Biologii americani au descifrat mecanismul evolutiv care permite bacteriofagului lambda să dezvolte o nouă modalitate de infectare a celulelor bacteriene în experimente de laborator. Inovația evolutivă apare ca răspuns la dobândirea de către bacterii a rezistenței la un mod vechi de atac viral bazat pe atașarea proteinei virale J la proteina de suprafață bacteriană LamB. În această situație, selecția fixează mai întâi mutațiile genelor Jîntărirea vechii funcţii. „Plata” pentru o mai bună legare la LamB este destabilizarea proteinei J. Ca urmare, se obțin viruși în care, cu același genom, proteina J poate avea două configurații spațiale diferite. În același timp, particulele virale cu J pliat „corect” infectează victimele în modul vechi, în timp ce altele (cu același genom, dar cu J pliat „greșit”) o fac într-un mod nou, atașându-se la o altă proteină de suprafață bacteriană ( OmpF). În viitor, ambele variante pot fi stabilizate prin fixarea unor mutații suplimentare, ceea ce duce de fapt la divizarea virusului original în două tipuri. Lucrarea confirmă vechea idee, care are puțin suport experimental, că noi funcții se pot dezvolta printr-o etapă intermediară de destabilizare a fenotipului urmată de stabilizarea („asimilarea genetică”) a anomaliilor neereditare de succes.
Teoreticienii au discutat mult timp despre posibilul rol al destabilizarii fenotipului in aparitia inovatiilor evolutive. Se presupune că inovațiile pot avea loc în felul următor: fenotip inițial stabil → efect de destabilizare (de exemplu, o schimbare bruscă a mediului) → creșterea variabilității non-genetice → asimilarea genetică a unui fenotip de succes, adică fixarea mutațiilor care stabilizează acea variantă a fenotipului care s-a dovedit a fi adaptativă în noi conditii". Acest model este descris în detaliu în știrea „Destabilizarea dezvoltării – calea către inovații evolutive” („Elemente”, 13.07.2009). Ideea pare logică, dar există încă puține dovezi experimentale directe pentru ea (vezi linkurile de la sfârșitul știrii).
Biologii americani care lucrează cu bacteriofagul lambda (vezi fagul Lambda) au adăugat o altă expoziție la colecția lor de exemple confirmate despre eficacitatea acestui mecanism.
A fost studiată o inovație evolutivă care apare sistematic în fagul λ în anumite condiții. În mod normal, acest fag își infectează victimele, Escherichia coli Escherichia coli atașându-se la proteina de suprafață (receptor) LamB. Cu toate acestea, victimele pot dezvolta rezistență la virus prin acumularea de mutații care reduc nivelul de expresie al acestui receptor. Numărul de molecule LamB de pe suprafața celulelor bacteriene scade, iar virusul nu are de ce să se apuce.
În prezența bacteriilor rezistente, virușii sunt supuși unei selecții intense pentru capacitatea de a se agăța cât mai eficient de puținele molecule LamB care mai rămân. Selecția întărește în mod constant 4-7 mutații în gena virală care codifică proteina J. Această proteină este situată la capătul tulpinii virusului și este responsabilă pentru atașarea la LamB (Fig. 1).
În mod surprinzător, aceste mutații nu numai că măresc puterea legăturii cu LamB, dar oferă și proteinei J o nouă capacitate de a se atașa de o altă proteină de suprafață bacteriană, OmpF. De fapt, virusul dezvoltă o nouă modalitate de a infecta celulele bacteriene. Astfel de viruși infectează cu succes bacteriile chiar și fără LamB (J. R. Meyer și colab., 2012. Repeatability and Contingence in the Evolution of a Key Innovation in Phage Lambda).
Recent s-a demonstrat că virusurile generaliste rezultate (capabile să-și infecteze victimele în două moduri) se pot respecializa apoi, adică să piardă una dintre cele două moduri de infectare, optimizând-o pe cealaltă. Acest lucru poate duce la speciație (separarea în două specii). Deși fagii λ nu au reproducere sexuală, ei au recombinare - schimbul de părți ale genomului între virușii care infectează aceeași celulă. În ceea ce privește implicațiile evolutive, aceasta este aproape la fel cu reproducerea sexuală. S-a dovedit că adaptarea la gazde care au doar unul dintre cei doi receptori (LamB sau OmpF) duce la împărțirea virusurilor generaliste în două grupuri specializate, fiecare dintre acestea fiind capabilă să infecteze un singur tip de pradă. Astfel de virusuri nu mai pot schimba gene între ele, deoarece mutațiile incompatibile sunt fixate în genomul lor (J. R. Meyer et al., 2016. Ecological speciation of bacteriophage lambda in allopatry and sympatry). Prin urmare, ele pot fi considerate ca tipuri diferite.
Un nou studiu publicat în jurnal Ştiinţă, virologii americani și-au dat seama cum proteina J a virusurilor generaliste reușește să combine două funcții. În organismele celulare, astfel de modificări evolutive apar de obicei prin duplicarea genelor, urmată de o divizare a funcțiilor între copii. Dar la generaliştii fagi, gena J nu este duplicat.
Un mecanism alternativ este asociat cu destabilizarea proteinelor. Autorii au sugerat că mutațiile au fost fixate în genă Jîn fagii generalişti, a introdus un element de haos în procesul de pliere a proteinei codificate (vezi Plierea proteinei). Este posibil ca proteina J din fagii generaliști să poată adopta două conformații diferite, dintre care una se leagă de LamB și cealaltă de OmpF.
Destabilizarea structurii spațiale a unei proteine este adesea însoțită de o scădere a rezistenței acesteia la creșterea temperaturii. Prin urmare, oamenii de știință au început să-și testeze ipoteza prin evaluarea rezistenței virușilor la supraîncălzire. Pentru a face acest lucru, au păstrat particulele de virus cu genotipuri diferite la temperaturi diferite timp de o oră (de la 37 ° C - temperatura optimă pentru fagul λ la 55 ° C letale) și s-au uitat la ce procent de viruși ar rămâne viabil. Experimentul a folosit genotipuri corespunzătoare diferitelor etape ale căii evolutive studiate anterior de la virusul original (care se leagă doar de LamB) la virusul generalist. Virușii studiati diferă doar prin mutații ale genei J, iar restul genomului lor era același.
Rezultatele au confirmat așteptările cercetătorilor (Fig. 2). S-a dovedit că mutațiile în genă J, care a crescut afinitatea lui J pentru LamB în timpul adaptării virusurilor la victimele cu expresie redusă a LamB și apoi a făcut posibilă legarea și la OmpF, reducând simultan stabilitatea termică a proteinei J.
Cu toate acestea, acest lucru în sine nu spune nimic, deoarece mutațiile care modifică secvențele de aminoacizi ale proteinelor reduc adesea rezistența proteinelor la supraîncălzire - acesta este un lucru comun. Dar în acest caz, totul s-a dovedit a fi mai interesant. Autorii au testat sensibilitatea termică a virusurilor menționate mai sus - descendenții generaliștilor, care, în cursul evoluției ulterioare, au devenit din nou specialiști, pierzând capacitatea de a se atașa de unul dintre cei doi receptori. Acești virusuri sunt „specialiști secundari” în genă J chiar mai multe mutaţii în comparaţie cu versiunea originală decât generaliştii. Cu toate acestea, rezistența lor la căldură s-a dovedit a fi la fel de mare ca cea a virușilor „sălbatici”. Astfel, mutațiile „generalizante” au redus stabilitatea termică, în timp ce mutațiile „de specializare” au crescut-o din nou.
Cel mai interesant rezultat a fost obținut atunci când autorii au analizat ora la dinamica distrugerii particulelor virale la temperatura lor optimă de 37°C. În experiment, am folosit tulpini cu rezistență termică maximă și minimă, adică viruși de tip sălbatic și generalist cu șapte mutații (liniile continue negre și verzi din Fig. 2 corespund acestor două genotipuri). S-a dovedit că, în timp, generaliștii sunt distruși mai repede decât virușii „sălbatici”. Acesta este un rezultat așteptat, deoarece virușii care sunt mai puțin rezistenți la căldură ar trebui să fie, de asemenea, mai puțin stabili la temperatura optimă. Un alt lucru este mai interesant: cercetătorii au descoperit că în primele două zile, distrugerea virusurilor de tip sălbatic se desfășoară într-un ritm constant, în timp ce generaliștii se degradează mult mai repede în prima zi decât în a doua (Fig. 3).
Dar dacă toate particulele virale din probă sunt aceleași, atunci ele trebuie distruse la o rată constantă. Rezultatul obținut sugerează că virusurile generaliste, aparent, sunt reprezentate de două fenotipuri diferite, dintre care unul instabil și se degradează rapid (în principal în prima zi), iar celălalt lent (aproximativ la aceeași viteză cu virusurile „sălbatice”). Cu toate acestea, genotipul tuturor generaliștilor este același. Prin urmare, vorbim despre variabilitatea non-genetică. Cel mai probabil, punctul aici este în diferite variante de pliere a proteinei J.
Experimentele ulterioare au oferit o serie de confirmări indirecte ale acestei presupuneri. A fost posibil să se arate că fracțiunea care se degrada rapid a virusurilor generaliste se leagă predominant de OmpF, în timp ce fracția care se degrada lent se leagă de LamB. Acest lucru poate fi văzut, de exemplu, din faptul că, pe măsură ce particulele virale sunt distruse, există din ce în ce mai puține viruși generaliști capabili să se lege de OmpF, în timp ce proporția celor care se leagă de LamB crește. Și dacă selectăm acei viruși care s-au asociat cu OmpF, atunci virușii rămași, în primul rând, se leagă de LamB mai bine decât amestecul original și, în al doilea rând, sunt distruși mai lent în timp. Experimente suplimentare au confirmat că variabilitatea virusurilor generaliste este într-adevăr non-genetică, adică neereditară.
Ca urmare, a apărut următoarea schemă pentru apariția unei inovații evolutive. În cursul adaptării la victimele cu expresie redusă a receptorului LamB, selecția a început să susțină astfel de mutații în virușii din genă. J, ceea ce a permis proteinei J să se lege mai puternic de LamB. Acest lucru a fost realizat cu prețul destabilizarii proteinei J, care, ca urmare, a început să se plieze uneori greșit. După dobândirea a patru astfel de mutații (fiecare dintre ele a crescut afinitatea lui J pentru LamB), proteina J a dezvoltat o nouă variantă de pliere care i-a permis să se lege de un receptor diferit, OmpF. O proteină cu o nouă funcție a apărut ca una dintre variantele fenotipului în cadrul variabilității non-genetice. Cu același genom, unii viruși s-ar putea lega acum de OmpF, în timp ce alți purtători ai aceluiași genotip se leagă de LamB. Așa au apărut virușii generaliști. Mai mult, fiecare particulă virală individuală a fost mult mai eficientă în legarea la unul dintre cei doi receptori decât la celălalt. Generalizarea s-a produs la nivel de populație, nu de individ.
În viitor, virușii generaliști se pot specializa din nou atunci când se găsesc în condițiile potrivite (adică obțin acces la victime care au fie numai LamB, fie doar OmpF). În timpul specializării, sunt fixate mutații care cresc probabilitatea ca proteina J să se plieze într-un mod benefic într-o situație dată. Ca urmare, proteina J se stabilizează din nou, adică începe să se plieze într-un singur mod. În același timp, este restabilită și rezistența proteinei (și a întregului virus) la temperatură ridicată.
Astfel, a fost găsit un exemplu viu al apariției unei noi funcții printr-o etapă intermediară asociată cu destabilizarea fenotipului. Rămâne neclar cât de des apar inovații evolutive în viruși și organismele celulare în acest fel. Răspunsul la această întrebare ar trebui dat prin cercetări ulterioare.
Complexitatea structurii moleculelor de proteine și diversitatea extremă a funcțiilor lor fac extrem de dificilă crearea unei clasificări unice și clare a acestora pe orice bază. Proteinele pot fi clasificate după compoziție (simple, complexe), structură (fibrilară, globulară, intermediară), funcții. Să aruncăm o privire mai atentă asupra clasificării structurale.
fibrilare proteinele sunt foarte alungite (structura secundară este cea mai importantă) și îndeplinesc funcții structurale.
Globular proteinele, care pot fi reprezentate aproximativ ca sfere (cea mai importantă este structura terțiară), participă la procese specifice precum cataliză, transport, reglare.
Pe lângă tipurile de proteine enumerate mai sus, în organism există polipeptide mici sau sărace în grupe de hidrocarburi, care pot să nu aibă o structură fixă de la sine, dar o dobândesc atunci când interacționează cu alte macromolecule. Trebuie remarcat faptul că această clasificare nu poate pretinde a fi completă, deoarece există proteine care nu aparțin niciunei dintre aceste clase. De exemplu, miozina, care în structura sa conține semne atât ale proteinelor fibrilare, cât și ale proteinelor globulare.
Se numește o proteină cu structura originală a lanțului natural, adică având o configurație tridimensională nativ, o proteină cu un lanț desfășurat, pliat aleatoriu - denaturat Transformarea unei proteine native într-una denaturată, adică pierderea configurației sale tridimensionale de către proteină, se numește denaturare(Fig. 3.15). Denaturarea poate fi cauzată de o varietate de factori. În special, împachetarea strânsă a unui lanț proteic este de obicei perturbată de încălzire. Denaturarea termică este o proprietate comună a proteinelor. După denaturare, o proteină activă biologic se poate plia spontan înapoi în conformația sa originală și își poate recăpăta activitatea. Procesul de pliere a unei proteine denaturate se numește renaturare.
Orez. 3.15. Denaturarea unei molecule de proteine:
A- starea initiala; b - începerea încălcării reversibile a structurii moleculare; în- desfăşurarea ireversibilă a lanţului polipeptidic
Odată cu expunerea prelungită la un agent de denaturare (temperatură, substanță chimică, mediu cu pH diferit), denaturarea devine ireversibilă (în Fig. 3.15 acest proces este indicat printr-o săgeată între stările moleculei proteice). bși în). Majoritatea proteinelor se denaturază atunci când soluțiile lor sunt încălzite peste 50-60°C.
Proteina denaturată își pierde capacitatea de a se dizolva în apă. Cel mai caracteristic semn de denaturare este o scădere bruscă sau pierdere completă de către proteină a activității sale biologice (catalitică, antigenică sau hormonală). Faptul că o proteină denaturată își pierde complet proprietățile biologice confirmă relația strânsă dintre structura moleculei proteice și funcția pe care o îndeplinește în organism.
Capacitatea unei molecule de proteine de a se recoaci spontan atunci când o influență agresivă externă este eliminată indică faptul că secvența de aminoacizi în sine determină structura spațială a proteinei fără participarea vreunui centru de reglare extern.
În prezent, denaturarea și renaturarea proteinelor globulare in vitro sunt studiate intens, deoarece aceste procese sunt asociate cu problema auto-organizării proteinelor, adică cu întrebarea cum un lanț proteic își „găsește” structura unică într-un număr gigantic de alternative posibile.
proteine fibrilare formează baza materialelor insolubile în apă și durabile, cum ar fi coarne, copite, unghii, lână, păr, pene, piele, tendoane, substanță intercelulară a țesutului osos. Părul este o fibră lungă, destul de puternică, a cărei bază este proteinele - a-keratina.În inima tendoanelor se află o altă proteină - colagen. Elasticitatea și elasticitatea pereților arterelor sau alveolelor pulmonare dă elastina. O caracteristică comună a acestor proteine este participarea la formarea structurii lor spațiale a legăturilor covalente non-peptidice.
Keratine formă de păr și blană filamente intermediare, constând din lanțuri polipeptidice lungi cu domenii mari formate din elice a și care conțin secvențe repetate de șapte resturi de aminoacizi (heptapeptide). Două lanțuri de keratină direcționate identic formează o supercoilă, în care reziduurile nepolare de aminoacizi sunt întoarse spre interior și astfel protejate de apă. Această structură este în plus stabilizată de numeroase legături disulfurice formate de reziduurile de cisteină ale lanțurilor adiacente. Dimerii supercoilați, la rândul lor, se combină pentru a forma tetrameri, similari unei frânghii cu patru fire.
Colagen formate în afara celulelor din proteina secretată de acestea - procolagen, care este transformat în colagen ca urmare a interacțiunii enzimelor relevante. Molecula de procolagen este o triplă supercoilă formată din trei polipeptide specializate răsucite împreună. În plus, atunci când polipeptidele terminale sunt scindate, tropocolagen, care este împachetat în fibre de colagen. Fiecare dintre cele trei polipeptide din tropocolagen este sub forma unui helix stânga (spre deosebire de elice a obișnuite pentru dreapta în proteine). Aproximativ o treime din resturile de aminoacizi din tropocolagen este reprezentată de prolină, iar fiecare al treilea reziduu este reprezentată de glicină.
În timpul formării colagenului, multe reziduuri de prolină și lizină în prezența acidului ascorbic sunt hidroxilate, transformându-se în hidroxiprolină și respectiv hidroxilizină:
Aceste reziduuri sunt incluse în proteină nu în timpul sintezei șablonului, ci ca rezultat al substanțelor chimice transformare post-traducţională aminoacizii săi constitutivi. Hidroxilarea prolinei necesită acid ascorbic (vitamina C) ca cofactor (o componentă neproteică necesară pentru o funcționare eficientă), care este necesar pentru a menține ionul Fe 2+ în stare redusă în situsul activ al enzimei prolil hidroxilază. Cu o lipsă de vitamina C, formarea țesuturilor conjunctive este perturbată, ceea ce provoacă o boală gravă - scorbut.
Trei molecule de tropocolagen înfășurate elicoidal una peste alta sunt legate covalent una de alta, formând o structură puternică. O astfel de asociere este imposibilă într-un helix proteic convențional, deoarece lanțurile laterale voluminoase împiedică acest lucru. La colagen, elicele sunt mai alungite (sunt 3 reziduuri pe tură, în loc de 3,6), deoarece fiecare al treilea reziduu de aminoacizi este glicină, astfel încât elicele din aceste puncte sunt cât mai aproape una de cealaltă. Stabilizarea suplimentară a structurii este realizată prin legături de hidrogen ale reziduurilor hidroxilate de lizină și prolină.
Moleculele de tropocolagen conțin aproximativ 1000 de reziduuri de aminoacizi. Ele sunt asamblate în fibrile de colagen, care se fixează „cap la coadă”. Golurile din această structură, dacă este necesar, pot servi ca loc pentru depunerea inițială a cristalelor de hidroxiapatită Ca 5 (0H) (P0 4) s, care joacă un rol important în mineralizarea osoasă.
Colagenul tendonului suferă modificări enzimatice - reziduurile de lizină sunt reticulate covalent în părțile terminale ale lanțurilor de tropocolagen. Astfel, tendoanele sunt fascicule de fibrile orientate paralel. Spre deosebire de tendoanele pielii, fibrilele de colagen formează un fel de rețea bidimensională dezordonată.
Elastinăîn structura sa diferă de colagen și a-keratina. Conține elice a obișnuite care formează o rețea reticulat, care își datorează elasticitatea neobișnuit de mare modului unic de a lega lanțurile laterale de lizină:
patru resturi de lizină apropiate 
formează așa-numitul desmozină o structură care combină patru secțiuni de lanțuri peptidice într-un singur nod (Fig. 3.16).
Orez. 3.16. Structura chimică a desmozinei
proteine globulare. Majoritatea moleculelor de proteine din organism au o structură globulară. Legătura peptidică din proteinele globulare este pliată în mod natural în structuri compacte - globule, care, în prima aproximare grosieră, poate fi reprezentată ca o sferă sau un elipsoid nu prea alungit, spre deosebire de proteinele fibrilare, unde lanțurile polipeptidice lungi sunt alungite de-a lungul unei axe.
Globulele sunt stabile în sistemele apoase datorită faptului că grupările polare ale catenelor principale și laterale sunt concentrate la suprafață, fiind în contact cu apa, în timp ce grupările nepolare sunt direcționate în interiorul moleculei și sunt protejate. din acest contact. Legăturile ionice se formează uneori pe suprafața globului proteic - poduri de sare.
Grupările >N-H și >C=0 ale lanțului principal cu legăturile de hidrogen formate în interiorul globului formează ca rezultat elice a și (3 straturi. Factorul destabilizator al împachetării spațiale este prezența în adâncimea globului de unele grupuri care sunt potențial capabile să formeze conexiuni ionice și de hidrogen, dar cu adevărat lipsite de parteneri.
În condiții fiziologice, starea unei proteine care are o structură tridimensională nativă este stabilă termodinamic, adică corespunde unui minim de energie liberă. Informațiile necesare pentru a plia o proteină în conformația sa nativă sunt conținute în secvența sa de aminoacizi. Prin urmare, în principiu, este teoretic posibil să se prezică structura tridimensională a oricărei proteine pe baza secvenței sale de aminoacizi. Cu toate acestea, predicția structurii terțiare rămâne o problemă nerezolvată în biologia moleculară. Plierea unei molecule de proteină din starea desfășurată ar trebui efectuată într-un mod unic. Dacă presupunem că molecula proteică este formată din 50 de resturi, fiecare dintre ele poate lua 10 conformații diferite, atunci numărul total de conformații posibile va fi de 10 50, iar dacă timpul caracteristic al rearanjamentelor moleculare este de 10-13 s, atunci în ordinea pentru a încerca toate conformațiile, va dura 10 37 s (~ Yu 30 ani). Prin urmare, există o cale direcționată pentru plierea proteinelor.
Stabilitatea unei molecule de proteină pliată într-un mediu apos este extrem de scăzută. Principala forță motrice a plierii este efectul hidrofob entropic, în urma căruia grupările nepolare tind să părăsească mediul apos și să se găsească în interiorul globului. Există și un efect opus care împiedică plierea și se datorează faptului că pentru o moleculă de proteină pliată, numărul de conformații permise ale catenelor principale și laterale este mai mic decât pentru una desfășurată.
Hemoglobina (Hb) O proteină care transportă oxigenul de la plămâni la țesuturi. Hb este localizată în celulele roșii din sânge - eritrocite.
După cum sa menționat deja (vezi Fig. 3.14), hemoglobina constă din patru lanțuri polipeptidice, fiecare dintre ele conține un hem (Fig. 3.17). Relația funcțională a acestor lanțuri este de așa natură încât adăugarea de O2 la unul dintre atomii de fier crește afinitatea pentru oxigen în ceilalți trei.
Hemoglobinele sunt o întreagă clasă de proteine, ai căror reprezentanți diferă în unul sau două resturi de aminoacizi sau secvența lor. La un adult, hemoglobina este de tip HNA. Pe lângă HNA, există hemoglobina embrionară HbF, care dispare după naștere. Greutatea moleculară a ambelor hemoglobine este aproximativ aceeași (64.500), ele diferă doar în secvența reziduurilor de aminoacizi. Alături de hemoglobinele obișnuite din corpul uman, există HbS, HbG, HbC, HbH anormale etc. Caracterul comun tuturor hemoglobinelor este modul în care lanțurile lor polipeptidice sunt așezate în jurul unui inel plat mare. gema, identic pentru toate, în centrul căruia se află un atom de fier (inel de porfirină).
Hemul este alcătuit din atomi de carbon, azot și hidrogen care formează un inel plan numit porfirină (Figura 3.17). În centrul inelului, există un atom de Fe legat de atomii din inel prin patru legături de coordonare (din șase posibile). Două reziduuri de histidină (His) se învecinează cu hem. Gruparea imidosol a histidinei (F-8) este coordonată cu atomul de Fe prin a cincea legătură de coordonare. A șasea legătură servește la conectarea cu molecula de O2.
Orez. 3.17.
mioglobina- o proteina musculara care transporta oxigenul in celulele musculare. Constă dintr-un lanț polipeptidic, conține doar elice a conectate prin bucle și are un hem. Secvența de aminoacizi a mioglobinei diferă de secvențele lanțurilor a hemoglobinei. Cu toate acestea, structura terțiară a lanțurilor a ale hemoglobinei și mioglobinei este identică. Se numește modalitatea generală de pliere a elicei a proteinelor globulare tip globin de pliere.
La acizi nucleici includ compuși cu înaltă polimeri care se descompun în timpul hidrolizei în baze purinice și pirimidinice, pentoză și acid fosforic. Acizii nucleici conțin carbon, hidrogen, fosfor, oxigen și azot. Există două clase de acizi nucleici: acizi ribonucleici (ARN)și acizi dezoxiribonucleici (ADN).
Structura și funcțiile ADN-ului
ADN- un polimer ai cărui monomeri sunt dezoxiribonucleotide. Modelul structurii spațiale a moleculei de ADN sub forma unui dublu helix a fost propus în 1953 de J. Watson și F. Crick (pentru a construi acest model, au folosit lucrările lui M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).
molecula de ADN format din două lanțuri de polinucleotide, răsucite spiralat unul în jurul celuilalt și împreună în jurul unei axe imaginare, i.e. este o spirală dublă (excepție - unii virusuri care conțin ADN au ADN monocatenar). Diametrul dublei helix ADN este de 2 nm, distanța dintre nucleotidele adiacente este de 0,34 nm și există 10 perechi de nucleotide pe tură a helixului. Lungimea moleculei poate ajunge la câțiva centimetri. Greutatea moleculară - zeci și sute de milioane. Lungimea totală a ADN-ului din nucleul celulei umane este de aproximativ 2 m. În celulele eucariote, ADN-ul formează complexe cu proteinele și are o conformație spațială specifică.
Monomer ADN - nucleotidă (dezoxiribonucleotidă)- constă din reziduuri a trei substanțe: 1) o bază azotată, 2) o monozaharidă cu cinci atomi de carbon (pentoză) și 3) acid fosforic. Bazele azotate ale acizilor nucleici aparțin claselor pirimidinelor și purinelor. Bazele pirimidinice ale ADN-ului(au un inel în molecula lor) - timină, citozină. Baze purinice(au două inele) - adenină și guanină.
Monozaharida nucleotidei ADN este reprezentată de dezoxiriboză.
Numele nucleotidei este derivat din numele bazei corespunzătoare. Nucleotidele și bazele azotate sunt indicate cu majuscule.
Un lanț polinucleotidic se formează ca rezultat al reacțiilor de condensare a nucleotidelor. În acest caz, între carbonul de 3" al reziduului dezoxiriboză al unei nucleotide și restul de acid fosforic al celeilalte, legătură fosfoeter(aparține categoriei de legături covalente puternice). Un capăt al lanțului de polinucleotide se termină cu un capăt de 5 "carbon (se numește capătul de 5"), celălalt se termină cu un capăt de 3 "carbon (3").
Împotriva unui lanț de nucleotide se află un al doilea lanț. Dispunerea nucleotidelor în aceste două lanțuri nu este întâmplătoare, ci strict definită: timina este întotdeauna situată opus adeninei unui lanț din celălalt lanț, iar citozina este întotdeauna situată opus guaninei, între adenină și timină apar două legături de hidrogen, trei hidrogen. legături dintre guanină și citozină. Modelul conform căruia nucleotidele diferitelor catene de ADN sunt ordonate strict (adenină - timină, guanină - citozină) și se combină selectiv unele cu altele se numește principiul complementaritatii. De remarcat că J. Watson și F. Crick au ajuns să înțeleagă principiul complementarității după citirea lucrărilor lui E. Chargaff. E. Chargaff, după ce a studiat un număr mare de mostre de țesuturi și organe ale diferitelor organisme, a descoperit că în orice fragment de ADN conținutul de reziduuri de guanină corespunde întotdeauna exact conținutului de citozină, iar adenina timinei ( „Regula lui Chargaff”), dar nu a putut explica acest fapt.
Din principiul complementarității rezultă că secvența de nucleotide a unui lanț determină secvența de nucleotide a altuia.
Catenele de ADN sunt antiparalele (opuse), adică. nucleotidele diferitelor lanțuri sunt situate în direcții opuse și, prin urmare, opus capătului 3 al unui lanț se află capătul 5 al celuilalt. Molecula de ADN este uneori comparată cu o scară în spirală. „Balustrada” acestei scări este coloana vertebrală zahăr-fosfat (reziduuri alternative de deoxiriboză și acid fosforic); „treptele” sunt baze azotate complementare.
Funcția ADN-ului- stocarea si transmiterea informatiilor ereditare.
Replicarea (reduplicarea) ADN-ului
- procesul de autodublare, principala proprietate a moleculei de ADN. Replicarea aparține categoriei reacțiilor de sinteză a matricei și implică enzime. Sub acțiunea enzimelor, molecula de ADN se desfășoară, iar în jurul fiecărei catene care acționează ca șablon, o nouă catenă este completată conform principiilor complementarității și antiparalelismului. Astfel, în fiecare ADN fiică, o catenă este catena părinte, iar a doua catenă este nou sintetizată. Acest tip de sinteză se numește semiconservatoare.
„Materialul de construcție” și sursa de energie pentru replicare sunt trifosfați dezoxiribonucleozidici(ATP, TTP, GTP, CTP) care conține trei resturi de acid fosforic. Când trifosfații dezoxiribonucleozidici sunt incluși în lanțul polinucleotidic, două resturi terminale de acid fosforic sunt scindate, iar energia eliberată este utilizată pentru a forma o legătură fosfodiesterică între nucleotide.
Următoarele enzime sunt implicate în replicare:
- helicaze (ADN-ul de desfășurare);
- proteine destabilizatoare;
- ADN topoizomeraze (ADN tăiat);
- ADN polimeraze (selectează trifosfații dezoxiribonucleozidici și le atașează în mod complementar la lanțul șablon de ADN);
- primaze ARN (formă primeri ARN, primeri);
- ADN ligaze (coaseți fragmente de ADN împreună).
Cu ajutorul helicazelor, ADN-ul este deztors în anumite regiuni, regiunile ADN monocatenar sunt legate de proteine destabilizatoare și furcă de replicare. Cu o discrepanță de 10 perechi de nucleotide (o tură a helixului), molecula de ADN trebuie să finalizeze o revoluție completă în jurul axei sale. Pentru a preveni această rotație, ADN-topoizomeraza taie o catenă de ADN, permițându-i să se rotească în jurul celei de-a doua catene.
ADN polimeraza poate atașa doar o nucleotidă la carbonul de 3" al dezoxiribozei nucleotidei anterioare, astfel încât această enzimă se poate deplasa de-a lungul ADN-ului șablon într-o singură direcție: de la capătul de 3" la capătul de 5" al acestui ADN șablon. Deoarece lanțurile din ADN-ul matern sunt antiparalele, atunci pe diferitele sale lanțuri asamblarea lanțurilor polinucleotidice fiice are loc în moduri diferite și în direcții opuse. Pe lanțul 3 "-5", sinteza lanțului polinucleotid fiice decurge fără întrerupere; acest lanț fiică se va numi conducere. Pe lanțul 5 "-3" - intermitent, în fragmente ( fragmente din Okazaki), care, după terminarea replicării de către ADN ligaze, sunt fuzionate într-o singură catenă; acest lanț de copii se va numi întârziat (rămânând în urmă).
O caracteristică a ADN polimerazei este că își poate începe lucrul numai cu "seminte" (grund). Rolul „semințelor” este îndeplinit de secvențe scurte de ARN formate cu participarea enzimei primazei ARN și asociate cu ADN șablon. Primerii ARN sunt îndepărtați după finalizarea ansamblării lanțurilor de polinucleotide.
Replicarea se desfășoară în mod similar în procariote și eucariote. Rata de sinteză a ADN-ului la procariote este cu un ordin de mărime mai mare (1000 de nucleotide pe secundă) decât la eucariote (100 de nucleotide pe secundă). Replicarea începe simultan în mai multe regiuni ale moleculei de ADN. O bucată de ADN de la o origine de replicare la alta formează o unitate de replicare - replicon.
Replicarea are loc înainte de diviziunea celulară. Datorită acestei capacități a ADN-ului, se realizează transferul de informații ereditare de la celula mamă la celulele fiice.
Reparație („reparație”)
reparatii este procesul de reparare a deteriorării secvenței de nucleotide a ADN-ului. Este realizat de sisteme enzimatice speciale ale celulei ( enzime reparatoare). Următoarele etape pot fi distinse în procesul de reparare a structurii ADN: 1) nucleazele de reparare a ADN-ului recunosc și îndepărtează zona deteriorată, rezultând un gol în lanțul ADN; 2) ADN polimeraza umple acest gol prin copierea informațiilor din a doua catenă („bună”); 3) ADN ligaza „reticulă” nucleotidele, completând reparația.
Au fost studiate cel mai mult trei mecanisme de reparare: 1) fotorepararea, 2) repararea cu accize sau pre-replicative, 3) repararea post-replicativă.
Modificările în structura ADN-ului apar constant în celulă sub influența metaboliților reactivi, radiațiilor ultraviolete, metalelor grele și a sărurilor acestora etc. Prin urmare, defectele sistemelor de reparare cresc rata proceselor de mutație și provoacă boli ereditare (xeroderma pigmentosa, progeria). , etc.).
Structura și funcțiile ARN
este un polimer ai cărui monomeri sunt ribonucleotide. Spre deosebire de ADN, ARN-ul este format nu din două, ci dintr-un singur lanț de polinucleotide (excepție - unii virusuri care conțin ARN au ARN dublu catenar). Nucleotidele ARN sunt capabile să formeze legături de hidrogen între ele. Lanțurile de ARN sunt mult mai scurte decât lanțurile de ADN.
Monomer ARN - nucleotidă (ribonucleotidă)- constă din reziduuri a trei substanțe: 1) o bază azotată, 2) o monozaharidă cu cinci atomi de carbon (pentoză) și 3) acid fosforic. Bazele azotate ale ARN aparțin și ele claselor de pirimidine și purine.
Bazele pirimidinice ale ARN sunt uracil, citozină, iar bazele purinice sunt adenina și guanina. Monozaharida nucleotidă ARN este reprezentată de riboză.
Aloca trei tipuri de ARN: 1) informativ(matrice) ARN - ARNm (ARNm), 2) transport ARN - ARNt, 3) ribozomal ARN - ARNr.
Toate tipurile de ARN sunt polinucleotide neramificate, au o conformație spațială specifică și participă la procesele de sinteză a proteinelor. Informațiile despre structura tuturor tipurilor de ARN sunt stocate în ADN. Procesul de sinteză a ARN-ului pe un șablon de ADN se numește transcripție.
Transfer ARN-uri conțin de obicei 76 (de la 75 la 95) nucleotide; greutate moleculară - 25 000-30 000. Ponderea ARNt reprezintă aproximativ 10% din conținutul total de ARN din celulă. Funcții ARNt: 1) transportul aminoacizilor la locul sintezei proteinelor, la ribozomi, 2) mediator de translație. În celulă se găsesc aproximativ 40 de tipuri de ARNt, fiecare dintre ele având o secvență de nucleotide caracteristică doar pentru aceasta. Cu toate acestea, toate ARNt-urile au mai multe regiuni complementare intramoleculare, datorită cărora ARNt-urile capătă o conformație care seamănă cu o frunză de trifoi. Orice ARNt are o buclă pentru contactul cu ribozomul (1), o buclă anticodon (2), o buclă pentru contactul cu enzima (3), o tulpină acceptor (4) și un anticodon (5). Aminoacidul este atașat la capătul 3’ al tulpinii acceptoare. Anticodon- trei nucleotide care „recunosc” codonul ARNm. Trebuie subliniat faptul că un anumit ARNt poate transporta un aminoacid strict definit corespunzător anticodonului său. Specificitatea conexiunii dintre aminoacizi și ARNt se realizează datorită proprietăților enzimei aminoacil-ARNt sintetaza.
ARN ribozomal conţin 3000-5000 de nucleotide; greutate moleculară - 1 000 000-1 500 000. ARNr reprezintă 80-85% din conținutul total de ARN din celulă. În combinație cu proteinele ribozomale, ARNr formează ribozomi - organele care realizează sinteza proteinelor. În celulele eucariote, sinteza ARNr are loc în nucleol. funcțiile ARNr: 1) o componentă structurală necesară a ribozomilor și, astfel, asigurând funcționarea ribozomilor; 2) asigurarea interacțiunii ribozomului și ARNt; 3) legarea inițială a ribozomului și a codonului inițiator ARNm și determinarea cadrului de citire, 4) formarea centrului activ al ribozomului.
Informații ARN a variat în conținutul de nucleotide și greutatea moleculară (de la 50.000 la 4.000.000). Ponderea ARNm reprezintă până la 5% din conținutul total de ARN din celulă. Funcțiile ARNm: 1) transferul de informații genetice de la ADN la ribozomi, 2) o matrice pentru sinteza unei molecule de proteine, 3) determinarea secvenței de aminoacizi a structurii primare a unei molecule de proteine.
Structura și funcțiile ATP
Acid adenozin trifosforic (ATP) este o sursă universală și principalul acumulator de energie în celulele vii. ATP se găsește în toate celulele vegetale și animale. Cantitatea de ATP este în medie de 0,04% (din masa brută a celulei), cea mai mare cantitate de ATP (0,2-0,5%) se găsește în mușchii scheletici.
ATP este format din reziduuri: 1) o bază azotată (adenină), 2) o monozaharidă (riboză), 3) trei acizi fosforici. Deoarece ATP conține nu unul, ci trei reziduuri de acid fosforic, acesta aparține trifosfaților ribonucleozidici.
Pentru majoritatea tipurilor de lucru care au loc în celule, se utilizează energia hidrolizei ATP. În același timp, când restul terminal al acidului fosforic este scindat, ATP este transformat în ADP (acid adenozin difosforic), când al doilea reziduu de acid fosforic este scindat, acesta devine AMP (acid adenozin monofosforic). Randamentul de energie liberă în timpul eliminării atât a resturilor terminale, cât și a celui de-al doilea de acid fosforic este de 30,6 kJ fiecare. Scindarea celei de-a treia grupări fosfat este însoțită de eliberarea a doar 13,8 kJ. Legăturile dintre terminal și al doilea, al doilea și primul reziduu de acid fosforic se numesc macroergice (de înaltă energie).
Rezervele de ATP sunt reînnoite în mod constant. În celulele tuturor organismelor, sinteza ATP are loc în procesul de fosforilare, adică. adăugarea de acid fosforic la ADP. Fosforilarea are loc cu intensitate diferită în timpul respirației (mitocondrii), glicolizei (citoplasmei), fotosintezei (cloroplaste).
ATP este principala legătură între procesele însoțite de eliberarea și acumularea de energie și procesele care necesită energie. În plus, ATP, împreună cu alți trifosfați ribonucleozidici (GTP, CTP, UTP), este un substrat pentru sinteza ARN.
Mergi la cursurile №3„Structura și funcția proteinelor. Enzime»
Mergi la cursurile numarul 5"Teoria celulei. Tipuri de organizare celulară»
Lucrarea și funcțiile proteinelor stau la baza structurii oricărui organism și a tuturor reacțiilor vieții care apar în el. Orice încălcare a acestor proteine duce la o schimbare a stării de bine și a sănătății noastre. Necesitatea studierii structurii, proprietăților și tipurilor de proteine constă în diversitatea funcțiilor acestora.
Primele cuvinte din definiția conceptului de viață de către F. Engels „Viața este un mod de existență a corpurilor proteice, ....“ încă, după un secol și jumătate, nu și-au pierdut corectitudinea și relevanța.
functie structurala
Substanța țesutului conjunctiv și matricea extracelulară formează proteine colagen , elastina, cheratina, proteoglicani .
Direct implicat în construcția membranelor și a citoscheletului (proteine integrale, semi-integrale și de suprafață) - spectrina(suprafața, proteina de bază a citoscheletului eritrocitar), glicoforină(integral, fixează spectrina la suprafață).
Această funcție include participarea la crearea de organele - ribozomi.
Funcția enzimatică
Toate enzime sunt proteine.
În același timp, există dovezi ale existenței ribozime, adică acizi ribonucleici cu activitate catalitică.
Funcția hormonală
Reglarea și coordonarea metabolismului în diferite celule ale corpului este efectuată de hormoni. Hormoni precum insulinăși glucagon sunt proteine, toți hormonii pituitari sunt peptide sau proteine mici.
Funcția receptorului
Aceasta functie consta in legarea selectiva a hormonilor, substantelor biologic active si mediatorilor de pe suprafata membranelor sau in interiorul celulelor.
functia de transport
Numai proteinele transportă substanțe în sânge, de exemplu, lipoproteinele(transfer grasime) hemoglobină(legare de oxigen), haptoglobină (transport hem), transferină(transport fier). Proteinele transportă calciu, magneziu, fier, cupru și alți ioni în sânge.
Transport de substante prin membrane realizat de proteine Na+,K+-ATPaza(transport transmembranar antidirecțional al ionilor de sodiu și potasiu), Ca2+-ATPaza(eliminarea ionilor de calciu din celulă), transportatori de glucoză.
Funcția de rezervă
Un exemplu de proteină depusă este producția și acumularea în ou albumina de ou.
Animalele și oamenii nu au astfel de depozite specializate, dar proteinele sunt folosite în timpul înfometării prelungite. mușchi, organe limfoide, țesuturi epitelialeși ficat.
functia contractila
Există o serie de proteine intracelulare concepute pentru a schimba forma celulei și mișcarea celulei în sine sau a organelelor acesteia ( tubulina, actina, miozina).
Funcție de protecție
Funcția de protecție, prevenirea procesului infecțios și menținerea rezistenței organismului, este îndeplinită de imunoglobuline sânge, factori de sistem completa(properdin), atunci când țesuturile sunt deteriorate, acestea funcționează proteine de coagulare sânge - de exemplu, fibrinogen, protrombină, globulină antihemofilă. Mecanic protecția sub formă de mucoase și piele este realizată de colagen și proteoglicani .
Această funcție include și menținerea constanței coloid osmotic tensiunea arterială, interstițiul și spațiile intracelulare, precum și alte funcții ale proteinelor din sânge.
Sistemul tampon proteic este implicat în menținere stare acido-bazică .
Există proteine care fac obiectul unui studiu special:
Monellin- izolat dintr-o planta africana, are un gust foarte dulce, nu este toxic si nu contribuie la obezitate.
Rezilina- are elasticitate aproape perfectă, formează „balamale” în punctele de prindere ale aripilor de insecte.
Proteine cu proprietăți antigel găsite în peștii din Antarctica, ele protejează sângele de îngheț
- Următorul >