasilnya, diperoleh virus yang protein J dapat memiliki dua konfigurasi spasial berbeda untuk genom yang sama. Dalam kasus ini, partikel virus dengan J yang terlipat “benar” menginfeksi korban dengan cara lama, sementara yang lain (dengan genom yang sama, tetapi dengan J yang terlipat “salah”) melakukannya dengan cara baru, menempel pada protein permukaan lain dari virus tersebut. bakteri (OmpF). Kedepannya, kedua varian tersebut dapat stabil dengan memperbaiki mutasi tambahan, yang justru mengarah pada pembelahan virus asli menjadi dua jenis. Karya ini menegaskan gagasan lama, namun dengan sedikit bukti eksperimental, bahwa fungsi-fungsi baru dapat berkembang melalui tahap peralihan dari destabilisasi fenotipik yang diikuti dengan stabilisasi (“asimilasi genetik”) dari penyimpangan non-keturunan yang berhasil.
Para ahli teori telah lama memperdebatkan kemungkinan peran destabilisasi fenotipik dalam munculnya inovasi evolusioner. Diasumsikan bahwa inovasi dapat muncul menurut skema berikut: “ fenotip stabil awal → efek destabilisasi (misalnya, perubahan lingkungan yang tajam) → pertumbuhan variabilitas non-genetik → asimilasi genetik dari fenotipe yang berhasil, yaitu konsolidasi mutasi yang menstabilkan varian fenotipe yang ternyata adaptif dalam kondisi baru" Model ini dijelaskan secara rinci dalam berita Destabilisasi Pembangunan - Jalan Menuju Inovasi Evolusioner (“Elemen”, 13/07/2009). Idenya tampak logis, namun masih ada sedikit bukti eksperimental langsung yang mendukungnya (lihat tautan di akhir berita).
Ahli biologi Amerika yang bekerja dengan bakteriofag lambda (lihat fag Lambda) telah menambahkan bukti lain ke dalam kumpulan contoh yang dikonfirmasi tentang efektivitas mekanisme ini.
Sebuah inovasi evolusioner yang muncul secara sistematis pada fag λ dalam kondisi tertentu dipelajari. Biasanya, fag ini menginfeksi korbannya, E. coli Escherichia coli, menempel pada protein permukaan (reseptor) LambB. Namun, korban dapat mengembangkan resistensi terhadap virus dengan mengakumulasi mutasi yang menurunkan tingkat ekspresi reseptor ini. Jumlah molekul LambB pada permukaan sel bakteri berkurang, dan tidak ada lagi yang dapat diambil oleh virus.
Dengan adanya bakteri yang resisten, virus harus melalui seleksi yang ketat karena kemampuannya untuk melekat seefisien mungkin pada beberapa molekul LambB yang tersisa. Seleksi secara berturut-turut memperbaiki 4-7 mutasi pada gen virus yang mengkode protein J. Protein ini terletak di ujung batang virus dan bertanggung jawab untuk melekat pada LamB (Gbr. 1).
Tanpa diduga, mutasi ini tidak hanya meningkatkan kekuatan ikatan dengan LambB, tetapi juga memberikan protein J kemampuan baru - untuk menempel pada protein permukaan bakteri lainnya, OmpF. Faktanya, virus mengembangkan cara baru untuk menginfeksi sel bakteri. Virus tersebut berhasil menginfeksi bakteri bahkan yang tidak memiliki LamB sama sekali (J. R. Meyer et al., 2012. Pengulangan dan Kontingensi dalam Evolusi Inovasi Utama di Phage Lambda).
Baru-baru ini ditunjukkan bahwa virus generalis yang dihasilkan (yang mampu menginfeksi korbannya melalui dua cara) kemudian dapat berspesialisasi lagi, yaitu kehilangan salah satu dari dua cara penularan, dan mengoptimalkan yang lain. Hal ini dapat menyebabkan spesiasi (terpecah menjadi dua spesies). Meskipun fag λ tidak bereproduksi secara seksual, mereka melakukan rekombinasi - pertukaran bagian genom antara virus yang menginfeksi sel yang sama. Dari segi akibat evolusi, ini hampir sama dengan reproduksi seksual. Ternyata adaptasi terhadap inang yang hanya memiliki satu dari dua reseptor (LamB atau OmpF) menyebabkan terbaginya virus generalis menjadi dua kelompok khusus, yang masing-masing hanya mampu menginfeksi satu jenis korban. Virus tersebut tidak dapat lagi bertukar gen satu sama lain, karena mutasi yang tidak kompatibel telah ditetapkan dalam genomnya (J. R. Meyer et al., 2016. Spesiasi ekologi bakteriofag lambda pada alopatri dan simpatri). Oleh karena itu, mereka dapat dianggap spesies yang berbeda.
Dalam sebuah penelitian baru, yang hasilnya dipublikasikan di jurnal Sains, Ahli virologi Amerika telah menemukan bagaimana protein J dari virus generalis berhasil menggabungkan dua fungsi. Pada organisme seluler, perubahan evolusioner seperti itu biasanya terjadi melalui duplikasi gen yang diikuti dengan pembagian fungsi antar salinan. Tapi fag generalis punya gen J tidak diduplikasi.
Mekanisme alternatif melibatkan destabilisasi protein. Para penulis menyarankan bahwa mutasi telah diperbaiki pada gen J pada fag generalis, memasukkan elemen kekacauan ke dalam proses pelipatan protein yang dikodekan (lihat Pelipatan protein). Ada kemungkinan bahwa protein J pada fag generalis dapat mengadopsi dua konformasi berbeda, salah satunya berikatan dengan LamB dan yang lainnya dengan OmpF.
Destabilisasi struktur spasial suatu protein seringkali disertai dengan penurunan ketahanannya terhadap peningkatan suhu. Oleh karena itu, para ilmuwan mulai menguji hipotesis mereka dengan menilai ketahanan virus terhadap panas berlebih. Untuk melakukan hal ini, mereka menyimpan partikel virus dengan genotipe berbeda pada suhu berbeda selama satu jam (dari 37°C - suhu optimal untuk fag λ hingga 55°C yang mematikan) dan melihat berapa persentase virus yang masih dapat bertahan. Eksperimen ini menggunakan genotipe yang sesuai dengan tahapan berbeda dari jalur evolusi yang dipelajari sebelumnya dari virus induk (hanya mengikat LamB) hingga virus generalis. Virus yang diteliti hanya berbeda pada mutasi gennya J, dan genom mereka lainnya sama.
Hasilnya membenarkan ekspektasi para peneliti (Gbr. 2). Ternyata terjadi mutasi pada gen J, yang, selama adaptasi virus pada korban dengan penurunan ekspresi LamB, meningkatkan afinitas J terhadap LamB, dan kemudian memungkinkan untuk juga berikatan dengan OmpF, sekaligus mengurangi termostabilitas protein J.
Namun, hal ini sendiri tidak berarti apa-apa, karena mutasi yang mengubah rangkaian asam amino protein sering kali menurunkan ketahanan protein terhadap panas berlebih - hal ini merupakan hal yang biasa. Namun dalam kasus ini, semuanya menjadi lebih menarik. Para penulis menguji termosensitivitas virus yang disebutkan di atas - keturunan generalis, yang, dalam evolusi lebih lanjut, kembali menjadi spesialis, setelah kehilangan kemampuan untuk menempel pada salah satu dari dua reseptor. Virus ini memiliki “spesialis sekunder” dalam gennya J bahkan lebih banyak mutasi dibandingkan versi aslinya dibandingkan versi generalis. Namun, ketahanan mereka terhadap panas ternyata sama tingginya dengan virus “liar”. Jadi, mutasi yang “menggeneralisasi” mengurangi termostabilitas, sementara mutasi yang “mengkhususkan” meningkatkannya lagi.
Hasil paling menarik diperoleh ketika penulis menganalisis waktu pada dan dinamika penghancuran partikel virus pada suhu optimal 37°C. Eksperimen ini menggunakan strain dengan ketahanan panas maksimum dan minimum, yaitu virus “tipe liar” dan virus generalis dengan tujuh mutasi (garis padat hitam dan hijau pada Gambar 2 sesuai dengan kedua genotipe ini). Ternyata virus generalis dimusnahkan lebih cepat dari waktu ke waktu dibandingkan virus “liar”. Hal ini merupakan hasil yang diharapkan, karena virus yang kurang tahan panas juga diperkirakan akan kurang tahan terhadap panas suhu optimal. Hal lain yang lebih menarik: para peneliti menemukan bahwa selama dua hari pertama, penghancuran virus tipe liar terjadi pada tingkat yang konstan, sedangkan virus generalis terdegradasi jauh lebih cepat pada hari pertama dibandingkan pada hari kedua (Gbr. 3).
Namun jika semua partikel virus dalam sampel sama, maka partikel tersebut harus dimusnahkan dengan kecepatan yang konstan. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa virus generalis tampaknya diwakili oleh dua fenotipe yang berbeda, yang satu tidak stabil dan hancur dengan cepat (terutama pada hari pertama), dan yang lainnya perlahan (kira-kira sama kecepatannya dengan virus “ liar”). Namun, semua generalis memiliki genotipe yang sama. Oleh karena itu, kita berbicara tentang variabilitas non-genetik. Kemungkinan besar, masalahnya di sini adalah pilihan yang berbeda Lipatan protein J.
Eksperimen lebih lanjut memberikan sejumlah konfirmasi tidak langsung terhadap asumsi ini. Hal ini memungkinkan untuk menunjukkan bahwa fraksi virus generalis yang terdegradasi dengan cepat lebih disukai berikatan dengan OmpF, dan fraksi yang terdegradasi secara perlahan berikatan dengan LamB. Hal ini terbukti, misalnya, dari fakta bahwa ketika partikel virus dihancurkan, semakin sedikit virus generalis yang mampu berikatan dengan OmpF, sementara proporsi virus yang berikatan dengan LambB meningkat. Dan jika Anda memilih virus yang terikat pada OmpF, maka virus lainnya, pertama, mengikat LambB lebih baik daripada campuran aslinya, dan kedua, virus tersebut dihancurkan lebih lambat seiring waktu. Eksperimen tambahan menegaskan bahwa variabilitas virus generalis memang non-genetik, yaitu non-keturunan.
Alhasil, muncullah skema munculnya inovasi evolusioner berikut ini. Selama adaptasi terhadap korban dengan penurunan ekspresi reseptor LambB, seleksi mulai mendukung mutasi pada gen virus J, yang memungkinkan protein J mengikat lebih erat ke LambB. Hal ini dicapai dengan mengorbankan kestabilan protein J, yang akibatnya terkadang mulai terlipat secara tidak benar. Setelah memperoleh empat mutasi tersebut (masing-masing meningkatkan afinitas J terhadap LamB), protein J memperoleh varian lipat baru yang memungkinkannya berikatan dengan reseptor lain, OmpF. Suatu protein dengan fungsi baru muncul sebagai salah satu varian fenotip dalam kerangka variabilitas non-genetik. Mengingat genom yang sama, beberapa virus kini dapat berikatan dengan OmpF, sementara virus lain dengan genotipe yang sama terikat pada LamB. Ini adalah bagaimana virus generalis muncul. Terlebih lagi, setiap partikel virus berikatan jauh lebih efisien pada salah satu dari dua reseptor dibandingkan dengan reseptor lainnya. Generalisasi terjadi pada tingkat populasi, bukan pada tingkat individu.
Di masa depan, virus generalis dapat berspesialisasi lagi ketika mereka menemukan kondisi yang sesuai (yaitu, memiliki akses ke korban yang hanya memiliki LambB atau OmpF saja). Selama spesialisasi, mutasi diperbaiki yang meningkatkan kemungkinan bahwa protein J akan terlipat dengan cara yang menguntungkan dalam situasi tertentu. Hasilnya, protein J menjadi stabil kembali, yaitu mulai terlipat hanya dalam satu cara. Pada saat yang sama, ketahanan protein (dan seluruh virus) terhadap suhu tinggi juga pulih.
Dengan demikian, contoh mencolok dari munculnya fungsi baru melalui tahap peralihan yang terkait dengan destabilisasi fenotip telah ditemukan. Masih belum jelas seberapa sering inovasi evolusioner muncul dengan cara ini pada virus dan organisme seluler. Penelitian lebih lanjut harus menjawab pertanyaan ini.
Kompleksitas struktur molekul protein dan keragaman fungsinya yang ekstrem membuat sangat sulit untuk membuat klasifikasi tunggal yang jelas atas dasar apa pun. Protein dapat diklasifikasikan menurut komposisinya (sederhana, kompleks), struktur (fibrilar, globular, intermediat), dan fungsinya. Mari kita lihat lebih dekat klasifikasi struktural.
Berhubung dgn urat saraf protein sangat memanjang (struktur sekunder adalah yang paling penting) dan menjalankan fungsi struktural.
Bulat protein, yang secara kasar dapat direpresentasikan dalam bentuk bola (yang paling penting adalah struktur tersier), mengambil bagian dalam proses spesifik seperti katalisis, transportasi, regulasi.
Selain jenis protein yang tercantum di atas, tubuh mengandung polipeptida kecil atau rendah karbon, yang mungkin tidak memiliki struktur tetap, tetapi memperolehnya melalui interaksi dengan makromolekul lain. Perlu dicatat bahwa klasifikasi ini tidak dapat diklaim lengkap, karena terdapat protein yang tidak termasuk dalam salah satu kelas ini. Misalnya miosin yang dalam strukturnya mengandung ciri-ciri protein fibrilar dan globular.
Protein dengan susunan rantai alami asli, yaitu memiliki konfigurasi tiga dimensi, disebut warga asli, protein dengan rantai terbuka dan terlipat secara acak - terdenaturasi Transformasi protein asli menjadi protein terdenaturasi, yaitu protein kehilangan konfigurasi tiga dimensinya, disebut denaturasi(Gbr. 3.15). Berbagai faktor dapat menyebabkan denaturasi. Khususnya, pengepakan rantai protein yang erat biasanya terganggu oleh pemanasan. Denaturasi termal - milik umum protein. Setelah denaturasi, protein yang aktif secara biologis dapat secara spontan melipat ke dalam konformasi aslinya dan mengembalikan aktivitasnya. Proses pelipatan protein yang terdenaturasi disebut renaturasi.
Beras. 3.15. Denaturasi molekul protein:
A- keadaan awal; b - gangguan reversibel awal pada struktur molekul; V- pembukaan rantai polipeptida yang ireversibel
Dengan kontak yang terlalu lama dengan zat denaturasi (suhu, bahan kimia, lingkungan dengan pH berbeda), denaturasi menjadi ireversibel (pada Gambar 3.15, proses ini ditunjukkan dengan panah antara keadaan molekul protein B Dan V). Sebagian besar protein mengalami denaturasi ketika larutannya dipanaskan di atas 50-60 °C.
Protein yang terdenaturasi kehilangan kemampuannya untuk larut dalam air. Paling fitur karakteristik Denaturasi adalah penurunan tajam atau hilangnya aktivitas biologis suatu protein (katalitik, antigenik, atau hormonal). Fakta bahwa protein yang terdenaturasi sepenuhnya kehilangan sifat biologisnya menegaskan hubungan erat antara struktur molekul protein dan fungsinya dalam tubuh.
Kemampuan molekul protein untuk melakukan renaturasi secara spontan ketika pengaruh agresif eksternal dihilangkan menunjukkan bahwa urutan asam amino itu sendiri menentukan struktur spasial protein tanpa partisipasi pusat pengaturan eksternal.
Saat ini, denaturasi dan renaturasi protein globular secara in vitro sedang dipelajari secara intensif, karena proses-proses ini terkait dengan masalah pengorganisasian mandiri protein, yaitu dengan pertanyaan tentang bagaimana rantai protein “menemukan” struktur uniknya di antara sejumlah besar kemungkinan alternatif.
Protein fibrilar membentuk dasar dari bahan yang tidak larut dalam air dan tahan lama, seperti tanduk, kuku, kuku, wol, rambut, bulu, kulit, urat, dan zat antar sel jaringan tulang. Rambut cukup panjang serat yang kuat, yang dasarnya adalah protein - a-keratin. Di jantung tendon ada protein lain - kolagen. Memberikan elastisitas dan ketahanan pada dinding arteri atau alveoli paru elastin. Fitur umum Protein ini terlibat dalam pembentukan struktur spasial ikatan kovalen non-peptida.
Keratin bentuk rambut dan wol filamen menengah, terdiri dari rantai polipeptida panjang dengan domain besar yang dibentuk oleh heliks α dan mengandung rangkaian berulang tujuh residu asam amino (heptapeptida). Dua rantai keratin yang diarahkan secara identik membentuk superheliks, di mana residu asam amino non-polar menghadap ke dalam dan dengan demikian terlindungi dari pengaruh air. Struktur ini selanjutnya distabilkan oleh banyak ikatan disulfida yang dibentuk oleh residu sistein dari rantai yang berdekatan. Dimer superheliks kemudian bergabung membentuk tetramer, mirip dengan tali empat untai.
Kolagen terbentuk di luar sel dari protein yang disekresikannya - prokolagen, yang diubah menjadi kolagen sebagai hasil interaksi enzim yang sesuai. Molekul prokolagen adalah triple superhelix yang dibentuk oleh tiga polipeptida khusus yang dipilin menjadi satu. Selanjutnya, setelah pembelahan polipeptida terminal, tropokolagen, yang dikemas menjadi serat kolagen. Masing-masing dari tiga polipeptida dalam tropokolagen berbentuk heliks bertangan kiri (berbeda dengan heliks α bertangan kanan pada protein). Sekitar sepertiga residu asam amino dalam tropokolagen diwakili oleh prolin, dan setiap sepertiga residu adalah glisin.
Selama pembentukan kolagen, banyak residu prolin dan lisin dihidroksilasi dengan adanya asam askorbat, masing-masing berubah menjadi hidroksiprolin dan hidroksilisin:
Residu ini dimasukkan ke dalam protein bukan selama sintesis matriksnya, tetapi sebagai akibat dari bahan kimia transformasi pasca-translasi asam amino yang dikandungnya. Hidroksilasi prolin diperlukan sebagai kofaktor (komponen non-protein yang diperlukan untuk pekerjaan yang efisien) asam askorbat (vitamin C), yang diperlukan untuk mempertahankan keadaan tereduksi ion Fe 2+ di pusat aktif enzim prolil-hidroksilase. Dengan kekurangan vitamin C, pembentukan jaringan ikat terganggu, yang menyebabkan penyakit serius - penyakit kudis.
Tiga molekul tropokolagen yang dililit secara heliks terikat secara kovalen satu sama lain, membentuk struktur yang kuat. Asosiasi seperti itu tidak mungkin terjadi pada heliks protein konvensional, karena rantai samping yang besar mencegahnya. Dalam kolagen, heliks lebih memanjang (ada 3 residu per putaran, bukan 3,6), karena setiap sepertiga residu asam amino adalah glisin, sehingga heliks pada titik-titik ini sedekat mungkin satu sama lain. Stabilisasi tambahan pada struktur dilakukan oleh ikatan hidrogen dari residu lisin dan prolin yang terhidroksilasi.
Molekul tropocollagen mengandung sekitar 1000 residu asam amino. Mereka berkumpul menjadi fibril kolagen, menghubungkan kepala ke ekor. Rongga-rongga pada struktur ini bila diperlukan dapat berfungsi sebagai tempat pengendapan awal kristal hidroksiapatit Ca 5 (0H)(P0 4)3 yang berperan peran penting dalam mineralisasi tulang.
Kolagen tendon mengalami modifikasi enzimatik - residu lisin berikatan silang secara kovalen di bagian terminal rantai tropokolagen. Jadi, tendon adalah kumpulan fibril yang berorientasi paralel. Berbeda dengan tendon di kulit, fibril kolagen membentuk semacam jaringan dua dimensi yang tidak teratur.
elastin strukturnya berbeda dari kolagen dan a-keratin. Ia mengandung heliks α biasa yang membentuk jaringan ikatan silang, yang elastisitasnya luar biasa tinggi disebabkan oleh cara unik rantai samping lisin dihubungkan:
empat residu lisin yang berjarak dekat 
membentuk apa yang disebut desmosine struktur yang menggabungkan empat bagian rantai peptida menjadi satu unit (Gbr. 3.16).
Beras. 3.16. Struktur kimia desmosin
Protein globular. Sebagian besar molekul protein dalam tubuh memiliki struktur bulat. Ikatan peptida dalam protein globular dalam keadaan alaminya terlipat menjadi struktur kompak - butiran, yang, pada perkiraan kasar pertama, dapat direpresentasikan dalam bentuk bola atau ellipsoid yang tidak terlalu memanjang, berbeda dengan protein fibrilar, di mana rantai polipeptida panjang memanjang sepanjang satu sumbu.
Globula stabil dalam sistem air karena gugus polar dari rantai utama dan rantai samping terkonsentrasi di permukaan, bersentuhan dengan air, dan gugus non-polar menghadap jauh ke dalam molekul dan terlindungi dari kontak ini. Ikatan ionik terkadang terbentuk pada permukaan globul protein - jembatan garam.
Gugus >N-H dan >C=0 dari rantai utama yang ditemukan di dalam globul dengan ikatan hidrogen yang terbentuk membentuk heliks a dan (3 lapisan).Faktor destabilisasi pengepakan spasial adalah adanya beberapa gugus di kedalaman globul yang berpotensi mampu membentuk ikatan ionik dan hidrogen, namun sebenarnya tidak memiliki pasangan.
Dalam kondisi fisiologis, keadaan protein, yang memiliki struktur tiga dimensi asli, stabil secara termodinamika, yaitu sesuai dengan minimum energi bebas. Informasi yang diperlukan untuk melipat suatu protein menjadi konformasi aslinya terkandung dalam urutan asam aminonya. Oleh karena itu, pada prinsipnya, secara teoritis dimungkinkan untuk memprediksi struktur tiga dimensi protein apa pun berdasarkan urutan asam aminonya. Namun, prediksi struktur tersier masih menjadi masalah yang belum terpecahkan dalam biologi molekuler. Pelipatan molekul protein dari keadaan tidak dilipat harus dilakukan dengan cara tunggal. Jika kita berasumsi bahwa sebuah molekul protein terdiri dari 50 residu, yang masing-masing dapat mengambil 10 konformasi berbeda, maka jumlah total konformasi yang mungkin adalah 10 50, dan jika waktu karakteristik penataan ulang molekul adalah 10 “13 s, maka secara berurutan untuk mencoba semua konformasi diperlukan waktu 10 37 s (~ 10 30 tahun). Oleh karena itu, ada jalur terarah untuk pelipatan protein.
Stabilitas molekul protein terlipat dalam lingkungan berair sangat rendah. Kekuatan pendorong utama pelipatan adalah efek hidrofobik entropik, yang menyebabkan gugus nonpolar cenderung meninggalkan lingkungan berair dan berakhir di dalam globul. Ada juga efek sebaliknya, yang mencegah pelipatan dan disebabkan oleh fakta bahwa untuk molekul protein yang terlipat, jumlah konformasi yang diperbolehkan dari rantai utama dan rantai samping lebih sedikit daripada yang tidak dilipat.
Hemoglobin (Hb)- protein yang membawa oksigen dari paru-paru ke jaringan. Hb terlokalisasi di sel darah merah - eritrosit.
Seperti telah disebutkan (lihat Gambar 3.14), hemoglobin terdiri dari empat rantai polipeptida, yang masing-masing mengandung heme (Gambar 3.17). Hubungan fungsional rantai ini sedemikian rupa sehingga penambahan O2 pada salah satu atom besi meningkatkan afinitas oksigen pada tiga atom besi lainnya.
Hemoglobin adalah seluruh kelas protein, yang perwakilannya berbeda dalam satu atau dua residu asam amino atau urutannya. Orang dewasa memiliki hemoglobin tipe HLA. Selain HbA, ada juga hemoglobin janin HbF, yang menghilang setelah lahir. Berat molekul kedua hemoglobin kira-kira sama (64.500), hanya berbeda pada urutan residu asam amino. Selain hemoglobin yang biasanya ada, HbS, HbG, HbS, HbH, dll yang abnormal juga ditemukan di dalam tubuh manusia.Kesamaan dari semua hemoglobin terletak pada cara rantai polipeptidanya disusun mengelilingi cincin datar besar. dia me, identik untuk semua orang, yang di tengahnya terdapat atom besi (cincin porfirin).
Heme terdiri dari atom karbon, nitrogen, dan hidrogen, membentuk cincin datar yang disebut porfirin (Gbr. 3.17). Di tengah cincin terdapat atom Fe yang terhubung ke atom cincin melalui empat ikatan koordinasi (dari enam kemungkinan). Heme diapit oleh dua residu histidin (His). Gugus histidin imidazol (F-8) dikoordinasikan dengan atom Fe melalui ikatan koordinasi kelima. Ikatan keenam berfungsi untuk berikatan dengan molekul O2.
Beras. 3.17.
mioglobin- protein otot yang mengangkut oksigen dalam sel otot. Ini terdiri dari rantai polipeptida tunggal, hanya mengandung heliks α yang dihubungkan oleh loop, dan memiliki satu heme. Urutan asam amino mioglobin berbeda dengan urutan rantai a hemoglobin. Namun, struktur tersier rantai a hemoglobin dan mioglobin adalah identik. Metode umum pelipatan α-heliks protein globular disebut jenis lipatan globin.
KE asam nukleat termasuk senyawa polimer tinggi yang terurai selama hidrolisis menjadi basa purin dan pirimidin, pentosa dan asam fosfat. Asam nukleat mengandung karbon, hidrogen, fosfor, oksigen dan nitrogen. Ada dua kelas asam nukleat: asam ribonukleat (RNA) Dan asam deoksiribonukleat (DNA).
Struktur dan fungsi DNA
DNA- polimer yang monomernya adalah deoksiribonukleotida. Model struktur spasial molekul DNA berbentuk heliks ganda diusulkan pada tahun 1953 oleh J. Watson dan F. Crick (untuk membangun model ini mereka menggunakan karya M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff ).
molekul DNA dibentuk oleh dua rantai polinukleotida, yang dipelintir secara heliks satu sama lain dan bersama-sama mengelilingi sumbu imajiner, yaitu. adalah heliks ganda (dengan pengecualian beberapa virus yang mengandung DNA memiliki DNA beruntai tunggal). Diameter heliks ganda DNA adalah 2 nm, jarak antara nukleotida yang berdekatan adalah 0,34 nm, dan terdapat 10 pasangan nukleotida per putaran heliks. Panjang molekulnya bisa mencapai beberapa sentimeter. Berat molekul - puluhan dan ratusan juta. Panjang total DNA dalam inti sel manusia adalah sekitar 2 m Pada sel eukariotik, DNA membentuk kompleks dengan protein dan memiliki konformasi spasial tertentu.
Monomer DNA - nukleotida (deoksiribonukleotida)- terdiri dari residu tiga zat: 1) basa nitrogen, 2) monosakarida lima karbon (pentosa) dan 3) asam fosfat. Basa nitrogen dari asam nukleat termasuk dalam golongan pirimidin dan purin. Basa DNA pirimidin(memiliki satu cincin dalam molekulnya) - timin, sitosin. Basa purin(memiliki dua cincin) - adenin dan guanin.
Monosakarida nukleotida DNA adalah deoksiribosa.
Nama nukleotida diambil dari nama basa yang bersangkutan. Nukleotida dan basa nitrogen ditandai dengan huruf kapital.
Rantai polinukleotida terbentuk sebagai hasil reaksi kondensasi nukleotida. Dalam hal ini, antara karbon 3" dari residu deoksiribosa dari satu nukleotida dan residu asam fosfat dari nukleotida lainnya, ikatan fosfoester(termasuk dalam kategori ikatan kovalen kuat). Salah satu ujung rantai polinukleotida diakhiri dengan karbon 5" (disebut ujung 5"), ujung lainnya dengan karbon 3" (ujung 3").
Di seberang satu untai nukleotida terdapat untai kedua. Susunan nukleotida dalam kedua rantai ini tidak acak, tetapi ditentukan secara ketat: timin selalu terletak berlawanan dengan adenin dari satu rantai pada rantai lainnya, dan sitosin selalu terletak berlawanan dengan guanin, dua ikatan hidrogen muncul antara adenin dan timin, dan tiga ikatan hidrogen muncul antara guanin dan sitosin. Pola yang mengatur nukleotida dari rantai DNA yang berbeda (adenin - timin, guanin - sitosin) dan terhubung secara selektif satu sama lain disebut prinsip saling melengkapi. Perlu dicatat bahwa J. Watson dan F. Crick mulai memahami prinsip saling melengkapi setelah membiasakan diri dengan karya-karya E. Chargaff. E. Chargaff, setelah mempelajari sejumlah besar sampel jaringan dan organ berbagai organisme, menemukan bahwa dalam setiap fragmen DNA kandungan residu guanin selalu sama persis dengan kandungan sitosin, dan adenin dengan timin ( "Aturan Chargaff"), tapi dia tidak bisa menjelaskan fakta ini.
Dari prinsip saling melengkapi dapat disimpulkan bahwa urutan nukleotida suatu rantai menentukan urutan nukleotida rantai lainnya.
Untaian DNA bersifat antiparalel (multiarah), yaitu. nukleotida dari rantai yang berbeda terletak pada arah yang berlawanan, dan oleh karena itu, di seberang ujung 3" dari satu rantai terdapat ujung 5" dari rantai lainnya. Molekul DNA terkadang dibandingkan dengan tangga spiral. “Pagar” tangga ini adalah tulang punggung gula-fosfat (residu deoksiribosa dan asam fosfat bergantian); “langkah” adalah basa nitrogen komplementer.
Fungsi DNA- penyimpanan dan transmisi informasi turun-temurun.
Replikasi DNA (reduplikasi)
- proses penggandaan diri, sifat utama molekul DNA. Replikasi termasuk dalam kategori reaksi sintesis matriks dan terjadi dengan partisipasi enzim. Di bawah aksi enzim, molekul DNA terlepas, dan rantai baru dibangun di sekitar setiap rantai, bertindak sebagai templat, sesuai dengan prinsip saling melengkapi dan antiparalelisme. Jadi, dalam setiap DNA anak, satu untai adalah untai induk, dan untai kedua baru disintesis. Metode sintesis ini disebut semi-konservatif.
“Bahan bangunan” dan sumber energi untuk replikasi adalah deoksiribonukleosida trifosfat(ATP, TTP, GTP, CTP) mengandung tiga residu asam fosfat. Ketika deoksiribonukleosida trifosfat dimasukkan ke dalam rantai polinukleotida, dua residu asam fosfat terminal dibelah, dan energi yang dilepaskan digunakan untuk membentuk ikatan fosfodiester antara nukleotida.
Enzim berikut terlibat dalam replikasi:
- helikase (“melepaskan” DNA);
- protein yang tidak stabil;
- DNA topoisomerase (memotong DNA);
- DNA polimerase (pilih deoksiribonukleosida trifosfat dan secara komplementer menempelkannya ke untai cetakan DNA);
- RNA primase (membentuk primer RNA);
- Ligase DNA (menghubungkan fragmen DNA menjadi satu).
Dengan bantuan helikase, DNA terurai pada bagian-bagian tertentu, bagian DNA beruntai tunggal diikat oleh protein yang tidak stabil, dan a garpu replikasi. Dengan perbedaan 10 pasangan nukleotida (satu putaran heliks), molekul DNA harus melakukan revolusi penuh pada porosnya. Untuk mencegah rotasi ini, DNA topoisomerase memotong satu untai DNA, sehingga memungkinkannya berputar di sekitar untai kedua.
DNA polimerase hanya dapat menempelkan nukleotida pada karbon 3" deoksiribosa nukleotida sebelumnya, oleh karena itu enzim ini mampu bergerak sepanjang DNA cetakan hanya dalam satu arah: dari ujung 3" ke ujung 5" DNA cetakan ini . Karena dalam DNA induk rantainya antiparalel , maka pada rantai yang berbeda perakitan rantai polinukleotida anak terjadi secara berbeda dan dalam arah yang berlawanan. Pada rantai 3"-5", sintesis rantai polinukleotida anak berlangsung tanpa gangguan; anak perempuan ini rantai akan dipanggil terkemuka. Pada rantai 5"-3" - sebentar-sebentar, dalam pecahan ( pecahan Okazaki), yang, setelah replikasi selesai, dijahit menjadi satu untai oleh ligase DNA; rantai anak ini akan dipanggil tertinggal (tertinggal).
Ciri khusus DNA polimerase adalah ia dapat mulai bekerja hanya dengan "biji" (primer). Peran “primer” dilakukan oleh rangkaian RNA pendek yang dibentuk oleh enzim RNA primase dan dipasangkan dengan DNA cetakan. Primer RNA dihilangkan setelah perakitan rantai polinukleotida selesai.
Replikasi berlangsung serupa pada prokariota dan eukariota. Laju sintesis DNA pada prokariota jauh lebih tinggi (1000 nukleotida per detik) dibandingkan pada eukariota (100 nukleotida per detik). Replikasi dimulai secara bersamaan di beberapa bagian molekul DNA. Sebuah fragmen DNA dari satu asal replikasi ke asal replikasi lainnya membentuk unit replikasi - replika.
Replikasi terjadi sebelum pembelahan sel. Berkat kemampuan DNA ini, informasi herediter ditransfer dari sel induk ke sel anak.
Reparasi (“perbaikan”)
Reparasi adalah proses menghilangkan kerusakan pada urutan nukleotida DNA. Dilakukan oleh sistem enzim khusus sel ( memperbaiki enzim). Dalam proses pemulihan struktur DNA, tahapan berikut dapat dibedakan: 1) nuklease perbaikan DNA mengenali dan menghilangkan area yang rusak, akibatnya terbentuk celah pada rantai DNA; 2) DNA polimerase mengisi celah ini dengan menyalin informasi dari untai kedua (“baik”); 3) Nukleotida “ikatan silang” DNA ligase, menyelesaikan perbaikan.
Tiga mekanisme perbaikan yang paling banyak dipelajari: 1) perbaikan foto, 2) perbaikan eksisi, atau pra-replikasi, 3) perbaikan pasca-replikasi.
Perubahan struktur DNA terjadi di dalam sel secara konstan di bawah pengaruh metabolit reaktif, radiasi ultraviolet, logam berat dan garamnya, dll. Oleh karena itu, cacat pada sistem perbaikan meningkatkan laju proses mutasi dan merupakan penyebab penyakit keturunan (xeroderma pigmentosum, progeria, dll).
Struktur dan fungsi RNA
- polimer yang monomernya ribonukleotida. Berbeda dengan DNA, RNA dibentuk bukan oleh dua, tetapi oleh satu rantai polinukleotida (dengan pengecualian bahwa beberapa virus yang mengandung RNA memiliki RNA beruntai ganda). Nukleotida RNA mampu membentuk ikatan hidrogen satu sama lain. Rantai RNA jauh lebih pendek daripada rantai DNA.
Monomer RNA - nukleotida (ribonukleotida)- terdiri dari residu tiga zat: 1) basa nitrogen, 2) monosakarida lima karbon (pentosa) dan 3) asam fosfat. Basa nitrogen RNA juga termasuk dalam kelas pirimidin dan purin.
Basa pirimidin RNA adalah urasil dan sitosin, dan basa purin adalah adenin dan guanin. Monosakarida nukleotida RNA adalah ribosa.
Menyorot tiga jenis RNA: 1) informatif(pembawa pesan) RNA - mRNA (mRNA), 2) mengangkut RNA - tRNA, 3) ribosom RNA - rRNA.
Semua jenis RNA merupakan polinukleotida tidak bercabang, memiliki konformasi spasial tertentu dan berperan dalam proses sintesis protein. Informasi tentang struktur semua jenis RNA disimpan dalam DNA. Proses sintesis RNA pada cetakan DNA disebut transkripsi.
Transfer RNA biasanya mengandung 76 (dari 75 hingga 95) nukleotida; berat molekul - 25.000-30.000.tRNA menyumbang sekitar 10% dari konten umum RNA di dalam sel. Fungsi tRNA: 1) pengangkutan asam amino ke tempat sintesis protein, ke ribosom, 2) perantara translasi. Ada sekitar 40 jenis tRNA yang ditemukan dalam sebuah sel, masing-masing memiliki urutan nukleotida yang unik. Namun, semua tRNA memiliki beberapa daerah komplementer intramolekul, sehingga tRNA memperoleh konformasi seperti daun semanggi. Setiap tRNA memiliki loop untuk kontak dengan ribosom (1), loop antikodon (2), loop untuk kontak dengan enzim (3), batang akseptor (4), dan antikodon (5). Asam amino ditambahkan ke ujung 3" batang akseptor. Antikodon- tiga nukleotida yang “mengidentifikasi” kodon mRNA. Perlu ditekankan bahwa tRNA spesifik dapat mengangkut asam amino yang ditentukan secara ketat sesuai dengan antikodonnya. Kekhususan hubungan antara asam amino dan tRNA dicapai karena sifat enzim aminoasil-tRNA sintetase.
RNA ribosom mengandung 3000-5000 nukleotida; berat molekul - 1.000.000-1.500.000 rRNA menyumbang 80-85% dari total kandungan RNA dalam sel. Dalam kompleks dengan protein ribosom, rRNA membentuk ribosom - organel yang melakukan sintesis protein. Pada sel eukariotik, sintesis rRNA terjadi di nukleolus. Fungsi rRNA: 1) komponen struktural penting dari ribosom dan, dengan demikian, memastikan berfungsinya ribosom; 2) memastikan interaksi ribosom dan tRNA; 3) pengikatan awal ribosom dan kodon inisiator mRNA dan penentuan kerangka baca, 4) pembentukan pusat aktif ribosom.
RNA Messenger bervariasi dalam kandungan nukleotida dan berat molekul (dari 50.000 hingga 4.000.000). mRNA menyumbang hingga 5% dari total konten RNA dalam sel. Fungsi mRNA: 1) transfer informasi genetik dari DNA ke ribosom, 2) matriks untuk sintesis molekul protein, 3) penentuan urutan asam amino struktur primer molekul protein.
Struktur dan fungsi ATP
Asam adenosin trifosfat (ATP)- sumber universal dan akumulator energi utama dalam sel hidup. ATP ditemukan di semua sel tumbuhan dan hewan. Jumlah ATP rata-rata 0,04% (dari berat basah sel), jumlah ATP terbesar (0,2-0,5%) terdapat pada otot rangka.
ATP terdiri dari residu: 1) basa nitrogen (adenin), 2) monosakarida (ribosa), 3) tiga asam fosfat. Karena ATP tidak hanya mengandung satu, tetapi tiga residu asam fosfat, maka ATP termasuk dalam ribonukleosida trifosfat.
Sebagian besar pekerjaan yang terjadi di dalam sel menggunakan energi hidrolisis ATP. Dalam hal ini, ketika residu terminal asam fosfat dihilangkan, ATP berubah menjadi ADP (asam adenosin difosfat), dan ketika residu asam fosfat kedua dihilangkan, ia berubah menjadi AMP (asam adenosin monofosfat). Hasil energi bebas setelah eliminasi residu asam fosfat terminal dan kedua adalah 30,6 kJ. Penghapusan gugus fosfat ketiga disertai dengan pelepasan hanya 13,8 kJ. Ikatan antara terminal dan residu asam fosfat kedua, kedua dan pertama disebut energi tinggi (high-energy).
Cadangan ATP terus diisi ulang. Dalam sel semua organisme, sintesis ATP terjadi dalam proses fosforilasi, yaitu. penambahan asam fosfat ke ADP. Fosforilasi terjadi dengan intensitas yang bervariasi selama respirasi (mitokondria), glikolisis (sitoplasma), dan fotosintesis (kloroplas).
ATP merupakan penghubung utama antara proses yang disertai dengan pelepasan dan akumulasi energi, dan proses yang terjadi dengan pengeluaran energi. Selain itu, ATP, bersama dengan ribonukleosida trifosfat lainnya (GTP, CTP, UTP), merupakan substrat untuk sintesis RNA.
Pergi ke kuliah nomor 3“Struktur dan fungsi protein. Enzim"
Pergi ke kuliah nomor 5“Teori sel. Jenis organisasi seluler"
Kerja dan fungsi protein mendasari struktur setiap organisme dan semua reaksi kehidupan yang terjadi di dalamnya. Setiap gangguan pada protein ini menyebabkan perubahan pada kesejahteraan dan kesehatan kita. Kebutuhan untuk mempelajari struktur, sifat dan jenis protein terletak pada keanekaragaman fungsinya.
Kata-kata pertama dari definisi F. Engels tentang konsep kehidupan “Kehidupan adalah cara keberadaan tubuh protein, ....” masih, setelah satu setengah abad, tidak kehilangan kebenaran dan relevansinya.
Fungsi struktural
Zat jaringan ikat dan matriks antar sel dibentuk oleh protein kolagen , elastin, keratin, proteoglikan .
Terlibat langsung dalam konstruksi membran dan sitoskeleton (protein integral, semi-integral dan permukaan) – spektrin(permukaan, protein utama sitoskeleton eritrosit), glikoforin(integral, memperbaiki spektrin di permukaan).
Fungsi ini mencakup partisipasi dalam penciptaan organel - ribosom.
Fungsi enzimatik
Semua enzim adalah protein.
Pada saat yang sama, terdapat bukti keberadaannya ribozim, yaitu. asam ribonukleat dengan aktivitas katalitik.
Fungsi hormonal
Hormon mengatur dan mengoordinasikan metabolisme di berbagai sel tubuh. Hormon seperti insulin Dan glukagon adalah protein, semua hormon hipofisis adalah peptida atau protein kecil.
Fungsi reseptor
Fungsi ini terdiri dari pengikatan selektif hormon, zat aktif biologis dan mediator pada permukaan membran atau di dalam sel.
Fungsi transportasi
Hanya protein yang mengangkut zat dalam darah, Misalnya, lipoprotein(perpindahan lemak) hemoglobin(pengikatan oksigen), haptoglobin (transportasi heme), transferin(transportasi besi). Protein mengangkut kalsium, magnesium, zat besi, tembaga dan ion lainnya dalam darah.
Transportasi zat melalui membran melakukan protein - Na + ,K + -ATPase(transportasi transmembran anti-arah ion natrium dan kalium), Ca 2+ -ATPase(memompa ion kalsium keluar sel), pengangkut glukosa.
Fungsi cadangan
Contoh protein yang disimpan adalah produksi dan akumulasi di dalam telur albumin telur.
Hewan dan manusia tidak memiliki gudang khusus seperti itu, tetapi selama puasa berkepanjangan, protein digunakan otot, organ limfoid, jaringan epitel Dan hati.
Fungsi kontraktil
Ada sejumlah protein intraseluler yang dirancang untuk mengubah bentuk sel dan pergerakan sel itu sendiri atau organelnya ( tubulin, aktin, miosin).
Fungsi pelindung
Fungsi pelindung, mencegah proses infeksi dan menjaga kestabilan tubuh, dilakukan oleh imunoglobulin darah, faktor sistem melengkapi(properdin), jika terjadi kerusakan jaringan mereka bekerja protein koagulasi darah - misalnya, fibrinogen, protrombin, globulin antihemofilik. Mekanis perlindungan berupa selaput lendir dan kulit diberikan oleh kolagen dan proteoglikan .
Fungsi ini juga mencakup menjaga konsistensi osmotik koloid tekanan darah, ruang interstitium dan intraseluler, serta fungsi protein darah lainnya.
Sistem penyangga protein terlibat dalam pemeliharaan keadaan asam-basa .
Ada protein yang menjadi subjek studi khusus:
monellin– diisolasi dari tanaman Afrika, memiliki rasa yang sangat manis, tidak beracun dan tidak menyebabkan obesitas.
Resilin– memiliki elastisitas yang hampir sempurna, membentuk “engsel” pada titik penempelan sayap serangga.
Protein dengan khasiat antibeku ditemukan pada ikan Antartika, mereka melindungi darah dari pembekuan
- Maju >