Аналогично из дипептида синтезируют трипептид, из него -- тетрапептид и т. д., получая в конечном итоге полипептиды со строго определенным чередованием аминокислотных остатков. Во всех этих реакциях дегидратирующим агентом обычно служат диимиды:

C6H11--N=C=N--С6Н11 + Н2О > С6Н11NHCONHC6H11

Принципиально новым подходом к этому вопросу является твердофазный пептидный синтез, где растущая цепь все время химически связана со стороны группы СООН с таким трехмерным полимером, как хлорметилированный сополимер стирола и дивинилбензола, подвергнутый еще нитрованию (полимер обозначен через П):

(здесь А1 А2, . . ., Аn -- остатки различных аминокислот).

Вследствие нерастворимости прикрепленного к сетчатому полимеру полипептида упрощается его очистка, повышается выход (при обычном методе синтеза инсулина, состоящего из 221 стадии, суммарный выход ничтожно мал; новый метод дает выход до 68%) и практически исключается рацемизация. Новый метод может быть автоматизирован, и с некоторыми изменениями он пригоден для синтеза полисахаридов и полинуклеотидов.

При воспроизведении ДНК возможно появление «ошибочных» звеньев, например вследствие перехода остатка тимина в енольную форму:

Т.к. новая форма в отличие от исходной способна образовывать три водородные связи вместо двух, «дочерняя» двойная спираль будет содержать «неправильные» пары. Этот эффект может быть вызван радиоактивным облучением или замещением аминогруппы органического основания на группу ОН: R--NH2 + HO--NO > R--OH + N2 + H2O.

Даже незначительные «повреждения» в макромолекуле ДНК имеют большое значение, так как они носят наследственный характер и могут передаваться от ДНК к РНК и от РНК к аминокислотам. В результате изменится не только весь ход биосинтеза в клетке, но также свойства, ферментативная активность и сама природа образующихся белков [54-56,69, 70].

1. Белки, их строение.

2. Свойства белков.

3. Структуры белков.

4. Ферменты и их значение в процессах жизнедеятельности.

2. Строение ферментов и причина их высокой специфичности.

3. Отличия ферментов от небиологических катализаторов.

4. Механизм действия ферментов.

5. Классификация ферментов.

II. Изучение нового материала

1. Нуклеиновые кислоты, их содержание в клетке, размеры молекул и молекулярная масса

Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, полинуклеотиды, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.

Эти органические соединения были открыты в 1869 г. швейцарским врачом И.Ф. Мишером в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах, сперматозоидах лосося). Нуклеиновые кислоты (НК) являются составной частью клеточных ядер, поэтому они и получили такое название (от лат. nucleus - ядро). Помимо ядра нуклеиновые кислоты встречаются также в цитоплазме, центриолях, митохондриях, хлоропластах.

В природе существуют НК двух типов: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Они различаются по составу, строению и функциям. ДНК имеет двухцепочечную молекулу, а РНК - одноцепочечную. Содержание нуклеиновых кислот в живом веществе - от 1 до 2%.

Нуклеиновые кислоты - биополимеры, достигающие огромных размеров. Длина их молекул равна сотням тысяч нанометров (1 нм = 10-9 м), это в тысячи раз больше длины белковых молекул. Особенно велика молекула ДНК. Молекулярная масса нуклеиновых кислот достигает десятков миллионов и миллиардов (105-109). Например, масса ДНК кишечной палочки равна 2,5x109, а в ядре половой клетки человека (гаплоидный набор хромосом) длина молекул ДНК составляет 102 см.

2. НК - непериодические полимеры. Типы нуклеотидов и их строение

Нуклеиновые кислоты - непериодические биополимеры, полимерные цепи которых образованы мономерами, называемыми нуклеотидами. В молекулах ДНК и РНК содержится по четыре типа нуклеотидов. Нуклеотиды ДНК называют дезоксирибонуклеотидами, а РНК - рибонуклеотидами. Нуклеотидный состав ДНК и РНК отражают данные таблицы.

Таблица 1. Состав нуклеотидов ДНК и РНК

Рассмотрим строение нуклеотида. Нуклеотиды - сложные органические соединения, включающие в себя три компонента. Схема строения нуклеотида ДНК приведена на рисунке.

1. Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с атомами углерода входят атомы других элементов, в частности азота. За присутствие в этих соединениях атомов азота они и получили название «азотистые», а поскольку обладают щелочными свойствами - «основания». Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, имеющего в составе своей молекулы одно кольцо. В составе дезоксирибонуклеотидов обнаруживаются пиримидиновые основания тимин и цитозин, а в составе рибонуклеотидов - цитозин и урацил. Урацил отличается от тимина отсутствием метильной группы (-СН3).

Пиримидиновые основания

Пуриновые основания

Пуриновые основания являются производными пурина, имеющего два кольца. К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин. Они входят в состав нуклеотидов как ДНК, так и РНК.

По содержащемуся азотистому основанию нуклеотиды и получили свое название. Например, нуклеотид, содержащий азотистое основание тимин называется тимидиловым, урацил - уридиловым и т.д. Азотистые основания и нуклеотиды в целом принято обозначать заглавными русскими или латинскими начальными буквами.

2. Углевод - пентоза (C5). Этот компонент также принимает участие в образовании нуклеотидов. В составе нуклеотидов ДНК содержится пентоза - дезоксирибоза, а в составе нуклеотидов РНК - рибоза. Углеводный состав нуклеотидов отражен, как мы видим, в названиях нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая. Соединения пентозы с азотистым основанием получили название «нуклеозиды».

3. Остаток фосфорной кислоты. Фосфат придает нуклеиновым кислотам кислые свойства.

Итак, нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и фосфата. В составе нуклеотидов с одной стороны к углеводу присоединено азотистое основание, а с другой - остаток фосфорной кислоты.

3. Соединение нуклеотидов в цепь

Нуклеотиды соединяются между собой в ходе реакции конденсации. При этом между 3'-атомом углерода остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложная эфирная связь. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи. Один конец полинуклеотидной цепи (его называют 5'-концом) заканчивается молекулой фосфорной кислоты, присоединенной к 5'-атому углерода, другой (его называют 3'-концом) - ионом водорода, присоединенным 3'-атому углерода. Цепь последовательно расположенных нуклеотидов составляет первичную структуру ДНК.

Образование первичной структуры ДНК

Таким образом, скелет полинуклеотидной цепочки углеводно-фосфатный, т.к. нуклеотиды соединяются друг с другом путем образования ковалентных связей (фосфодиэфирных мостиков), в которых фосфатная группа образует мостик между С3-атомом одной молекулы сахара и С5-атомом следующей. Прочные ковалентные связи между нуклеотидами уменьшают риск «поломок» нуклеиновых кислот.

Если в составе полинуклеотида, образованного четырьмя типами нуклеотидов, 1000 звеньев, то количество возможных вариантов его состава 41000. Поэтому всего четыре типа нуклеотидов могут обеспечить огромное разнообразие НК и той информации, которая содержится в них.

4. Образование двухцепочечной молекулы ДНК

В 1950 г. английский физик Морис Уилкинс получил рентгенограмму ДНК. Она показала, что молекула ДНК имеет определенную структуру, расшифровка которой помогла бы понять механизм ее функционирования. Рентгенограммы, полученные на высокоочищенной ДНК, позволили Розалинд Франклин увидеть четкий крестообразный рисунок - опознавательный знак двойной спирали. Стало известно, что нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали их приходится 10.

Двойная спираль ДНК

Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Из рентгенографических данных, однако, было не ясно, каким образом две цепи удерживаются вместе.

Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик Фрэнсис Крик, рассмотрев совокупность известных данных о строении ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания - в середине.

Сахарофосфатный остов ДНК

Д.Уотсон и Ф.Крик установили, что две полинуклеотидные цепи ДНК закручены вокруг друг друга и вокруг общей оси. Цепи ДНК - антипараллельны (разнонаправлены), т.е. против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой (представьте себе двух змей скрутившихся в спираль, - голова одной к хвосту другой). Спираль обычно закручена вправо, но есть случаи образования и левой спирали.

5. Правила Чаргаффа. Сущность принципа комплементарности

Еще до открытия Уотсона и Крика, в 1950 г. австралийский биохимик Эдвин Чаргафф установил, что в ДНК любого организма количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых, а количество гуаниловых нуклеотидов равно количеству цитозиловых нуклеотидов (А=Т, Г=Ц), или суммарное количество пуриновых азотистых оснований равно суммарному количеству пиримидиновых азотистых оснований (А+Г=Ц+Т). Эти закономерности получили название «правила Чаргаффа».

Дело в том, что при образовании двойной спирали всегда напротив азотистого основания аденин в одной цепи устанавливается азотистое основание тимин в другой цепи, а напротив гуанина - цитозин, то есть цепи ДНК как бы дополняют друг друга. А эти парные нуклеотиды комплементарны друг другу (от лат. complementum - дополнение). Мы уже несколько раз сталкивались с проявлением комплементарности (комплиментарны друг другу активный центр фермента и молекула субстрата; комплементарны друг другу антиген и антитело).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17