Введение в Молекулярную Биологию (книга Э. Рис)

Question 1

Органеллы

Answer 1

— это находящиеся в клетке субструктуры, которые выполняют те или иные специфические функции. Размеры органелл варьируют от 20 нм до 10 мкм.

Question 2

Гены

Answer 2

Гены заключают в себе информацию, однозначно определяющую структуру и функцию клетки.
Все гены состоят из ДНК (дезоксирибонуклеиновой кисло- ты), и каждая отдельная клетка может содержать многие тысячи таких генов.
Гены, однако, присутствуют там не в виде отдельных фрагментов молекулы ДНК, а входят в состав более крупных структурных единиц, называемых хромосомами.

Question 3

Вирусы

Answer 3

Вирусы можно считать просто некой совокупностью (ансамблем) макромолекул.
Диаметр вирусной частицы составляет от 20 до 300 нм. Таким образом, вирусы значительно меньше самых мелких клеток и не способны к самовоспроизведению без содействия синтезирующего аппарата клетки-хозяина.
Вирусы можно также условно отнести к одному из двух типов на основе принадлежности клетки-хозяина к прокариотам или эукариотам.

Question 4

Макромолекулы

Answer 4

Макромолекулы — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды — представляют собой гигантские молекулы, размеры которых варьируют от 3 до 300 нм.
Одна из самых больших ма- кромолекул — белок коллаген, компонент соединительной ткани: ее длина около 300 нм, длина же большинства макромолекул лежит в диапазоне 4—20 нм.

Question 5

Малые молекулы

Answer 5

Малые молекулы как правило, имеют диаметр от 0,5 до 1 нм. Особенно важную роль в биологии играют три класса малых молекул — аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.
Они служат «кирпичиками», из которых строятся полимерные биологические макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды соответственно).

Question 6

Прокариотическая клетка

Answer 6

— простейший тип живой клетки.
К прокариотам относятся такие одноклеточные организмы, как бактерии и синезеленые водоросли. Определяющей особенностью прокариотической клетки является наличие прямого контакта между ее хромосомой и цитоплазмой. Хромосомы эукариотической клетки, напротив, заключены в мембранную структуру — ядро. От эукариотических клеток прокариоты отличаются, кроме того, отсутствием митохондий и хлоропластов, меньшими размерами рибосом (их коэффициент седиментации 70S), а также весьма ограниченной — из-за наличия клеточной стенки - способностью выделять и поглощать крупные молекулы.

Question 7

Хромосома в прокариотической клетке

Answer 7

Хромосома в прокариотической клетке всего одна. Она представляет собой непрерывный кольцевой тяж двухцепочечной ДНК. Молекула ДНК может достигать длины около 1 мм (например, у бактерии Е. coif); в клетке она обычно туго скручена в компактную спиральную структуру). Существуют также внехромосомные ДНК-содержащие элементы — плазмиды. Это маленькие кольцевые структуры, несущие лишь по нескольку генов; некоторые из них могут кодировать такие ферменты, благодаря которым клетка становится устойчивой к различным антибиотикам.

Question 8

Плазматическая мембрана клетки

Answer 8

Плазматическая мембрана клетки состоит из липидов и белков. Она служит полупроницаемым барьером, контролирующим перенос малых молекул и ионов в клетку и из клетки.

Question 9

Мезосома

Answer 9

Мезосома представляет собой впячивание плазма- тической мембраны в цитоплазму. Она содержит многослойную мембранную систему, которая своей цитоплазматической стороной часто связана с ДНК. Считается, что мезосомы участвуют в клетке в двух разных процессах: они могут служить местом прикрепления ДНК (особенно во время репликации) и играть определенную роль в секреции.

Question 10

Клеточная стенка

Answer 10

Клеточная стенка расположена снаружи от плазматической мембраны и покрывает всю клетку. Она сообщает клетке жесткость, придает ей определенную форму, а также защищает ее от повреждения при осмотических и механических воздействиях. У бактерий клеточная стенка представляет собой жесткую сеть из липидов, полисахаридов и белков. В структурном отношении бактериальная клеточная стенка бывает в основном двух типов; в соответствии с этим бактерии разделяют на грамположительные и грамотрицательные.
У синезеленых водорослей клеточная стенка построена из простых полисахаридов, таких как целлюлоза.

Question 11

Желатиновый слой

Answer 11

Желатиновый слой (гликокаликс) — самый на- ружный слой прокариотической клетки; чаще всего он встречается у синезеленых водорослей.

Question 12

Жгутик

Answer 12

— белковая органелла, отходящая от поверхности клетки в виде вытянутого отростка длиной от 1 до 20 мкм. С помощью жгутиков клетка перемещается в жидкой среде.

Question 13

Рибосома

Answer 13

— сложная органелла, в которой осуществляется синтез белка.
В связи с тем что бактерии размножаются с высокой скоростью, рибосомы могут составлять до 40% массы клетки. Рибосома — это комплекс молекул белков и РНК (рРНК), образующих почти сферическую частицу диаметром 20 нм. В рибосоме можно выделить две части — большую и малую субчастицы. Большая субчастица состоит из 34 разных белков, связанных с большой (23S) и малой (5S) молекулами рРНК. Малая субчастица содержит 21 белок и молекулу рРНК среднего размера (16S).

Question 14

Энергия в прокариотической клетке

Answer 14

Энергия для процессов биосинтеза в прокариотической клетке поступает из двух основных источников. Первый — это нуклеозидтрифосфат, АТР, который образуется в результате катализируемого группой ферментов гликолиза за счет энергии, содержащейся в молекулах такого рода питательных веществ, как гексозы (например, глюкозы. Энергия, запасенная в АТР, может затем использоваться множеством разных ферментов в анаболических (биосинтетических) процессах.
Второй, самый важный источник энергии — это АТР, синтезируемый с помощью группы белков, расположенных рядом друг с другом в плазматической мембране и образующих так называемую цепь переноса электронов. Эта цепь, в конце которой происходит восстановление кислорода до воды, получает электроны от атомов водорода, продуцируемых в цикле Кребса при окислении кислотных субстратов. Образующиеся ионы Н+ «откачиваются» через бактериальную мембрану транспортными белками, в результате чего между вне- и внутриклеточным пространством возникает разность рН и электрического потенциала. Запасенная в таком электрохимическом градиенте свободная энергия используется для синтеза молекул АТР в расположенных в мембране так называемых F1-частицах.

Question 15

Энергия в фотосинтезирующих клетках

Answer 15

Фотосинтезирующие клетки, такие как синезеленые водоросли и фотосинтезирующие бактерии, производят энергию для метаболических процессов, поглощая энергию видимого света. У синезеленых водорослей фотосинтетические мембраны — ламеллы - содержат специальные пигменты, функция которых состоит в поглощении световой энергии и превращении ее в химическую для синтеза АТР. Поскольку прокариотические водоросли способны использовать диоксид углерода в качестве единственного источника углерода, т.е. могут «фиксировать» углерод, включая его в сложные молекулы, их называют автотрофами.

Question 16

Фотосинтезирующие бактерии

Answer 16

содержат специальные белки, например бактериородопсин, располагающиеся в плазматической мембране и реагирующие на свет созданием протонного градиента путем перекачивания ионов Н+ через мембрану в одном направлении. Энергия возникающего таким образом электрохимического градиента используется затем для обеспечения синтеза АТР. Эти бактерии отличаются, однако, от синезеленых водорослей тем, что они неспособны фиксировать СО2. Для осуществления биосинтеза они вынуждены извлекать углерод из уже существующих органических молекул, и по этой причине их называют гетеротрофами.

Question 17

Эндоцитоз

Answer 17

или поглощение белков и других макромолекул, находящихся в контакте с клеточной поверхностью, у прокариот происходит редко, однако у них возможен экзоцитоз.

Question 18

Размножение прокариот

Answer 18

происходит неполовым путем. Каждая прокариотическая клетка делится на две в результате процесса, называемого митозом; с дочерними клетками происходит то же самое, и т. д.

Question 19

Эукариотическая клетка

Answer 19

обладает целым рядом структурных особенностей, которые отсутствуют в более простой, прокариотической клетке. Из эукариотических клеток состоят многие самые разнообразные организмы: высшие растения, многоклеточные животные, грибы и одноклеточные амебы. Отдельные клетки из различных частей какого-либо высшего организма могут существенно отличаться друг от друг по морфологии и функции. По этой причине на представленной схеме отражены лишь главные черты большинства эукариотических клеток.

Question 20

Ядро

Answer 20

Ядро содержат нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), белки, а также небольшие молекулы и ионы, окруженные ядерной мембраной, состоящей из липидов и белков. Эукариотическая ДНК упакована в отдельные хромосомы, число которых варьирует в зависимости от вида (так, у человека в каждой диплоидной клетке 46 хромосом, а у огурца — 14).

Question 21

Диплоидная клетка

Answer 21

— это клетка, содержащая по две копии каждой хромосомы. Таким образом, в каждой клетке человека находится 23 пары хромосом, и диплоидное число их равно 46.

Question 22

Гаплоидная клетка

Answer 22

содержит только по одной копии каждой хромосомы, и, следовательно, гаплоидное число хромосом у человека равно 23.

Question 23

Эукариотические хромосомы

Answer 23

ДНК в ядре обычно находится в комплексе с белками. Такие ДНК-белковые комплексы называются хроматином (гл. 26). Непрерывные нити хроматина, уложенные определенным образом, составляют хромосому. Приблизительно в центре каждой хромосомы имеется плотный, суженный участок, известный под названием центромеры. В этом месте хромосома прикрепляется к митотическому веретену во время деления (гл. 29).

Question 24

Ядрышко

Answer 24

представляет собой область внутри ядра, где локализованы гены, кодирующие три (28S, 16S и 5,8S) из четырех молекул рибосомных РНК. Плотная, волокнистая центральная зона ядрышка содержит ДНК-белковые комплексы; здесь происходит транс- крипция генов рибосомных РНК.

Question 25

Центриоли

Answer 25

Центриоли (обычно их две) лежат вблизи ядра. Каждая центриоль построена из цилиндрических элементов (микротрубочек), образованных в результате поли- меризации белка тубулина. Девять триплетов микро- трубочек расположены по окружности, как показано на рисунке. Центриоли принимают участие в формирова- нии цитоплазматических микротрубочек (гл. 39) во время деления клетки и в регуляции образования ми- тотического веретена. В клетках растений центриолей нет, и митотическое веретено образуется там иным способом.

Question 26

Ядерная мембрана

Answer 26

состоит из двух слоев, разделен- ных перинуклеарным пространством. По всей поверх- ности ядерной мембраны равномерно распределены ядерные поры. Так называемый поровый комплекс ядра имеет гранулярную структуру — белковые грану- лы располагаются по границе округлого центрального отверстия таким образом, что каждая гранула нахо- дится в вершине правильного восьмиугольника. Пе- ренос веществ осуществляется главным образом через центральные области пор и происходит, по-видимо- му, как из ядра в цитоплазму, так и в обратном направ- лении.

Question 27

Плазматическая мембрана эукариот,

Answer 27

как и у прокариот, состоит из белков, углеводов и липидов. Она ог- раничивает полость, внутри которой помещаются клеточные компоненты. Некоторые органеллы, такие как комплекс Голъджи, напрямую связаны с поверхно- стью мембраны; другие же, как, например, эндоплаз- матинеский ретикулум (шероховатый и гладкий), не- посредственно с плазматической мембраной не кон- тактируют.

Question 28

Клеточная стенка

Answer 28

имеющаяся только у растений, лежит снаружи от плазматической мембраны. Она со- стоит из большего число слоев; каждый слой образо- ван длинными цепями целлюлозных волокон. Такая структура придает клетке жесткость

Question 29

Цитоплазма

Answer 29

В цитоплазме эукариотических клеток можно выделить восемь структурных компонентов, объединенных под общим термином органеллы.
Эукариотическая рибосома, имеющая коэффициент седиментации 80S, крупнее своего прокариотическо- го аналога, равно как и обе ее субчастицы: большая (60S) малая (40S) (гл. 24).
Гладкий эндоплазматический ретикулум (ГЭР) пред- ставляет собой систему гладких внутриклеточных мембран. В этой органелле локализованы многие фер- менты (в частности, оксидазы), катализирующие ре- акции обезвреживания ядовитых веществ. Помимо этого, на мембранах ГЭР протекают синтез липидов, а также гидролитическое расщепление гликогена (гли- когенолиз).
Шероховатый эндоплазматический ретикулум
(ШЭР) — это тоже система внутриклеточных мембран, которые выглядят шероховатыми из-за прикрепленных к ним многочисленных рибосомных частиц. Часть ШЭР находится в прямом контакте с ядерной мембра- ной. На мембранах ШЭР синтезируются белки, пред- назначенные либо для секреции во внеклеточную сре- ду, либо для включения в плазматическую мембрану.
Комплекс Голъджи представлен собранными в стопки дисковидными мембранами и связанными с ними многочисленными пузырьками. Эта органелла располагается обычно между ШЭР и плазматической мембраной. Здесь происходит модификация белков (например, гликозилирование), предназначенных для секреции во внеклеточную среду или для включения в плазматическую мембрану. На рисунке стрелками по- казан путь белков из ШЭР к комплексу Гольджи и в конечном итоге к плазматической мембране.
Диктиосома, обнаруженная у растений, выполняет ту же самую функцию, что и комплекс Гольджи у жи- вотных. По-видимому, она принимает участие также в синтезе и секреции компонентов клеточной стенки.

Митохондрия — это палочкообразная органелла диаметром около 1 мкм и длиной до 7 мкм. Она имеет двойную мембрану, разделяющую ее на два компарт- мента. Область, ограниченная складчатой внутренней мембраной (складки называются кристами) и извест- ная под названием митохондриального матрикса, со- держит рибосомы и митохондриальную ДНК — коль- цевую двухцепочечную молекулу, кодирующую не- которые митохондриальные белки. Во внутренней мембране локализован фермент, ответственный за синтез АТР, — так называемый F1-комплекс. В ком- партменте, заключенном между наружной и внут- ренней мембранами, находятся субстраты, ферменты и некоторые метаболиты. Число митохондрий в од- ной-единственной клетке может достигать несколь- ких тысяч.
Хлоропласт — это органелла, по размерам (5—10 мкм в диаметре) примерно такая же, как эритроцит, а по форме напоминающая двояковыпуклую линзу. Он представляет собой комплекс мембран: двойной на- ружной и складчатых внутренних, организованных в виде стопок дисков. Эти диски, называемые тилакои- дами, содержат компоненты фотосинтезирующего ап- парата.
Цитоскелет — обязательный компонент всех эука- риотических клеток (гл. 39) — представляет собой сложную сеть филаментов, пересекающих клетку в различных направлениях (на рисунке не изображен).

Question 30

Секреции белков

Answer 30

Секреции белков предшествует последовательность событий, начинающихся с переноса белковой цепи, синтезированной на рибосомах, во внутреннюю полость ШЭР, которая называется цистерной. После этого белок в составе специфических везикул транс- портируется в комплекс Гольджи, откуда выделяется во внеклеточную жидкость. Мембранные белки, пред- назначенные для включения в плазматическую мемб- рану, лишь частично входят в цистерну ШЭР. Основ- ная часть белковой цепи остается каким-то образом связанной с мембраной ШЭР. Фрагмент белка, обра- щенный в сторону цистерны ШЭР, может быть час- тично гликозилирован, т. е. с помощью специальных ферментов к нему могут быть присоединены молеку- лы Сахаров. Как и в случае секретируемых полипепти- дов, белок переносится затем в комплекс Гольджи, где
завершается гликозилирование и происходят другие модификации. Процесс заканчивается транспортом белка к плазматической мембране.

Question 31

Энергия в эукариотических клетках

Answer 31

вырабатывается в цитоплазме и митохондриях (у животных и растений) или в хлоропластах (только у растений) и запасается в молекулах нуклеозидтрифосфата, АТР. Эта молекула является наиболее универсальным источником энергии, хотя в некоторых реакциях могут использоваться и другие нуклеозидтрифосфаты, например GTP. АТР образуется в цитоплазме в результате разнообразных катаболических процессов, таких как гликолиз, а энергия, запасенная в трифосфатной группе, расходуется в ходе биосинтетических (анаболических) реакций. Основное место синтеза АТР у животных — это митохондрия, а у растений — хлоропласт.

Question 32

Межклеточные контакты

Answer 32

Соединения между эука-риотическими клетками образуются за счет специальных участков плазматической мембраны или клеточной стенки, называемых межклеточными контактами. В качестве примеров межклеточных контактов можно назвать десмосому, плотный контакт и плазмодесмы.

Question 33

половое размножение

Answer 33

Термин половое размножение применительно к высшим растениям и животным означает, что новый организм развивается из одной-единственной клетки (зиготы), образовавшейся при слиянии двух гамет, каждая из которых представляет собой гаплоидную клетку. Так, у человека зигота — это продукт слияния мужской половой клетки, сперматозоида, и женской половой клетки, яйцеклетки.

Question 34

Митоз

Answer 34

Митозом называется такой процесс деления диплоидной клетки (гл. 29), когда в результате появляются две идентичные и тоже диплоидные клетки. Это нормальный способ воспроизведения эукариотических клеток.

Question 35

Мейоз

Answer 35

Мейоз — это особый тип деления, приводящий к образованию двух гаплоидных клеток из одной дипло- идной и сопровождающийся, следовательно, уменьшением числа хромосом. Этому делению подвергаются те клетки, из которых формируется следующая генерация гамет, или половых клеток.

Question 36

ВИРУСЫ

Answer 36

— частицы, содержащие нуклеиновые кислоты, белки, а иногда и липиды и способные раз- множаться лишь в клетке-хозяине. Вне клетки вирусы не могут реплицироваться, поскольку у боль- шинства из них нет ферментов, необходимых для полного воспроизведения зрелой вирусной частицы. Диаметр вирусных частиц (их называют также вирионами) равен 20—300 нм. Таким образом, они намного меньше, чем даже мельчайшие из прокариотических клеток. Так как размеры белков и не- которых нуклеиновых кислот находятся в диапазоне 2—50 нм, вирусную частицу можно было бы считать просто комплексом макромолекул. Вследствие их малых размеров и неспособности к самовоспроизведению вирусы часто относят к разряду «нежи- вого».

Question 37

ДНК-СОДЕРЖАЩИЕ ВИРУСЫ

Answer 37

несут в качестве генетического материала либо одно-, либо двухцепочечную ДНК, которая может быть как линейной, так и кольцевой. В ДНК закодирована информация обо всех белках вируса. Вирусы классифицируют в зависимости от того, одно- или двухцепочечная у них ДНК и про- или эукариотической является клетка-хозяин. Вирусы, заражающие бактерии, называются бактериофагами.

Question 38

Структура вируса

Answer 38

Структура вируса в принципе такова: это молекула ДНК в белковой «обертке», называемой капсидом. Существует, однако, множество разных вариантов строения вирусов — от просто покрытой белком ДНК (например, бактериофаг РП) до сложных макромоле- кулярных комплексов, окруженных мембранными структурами (например, вирус оспы). Если у вируса есть мембрана, говорят, что он в оболочке, а если мембраны нет, вирус называют «раздетым». Различают четыре основных класса капсидов ДНК-содержащих вирусов: спиральные, икосаэдрические, сложные без оболочки, сложные с оболочкой.

Question 39

Спиральные капсиды

Answer 39

Спиральные капсиды обычно встречаются у нитевидных вирусов. Они образуются путем самосборки асимметричных белковых субъединиц (капсомеров), объединяющихся в трубчатую структуру со спиральной симметрией (например, у РП). Субъединицы в большинстве случаев гомогенны, так что поверхность вириона состоит из множества копий одного и того же белка, хотя под наружным капсидом могут находиться и другие белки. ДНК в таких вирусах либо вытянута, либо может быть туго скручена в комплексе со специальными связывающими белками

Question 40

Икосаэдрические капсиды

Answer 40

Икосаэдрические капсиды свойственны большинству сферических ДНК-содержащих вирусов. Икосаэдр — это многогранник с двадцатью треугольными гранями, имеющий кубическую симметрию и приблизительно сферическую форму. Вершины треугольников, соединяясь, образуют соответственно двенадцать вершин икосаэдра; в местах соединения располагаются обычно пентамерные белковые структуры — пентоны; там же могут находиться участки, на которых фор- мируются белковые нити, нередко ассоциированные с вершинами (например, у ф Х174 — см. рис. 4.1). Грани икосаэдра заполнены другими белковыми субъединицами, сгруппированными обычно в гексамерные структуры — гексоны (например, у аденовируса). Количество субъединиц, необходимое для заполнения граней, определяется размерами вириона в целом, и разные икосаэдрические вирусы содержат
поэтому разное число гексонов — обычно при неизменном числе пентонов. ДНК обычно плотно свернута внутри капсида; иногда она связана с белками или полипептидами, способными стабилизировать ее структуру.

Question 41

Сложные капсиды без оболочки

Answer 41

Сложные капсиды без оболочки типичны для бактериофагов: они состоят из частей с разными типами симметрии. У бактериофага Т2, например, ДНК находится в икосаэдрической головке, а для «узнавания» бактерии и введения в нее ДНК служат трубчатые и фибриллярные структуры (в узнавании участвует также лизоцим, расположенный на дистальном конце хвостового отростка).

Question 42

Сложные капсиды с оболочкой

Answer 42

Сложные капсиды с оболочкой есть только у вирусов эукариотических клеток. Они свойственны многим вирусам с нуклеоидом, состоящим из ДНК-белковых комплексов. Эти комплексы окружены одним или несколькими белковыми слоями, имеющими либо икосаэдрическую, либо нерегулярную симметрию, и наружной мембраной, почти все белковые компоненты которой являются по своему происхождению вирусными, а липидные структуры — клеточными.

Question 43

Инфицирование

Answer 43

— процесс, посредством которого вирус внедряется в клетку-хозяина и «настраивает» ее метаболический аппарат на воспроизведение ви- рионов. Зараженные вирусом клетки либо остаются живыми (в этом случае говорят, что вирус невиру- лентен), либо подвергаются лизису, приводящему к высвобождению вирусных частиц. Неизменным итогом заражения клеток ДНК-содержащими бактериофагами является лизис. ДНК-содержащие вирусы животных вызывают лизис редко; клетки, однако, могут погибнуть из-за возникших при заражении хромосомных повреждений, вследствие иммуноло- гической реакции организма или просто в результате нарушения вирусом нормальных клеточных функ- ций.

Question 44

Размножение вируса

Answer 44

— четко очерченный цикл,
приводящий в конечном счете, после синтеза новых молекул вирусных белков и большого числа копий вирусной ДНК, к формированию зрелых вирусных частиц. Хотя детали этого процесса могут различаться у разных ДНК-содержащих вирусов, по существу он универсален. У вирусов бактерий весь цикл может завершаться менее чем за час, тогда как у многих вирусов животных он занимает не один день.

Question 45

Адсорбция вируса

Answer 45

Адсорбция вируса на клетке-хозяине — первый этап инфицирования. Она происходит на специфических рецепторных участках (белковых или липидных) клеточной поверхности, которые узнаются особыми выступающими частями вириона и к которым он прочно прикрепляется. У вирусов без оболочки такими частями могут быть белковые отростки (например, у аденовируса и бактериофага Т2), а у вирусов с обо- лочкой это, как правило, белки, погруженные в вирусную мембрану. В процессе адсорбции осуществляются, в частности, такие белок-белковые взаимодействия, результатом которых является инициация стадии проникновения Д Н К в клетку.

Question 46

Проникновение вирусной ДНК в клетку-хозяина

Answer 46

Проникновение вирусной ДНК в клетку-хозяина происходит у разных вирусов по-разному. ДНК многих бактериофагов (например, бактериофага Т2) попадает в клетку, как предполагается, следующим образом: белковый стержень сплющивается, подобно телеско- пической конструкции, и ДНК «вспрыскивается» в бак- терию. Из вирусов животных ДНК обычно переходит в клетку в результате как бы слияния наружного слоя ви- риона с клеточной мембраной. Это легко себе предста- вить для вирусов с оболочкой: должно произойти про- сто слияние мембран; в случае же вирусов без оболоч- ки все не столь ясно. В отличие от ДНК большинство бактериофагов ДНК вирусов животных всегда входят в клетку вместе с непосредственно прилегающими к ней белками; последующее освобождение ДНК от этих белков осуществляется с помощью ферментов.

Question 47

Транскрипция и репликация

Answer 47

Транскрипция и репликация генетического материала вируса осуществляются обычно с участием ферментов клетки-хозяина. Сначала вирусная ДНК копируется РНК-полимеразами клетки-хозяина, в результате чего образуется мРНК, которая затем транслируется (гл. 25). На некоторых молекулах вирусной ДНК синтезируются также ее ДНК-копии — с помощью либо клеточной, либо кодируемой вирусом ДНК-полимеразы. Эти ДНК-копии используются впоследствии при сборке вирусных частиц. В некоторых случаях, например у бактериофага Т4, первые же новосинтезированные молекулы вирусной мРНК транслируются с образованием специальных белков, модифицирующих полимеразы клетки-хозяина таким образом, что те прекращают транскрипцию клеточных генов, не теряя при этом способности транскрибировать вирусные. В какой части клетки протекают про- цессы транскрипции и репликации вирусной ДНК: в ядре или в цитоплазме? Для бактериофагов такой ди- леммы не существует; что же касается ДНК-содержа- щих вирусов животных, то, по-видимому, ни та, ни другая локализация не является для этой группы виру- сов единственно возможной: у одних транскрипция и репликация происходят в ядре клетки-хозяина (на- пример, у вируса герпеса), а у других — в цитоплазме (например, у поксвирусов).

Question 48

Трансляция

Answer 48

Трансляция вирусной мРНК на рибосомах клетки-хозяина приводит к образованию вирусных белков. Некоторые из этих белков используются затем для построения капсидов, другие связываются с ви- русной ДНК, вероятно, стабилизируя ее (у многих вирусов животных), а третьи, хотя и не войдут никогда в состав зрелых вирионов, участвуют в процессе их сборки в качестве ферментов (например, у бактериофага Т2).

Question 49

Сборка вируса

Answer 49

Сборка вируса из его компонентов в клетке-хозяине может происходить спонтанно (и тогда она называется самосборкой), но может и зависеть от участия вспомогательных белков. Вирусная ДНК обычно покрывается слоем белка — капсидом. Капсид в свою очередь может заключаться в мембранную структуру, получаемую вирионом обычно от клетки-хозяина: покидая клетку путем отпочковывания от нее, вирусная частица оказывается окруженной плазматической мембраной.

Question 50

РНК-СОДЕРЖАЩИЕ ВИРУСЫ

Answer 50

РНК-СОДЕРЖАЩИЕ ВИРУСЫ не имеют ДНК; генетическая информация этих вирусов закодирована в РНК. РНК может быть одно- или двухцепочечной, а клетка-хозяин — про- или эукариотической. Только вирусы с одноцепочечной РНК заражают бактерии, тогда как вирусы растений и животных могут быть как одно-, так и двухцепочечными.

Question 51

Вирусы с двухцепочечной РНК

Answer 51

Вирусы с двухцепочечной РНК заражают как растения, так и животных. Например, вирус колорадской клещевой лихорадки и вирус карликовости риса зара- жают соответственно насекомых и растения. Эти вирусы содержат РНК в сегментированной форме: в виде некоторого числа двухцепочечных фрагментов.

Question 52

Вирусы с одноцепочечной РНК

Answer 52

Вирусы с одноцепочечной РНК можно разделить на два типа: с «плюс»-цепью и «минус»-цепью. У ви- русов первого типа цепь РНК может функциониро- вать в клетке-хозяине непосредственно как мРНК, тогда как у вирусов второго типа на «минус»-цепи должна сначала с помощью клеточных РНК-полимераз образоваться «плюс»-цепь. Вирусы животных бывают как первого, так и второго типов, а большинство ви- русов растений относятся к «плюс»-типу. Особый класс «плюс»-одноцепочечных вирусов образуют ретровирусы, которые способны заражать только клетки животных. Они отличаются от других РНК-содержащих вирусов тем, что имеют диплоидный геном, состоящий из двух идентичных «плюс»-цепей РНК. В качестве примеров одноцепочечных РНК-содержащих вирусов ниже будут рассмотрены вирус гриппа, вирус табачной мозаики и ретровирусы.

Question 53

Реовирусы

Answer 53

РЕОВИРУСЫ — это икосаэдрические вирусы без оболочки, белковый капсид которых состоит из двух сло- ев — наружного и внутреннего. Внутри капсида находятся 10 или 11 сегментов двухцепочечной РНК.

Question 54

Инфекционный процесс

Answer 54

Инфекционный процесс начинается с проникновения в клетку РНК и затем протекает в соответствии со схемой 1 (см. рис. 5.2). После частичного разрушения наружного капсида ферментами лизосом РНК в образовавшейся таким образом субвирусной частице транскрибируется, ее копии покидают частицу и соединяются с рибосомами. Затем в клетке-хозяине продуцируются белки, необходимые для формирования новых вирусных частиц.

Question 55

Репликация РНК вирусов

Answer 55

Репликация РНК вирусов происходит по консерва- тивному механизму - в отличие от репликации у ДНК- содержащих организмов, которая полуконсервативна (гл. 20). Одна из цепей каждого сегмента РНК служит матрицей для синтеза большого числа новых «плюс»- цепей. На этих «плюс»-цепях образуются затем как на матрице «минус»-цепи; «плюс»- и «минус»-цепи при этом не расходятся, а остаются вместе в виде двухцепочечных молекул. Сборка новых вирусных частиц из новообразованных «плюс»- и «минус»-сег- ментов и капсидных белков связана каким-то образом с митотическим веретеном клетки-хозяина, однако точно механизм сборки не известен.

Question 56

ВИРУС ГРИППА

Answer 56

ВИРУС ГРИППА является примером вируса с «минус»-одноцепочечной РНК. У него есть оболочка и спиральная сердцевина. Последняя состоит из восьми сегментов «минус»-РНК, которые в комплексе с белками образуют спиралевидные структуры. Каждый сегмент кодирует один из белков вируса. В наибольшем количестве вирус содержит белок матрикса, располагающийся на внутренней стороне оболочки и придающий ей стабильность. Все белки оболочки кодируются вирусной РНК, тогда как липиды явля- ются по своему происхождению клеточными (см. «ДНК-содержащие вирусы», раздел «Сборка»). Основные белки оболочки — гемагглютинин и нейра- минидаза.

Question 57

Инфекционный процесс вируса гриппа

Answer 57

Инфекционный процесс, протекающий по схеме 1 (см. рис. 5.2), начинается с прикрепления вируса к поверхности клетки-хозяина через гемагглютинин. Затем происходит слияние оболочки с клеточной мембраной, нуклеопротеиновая сердцевина (нуклеокап-сид) входит в клетку, и кодируемая вирусом РНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует «плюс»-цепи мРНК на вирусных «минус»-цепях, после чего на рибосомах клетки- хозяина продуцируются вирусные белки. Некоторые из этих белков играют важную роль в репликации вирусного генома.

Question 58

Репликация вируса гриппа

Answer 58

Репликация происходит в ядре, где с помощью той же, но, вероятно, модифицированной РНК- полиме-разы образуются «минус»-цепи РНК. После того как в ядро поступают нуклеокапсидные белки, происходит сборка нуклеокапсида. Затем нуклеокапсид проходит через цитоплазму, присоединяя по пути белки оболочки, и покидает клетку, отпочковываясь от ее плазматической мембраны. Считается, что в процессе отпочковывания принимает участие нейрамини-даза.

Question 59

ВИРУС ТАБАЧНОЙ МОЗАИКИ

Answer 59

ВИРУС ТАБАЧНОЙ МОЗАИКИ - пример «плюс»- одноцепочечного вируса растений. Этот не имеющий оболочки спиральный вирус содержит 2130 идентич- ных молекул белка капсида и одну цепь РНК. РНК располагается в спиральном желобке, образованном белковыми субъединицами, и удерживается много- численными слабыми связями.

Question 60

Инфекционный процесс табачной мозаики

Answer 60

Инфекционный процесс, протекающий по схеме 1 (см. рис. 5.2), состоит в проникновении вируса в растительную клетку с последующей быстрой утратой им капсида. Затем в результате трансляции непосредственно «плюс»-цепочечной вирусной РНК рибосома-ми клетки-хозяина образуются несколько белков, часть которых необходима для репликации вирусного генома.

Question 61

Репликация вируса табачной мозаики

Answer 61

Репликация осуществляется РНК-репликазой, продуцирующей копии РНК для новых вирионов. Синтез белка капсида происходит только после того, как инфицировавшая клетку РНК подвергается неко- торой модификации, делающей возможным присое- динение рибосом клетки к тому участку РНК, кото- рым кодируется этот белок. Сборка вириона начина- ется с образования дисков из белка капсида. Два таких белковых диска, располагаясь концентрически, обра- зуют похожую на бисквит структуру, которая после связывания с ней РНК приобретает форму спирали. Последующее присоединение молекул белка продол- жается до тех пор, пока РНК не будет покрыта полно- стью. В своей окончательной форме вирион представ- ляет собой цилиндр длиной 300 нм.

Question 62

Ретровирус

Answer 62

РЕТРОВИРУСЫ относятся к «плюс»-одноцепочеч- ным РНК-содержащим вирусам животных; почти все они являются онкогенными. У ретровирусов есть обо- лочка и икосаэдрическая сердцевина, содержащая две идентичные молекулы «плюс»-цепочечной РНК.

Question 63

Инфекционным процесс ретровируса

Answer 63

Инфекционным процесс начинается с проникно- вения вируса в клетку, происходящего в соответствии со схемой 1 (см. рис. 5.2), но в дальнейшем протекает по схеме 2. После высвобождения РНК в цитоплазме клетки-хозяина РНК-зависимая ДНК-полимераза, кодируемая вирусным геномом, синтезирует на «плюс»-цепях РНК «минус»-цепи ДНК. Затем рибо- нуклеиновая цепь в РНК/ДНК-гибриде разрушается, и на «минус»-цепи ДНК как на матрице образуется «плюс»-цепь ДНК. Получившаяся в результате двух- цепочечная ДНК перемещается в ядро клетки-хозяи- на и встраивается там в клеточную ДНК.

Question 64

Репликация ретровирусов

Answer 64

Репликация ретровирусов происходит в процессе обычной, осуществляемой клеткой транскрипции клеточной ДНК, в которую теперь встроен вирусный геном. Параллельно идет синтез вирусных белков, ко- торые вместе с копиями РНК, синтезированными транскрибирующими ферментами клетки-хозяина, формируют новые вирионы, отпочковывающиеся затем через плазматическую мембрану. Нередко в ре- зультате заражения ретровирусом изменяется харак- тер роста клеток, и по своему поведению они начина- ют походить больше на опухолевые, чем на нормаль- ные клетки: их рост становится быстрым и намного менее зависимым от поступающих извне стимулято- ров, таких как гормоны или факторы роста. В настоя- щее время уже известно, что определенные гены рет- ровирусов кодируют белки, способные поддерживать клетки в таком состоянии, когда они более или менее непрерывно делятся (гл. 29). Выделение и идентифи- кация этих белков будут способствовать пониманию механизма опухолевого роста.

Question 65

Белки

Answer 65

Белки — один из основных классов биологических макромолекул. Широкий диапазон выполняемых ими функций находит отражение в огромном разнообра- зии их химических структур и пространственных форм. Глобулярные белки, которые в грубом приближе- нии могут быть представлены в виде сфер, принимают участие в специфических процессах, таких как ката- лиз (гл. 12, 13, 14), транспорт (гл. 15) или регуляция (гл. 28). Фибриллярные белки (гл. 11), например колла-
ген, кератины и фиброин шелка, сильно вытянуты и из-за присущей им эластичности или жесткости часто играют структурную роль.

Question 66

Четыре уровня структурной организации белков

Answer 66

При описании того или иного белка обычно пользу- ются терминами первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Под первичной структурой понимают химическую формулу белка, изображаемую в виде линейной последовательности аминокислот-ных остатков. Терминами вторичная, третичная и чет- вертичная структура обозначают различные уровни организации этой линейной последовательности в пространстве.

Question 67

Аминокислотные остатки

Answer 67

Аминокислотные остатки, последовательно соединенные друг с другом, являются главными компонентами белков. Каждый остаток имеет константную (т. е. одинаковую для всех остатков) часть и, за исключением двух концевых остатков, связан с двумя другими таким образом, что формируется непрерывная, неразветвленная цепь, которая называется основной цепью белковой молекулы. К каждому ос-угле-родному атому (сс- углероду, или С”) основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков (боковые, или R-группы). В белках, как правило, встречается 20 разных R-rpynn.

Question 68

Свободная аминокислота

Answer 68

Свободная аминокислота отличается от аминокислотного остатка наличием дополнительного атома водорода на одном конце (а следовательно, присутствием аминогруппы —NH2) и дополнительной гидрок- сильной группы (—ОН) на другом конце (а сле- довательно, наличием —СООН, или карбоксильной группы).

Question 69

Пептидная связь

Answer 69

Пептидная связь образуется в результате реакции конденсации между аминогруппой одной свободной аминокислоты и карбоксильной группой другой (или между аминогруппой свободной аминокислоты и кар- боксильным концом полипептида). При этом выделя- ется вода. Таким образом, свободные аминокислоты представляют собой мономеры, из которых путем по- ликонденсации строится полимер — молекула белка.

Question 70

Полипептидная связь

Answer 70

Полипептидная связь синтезируется в результате повторяющихся актов образования пептидной связи. На одном конце цепи находится свободная —NH2- группа (это N-конец), а на другом — свободная —СООН-группа (это С-конец).

Question 71

Аминокислотная последовательность

Answer 71

Аминокислотной последовательностью
называется порядок расположения остатков вдоль полипептидной цепи. Обычно в белковых молекулах насчитывается 40 или более остатков, хотя встречаются полипептиды, состоящие из 1000 и более аминокислотных остатков. Значительная вариабельность последовательностей обеспечивает большое разнообразие структур и функций белков. Поскольку полипептиды построены в основном из 20 разных аминокислот, для белка, содержащего 100 остатков, возможно 20100 (т. е. примерно 10130) различных вариантов последовательности.

Question 72

Классификация боковых групп

Answer 72

Классификация боковых групп основана на различии их свойств в обычных физиологических условиях, т. е. при рН около 7. Полярные отрицательно заряженные — Asp” и Glir — имеют отрицательно заряженную СОО- группу. Будучи в СООН- (т. е. в протонирован-ной) форме, они могут вести себя как кислоты. Полярные положительно заряженные — Arg+, His+ и Lys+ — несут положительный заряд вследствие протонирования атома азота. В депротонированной форме они могут проявлять свойства оснований. У полярных незаряжен- ных — Asn, Gin, Ser и Thr — имеются поляризованные ковалентные связи и, следовательно, электроотрица- тельные и электроположительные участки. Неполяр- ные, или гидрофобные, — Ala, Cys, He, Leu, Met, Phe, Pro, Trp, Туг и Val — содержат объемные алифатиче- ские или ароматические углеводородные цепи. Гидро- фобные свойства Cys, Trp и Туг слегка ослабляются из-за наличия полярных групп (—SH, >NH и —ОН соответственно). Нейтральные остатки представлены одним Gly, боковая группа которого — атом водорода.

Question 73

Дисульфидным мостиком

Answer 73

Дисульфидным мостиком называется ковалентная связь, соединяющая либо две части одной и той же полипептидной цепи, либо два разных полипептида. Дисульфидный мостик образуется при окислении двух остатков цистеина (т. е. при отщеплении водорода от двух реакционноспособных сульфгидрильных групп —SH). Новый остаток носит название цистин.

Question 74

Пролин

Answer 74

Пролин — необычный остаток, поскольку один конец его боковой группы ковалентно связан с Са-ато-мом, а другой - с N-атомом основной цепи того же остатка, в результате чего образуется кольцо.

Question 75

Стереоизомерия

Answer 75

Стереоизомерия характерна для всех аминокислот, за исключением Gly. Асимметричным является Сватом, так как с ним связаны четыре разные химиче-ские группы. В этом случае для каждой аминокислоты существуют две возможные конфигурации, известные под названием D- и L- форм (их называют также энан-тиомерами или стереоизомерами). Раствор одного из стереоизомеров поворачивает плоскость поляризации света в одном направлении, а раствор другого — в противоположном. Этот эффект носит название оптической активности. В белках встречаются только L-изо-меры. Чтобы различить D- и L-конфигурации, нужно посмотреть в направлении от атома водорода к Сжатому и «прочесть» по часовой стрелке три оставшиеся при Са-атоме группы — тогда в случае L-формы группы СО, R и N составят слово CORN. Боковые группы Thr и Не имеют дополнительный оптический центр — Р- углеродный атом, связанный с ос-углеродом основной цепи.

Question 76

Свободная энергия

Answer 76

Свободная энергия — это величина, которую можно определить как ту часть внутренней энергии химиче- ской системы, за счет которой может совершаться ра- бота над окружающей средой. Чтобы выяснить, будет ли данный процесс идти самопроизвольно, находят из- менение свободной энергии (общепринятое ее обозна- чение ∆G) между конечным и начальным состояниями
рассматриваемой системы
Если
∆G - отрицательная величина, система будет совер- шать работу самопроизвольно (подобно грузу, подня- тому на некоторую высоту и готовому упасть); если же ∆G > 0, система не будет совершать работу без допол- нительного притока энергии извне. Когда ∆G = 0, си- стема находится в состоянии термодинамического равновесия. ∆G измеряется в джоулях (или килоджо- улях) на моль вещества (Дж/моль или кДж/моль).
∆G =∆Н – Т∆S— соотношение, указывающее на наличие двух составляющих ∆G при постоянной тем- пературе T (по шкале абсолютных температур Кельви- на). Одна из них — это изменение энтальпии (∆Н), ко- торое можно приравнять изменению потенциальной энергии рассматриваемой системы: этот параметр связан с энергетическим состоянием молекул в дан- ной химической системе. Другой параметр — измене- ние энтропии (∆S) - с точностью до множителя T яв- ляется мерой энергии, которую нельзя использовать для совершения полезной работы. Сама энтропия (S) возрастает с увеличением беспорядка в системе и яв- ляется мерой ее неупорядоченности. Таким образом, ∆S - величина положительная, если система стано- вится менее упорядоченной (гл. 44).
∆Go химической реакции называется стандартным изменением свободной энергии и представляет со- бой такое значение ∆G , когда концентрация каждо- го из исходных реагирующих веществ до начала ре- акции составляет 1 моль • л - 1 ; при этом все реагенты, включая продукты реакции, находятся в стандартных условиях. Для реакции, протекающей в стандартных условиях, ∆G° связано с константой равновесия K’ со- отношением ∆G° = — RTlnK’ где R — универсальная газовая постоянная, Т— абсолютная температура. Би- охимики часто пользуются несколько модифициро- ванной формой ∆G°, которая обозначается символом ∆G°’(гл. 44).

Question 77

Ковалентная связь

Answer 77

Ковалентная связь— это химическая связь между атомами в молекуле. Связывание осуществляется пу- тем обобществления электронов, принадлежавших одному или нескольким атомам. Ковалентные связи относятся к прочным связям: ∆G их образования со- ставляет примерно -300÷ - 400 кДж/моль. Чтобы столь большая энергия не растрачивалась впустую, любой биохимический процесс организован так, что разрыв какой-либо ковалентной связи неизменно энергетически сопряжен с образованием другой кова- лентной связи.

Question 78

АТФ

Answer 78

Аденозинтрифосфат (АТФ) служит источником энергии для очень многих биохимических реакций. Его строение описано в гл. 17. В связях —Р—О—Р— запасена значительная энергия.Отщепление конце- вой (в данном случае у-) фосфатной группы посредст- вом гидролиза с образованием аденозиндифосфата (ADP) и неорганического фосфата (Pj) характеризует- ся ∆G° = —30 кДж/моль:
АТР↔ ADP + Рi
АТР + X ↔ ADP + Pi + Y,
Примерно такое же количество энергии высвобож- дается и при отщеплении второго (т. е. (3-) фосфата. Вся эта энергия может пойти на обеспечение какой- нибудь биохимической реакции, в том числе такой, которая не протекает самопроизвольно в обычных ус- ловиях. Рассмотрим реакцию типа X ^± Y, для которой ∆G° составляет, скажем, +20 кДж/моль. Если превра- щение X в Y сопряжено с гидролизом АТР, то суммар- ная реакция будет иметь вид
и для нее ∆G°≈ (—30 + 20) кДж/моль = —10 кДж/моль, т. е. в стандартных условиях реакция будет идти само- произвольно.

Question 79

Нековалентный тип связи

Answer 79

Нековалентный тип связи относится к вза- имодействию между атомами, не связанными кова- лентно друг с другом. Эти взаимодействия будут рас- смотрены нами в дальнейшем на примере структуры белка, однако они встречаются и в других биологиче- ских молекулах. Поскольку нековалентные взаимо- действия происходят не в вакууме, а в растворе, при их оценке необходимо учитывать влияние раствори- теля.

Question 80

Стабильность свернутой молекулы белка

Answer 80

Стабильность свернутой молекулы белка в растворе относительно такого состояния белка, когда его цепь развернута, составляет обычно о к о л о —40 кДж/моль (например, для молекулы лизоцима). Это означает, что при переходе каждого моля лизоцима из развернутого состояния в свернутое высвобождается 40 кДж энергии.

Question 81

Электростатические эффекты

Answer 81

Электростатические эффекты составляют значительную часть энтальпийного вклада нековалентных взаимодействий в А (7. Разноименные заряды притяги- ваются друг к другу; для них, таким образом, энерге- тически выгодно сближение. Согласно закону Куло- на, энергия взаимодействия между двумя зарядами q{ и q2, удаленными друг от друга на расстояние г, прямо пропорциональна отношению
где е — диэлектрическая проницаемость соответству- ющей среды (е служит мерой способности данной сре- ды экранировать заряженные атомы). В вакууме е=1, внутри молекулы белка она равна примерно 4, а в во- де е = 80. Пользуясь законом Кулона, можно показать, что сближение положительного и отрицательного эле-ментарных зарядов из бесконечности до расстояния 0,3 нм сопровождается термодинамически выгодным изменением свободной энергии, равным примерно —500 кДж/моль в вакууме, —125 кДж/моль внутри бел- ковой молекулы и —6 кДж/моль в воде.

Question 82

Ионная связь

Answer 82

Ионная связь, (соленой мостик) образуется при сильном сближении (0,3 нм) двух атомов с разно- именными зарядами. В самой белковой молекуле группа —СОО- боковой цепи остатка глутаминовой кислоты и группа —NH+3 боковой цепи остатка лизина могут взаимодействовать между собой подобно низкомолекулярным ионам соли, образуя солевой мостик. Если, однако, такого мостика не образуется, боковые цепи могут взаимодействовать с растворите- лем; при этом свободная энергия системы также убывает. Поэтому образование солевого мостика, хо- тя и выгодно термодинамически, характеризуется ∆G, составляющим всего лишь около —4 кДж/моль, что гораздо меньше величины, следующей из закона Кулона.

Question 83

Водородные связи

Answer 83

Водородные связи. Когда атом водорода связывает- ся с электроотрицательным атомом типа кислорода или азота, происходит смещение электронов, приво- дящее к появлению дробного положительного заряда (обозначаемого δ+) на атоме водорода и дробного от- рицательного заряда (обозначаемого δ-) на его парт- нере. При этом образуется электрический диполь, ко- торый может взаимодействовать с другими диполями. Связь такого типа называется водородной. В молекулах белка группы >N—H и >С=О основной цепи часто участвуют в образовании водородных связей. ∆G обра- зования водородной связи в вакууме составляет при- мерно — 20 кДж/моль. Но те же группы >N—Н и >С=О белковой молекулы могли бы взаимодействовать с окружающими их молекулами воды, что также тер- модинамически выгодно, поэтому величина ∆G об- разования водородной связи в молекуле белка соста- вляет около —3 кДж/моль.

Question 84

Вандерваальсовы силы

Answer 84

Вандерваальсовы силы заставляют атомы притяги- ваться друг к другу Такие силы притяжения между атомами возникают, в частности, из-за наличия взаи- модействий между флуктуирующими электрическими диполями, образуемыми электронным облаком и по- ложительным ядром каждого атома. Однако два атома могут сближаться лишь до тех пор, пока их электрон- ные облака не начнут перекрываться; дальнейшее сближение приводит к возникновению сильного от-талкивания. Энергия такого взаимодействия описы- вается выражением где А и В — постоянные, зависящие от рода атомов. Таким образом, ввиду конкуренции двух взаимно противоположных эффектов — эффекта притяжения (— В/r6) и эффекта отталкивания (А/r 12) — естественно предположить, что существует какое-то оптимальное (равновесное) расстояние между двумя атомам. Это приводит к понятию эффективного радиуса атома, называемого обычно вандерваальсовым.
Структура воды вокруг молекулы заметно сказыва- ется на энтропии системы. Обычно молекулы воды движутся в растворе и вступают во взаимодействие друг с другом путем образования и разрыва водородных свя- зей. Когда же молекулам воды приходится принимать достаточно жесткую конфигурацию, подобную струк- туре льда, упорядоченность возрастает, что термодина- мически невыгодно из-за убывания энтропии.

Question 85

Гидрофобный эффект

Answer 85

Гидрофобный эффект — это тенденция неполяр- ных групп ассоциировать друг с другом, чтобы избе- жать контакта с водой. В результате такой ассоциации происходит нарушение структуры воды, вследствие чего энтропия системы возрастает. Выражение непо- лярный характер имеют алифатические и ароматиче- ские боковые цепи аминокислотных остатков белков (гл. 6) и основания нуклеиновых кислот (

Question 86

Тепловое движение

Answer 86

Тепловое движение — это хаотическое движение атомов и молекул, определяющее температуру систе- мы. Доля (/) молекул, у которых тепловая энергия больше некоторого произвольно взятого значения Е, дается уравнением Больцмана:
где R — универсальная газовая постоянная, Т — абсо- лютная температура. Таким образом, доля молекул с энергией, большей RT (= 2,5 кДж/моль при комнат- ной температуре), равна ехр(—1), или 0,37. Поэтому энергия связей должна превышать 2,5 кДж/моль, ина- че они будут легко рваться и вновь образовываться в результате теплового движения. Таким образом, свя- зи, обусловленные вандерваальсовыми силами, а ино- гда и водородные связи и солевые мостики, непре- рывно рвутся и снова восстанавливаются.

Question 87

Конформациями молекулы белка

Answer 87

Конформациями молекулы называются такие варианты расположения в пространстве составляющих молекулу атомов, которые могут быть получены один из другого вращением вокруг одинарных ковалентных связей. В противоположность этому конфигурации — это такие варианты взаимного расположения атомов молекулы, переходы между которыми требуют разрыва и образования ковалентных связей. Так, D- и L-изомеры аминокислотных остатков (гл. 6) представля-
ют собой различные конфигурации, а α-спираль и кол- лагеновая спираль (см. ниже) — различные конформа- ции полипептидной цепи.

Question 88

Пептидная связь

Answer 88

Пептидной связью называется связь между >С=О- группой одного остатка и >N—Н-группой следующе- го. Эта С—N-связь вопреки ожиданиям не является одинарной, а в силу резонанса оказывается частично двойной (С—N). При этом соответственно уменьша- ется порядок двойной связи С=О. Такое изменение порядка связей вызвано тем, что одна пара электронов связи С=О распределяется между атомами О, С и N. Вследствие этого перераспределения атомы О, С, N, Н (пептидная группа) и связанные с ними ковалентно два Са-атома оказываются лежащими в одной плос- кости, называемой амидной, а вращение вокруг связи O*N становится запрещенным. Предположение о пла- нарности пептидной группы было высказано Полин- гом и Кори. Они заметили, что длина пептидной связи (0,132 нм) имеет промежуточное значение между длиной одинарной С—N-связи (0,149 нм) и двойной С=Ы-связи (0,127 нм).

Question 89

Транс-конформации пептидной группы.

Answer 89

Транс-конформации пептидной группы. Са-атомы, примыкающие с двух сторон к одной пептидной группе, обычно находятся в транс-конформации по отно шению друг к другу. Альтернативная ^ис-конформация невыгодна из-за слишком сильного сближения объемных групп, присоединенных к Са-атомам.

Са-атом связан одинарными связями с - атомом
одной пептидной группы и с С-атомом следующей. Вокруг этих одинарных связей возможно относитель- но свободное вращение

Question 90

Углы ф и Ψ

Answer 90

. Для описания вращения вокруг связей N—Са и Са—С используются соответственно углы ф (фи) и Ψ(пси). Угол ф задает положение всех атомов, которые лежат в амидной плоскости, предшествующей Са-атому, а угол Ψ определяет положение всех атомов амидной плоскости, следующей за Са-атомом.
Некоторые пары значений ф и Ψ запрещены, по-
скольку при этом имеют место стерические ограниче- ния из-за сближения двух атомов на расстояние, меньшее чем сумма их контактных (т. е. вандервааль- совых) радиусов. Например, при ф = 0°, Ψ= 180° воз- никают стерические контакты между двумя атомами кислорода.

Конформационная карта Рамачандрана, или (ф, Ψ)-
карта, показывает, какие пары значений ф и Ψ разрешены. Эта карта названа именем индийского ученого, рассчитавшего допустимые значения углов ф и Ψ. Каждая точка на карте соответствует определенной паре значений ф и Ψ и показывает, является ли данное взаимное расположение атомов двух амидных плоскостей и боковой группы, присоеди- ненных к Са-атому, энергетически выгодным. При- веденная на рис. 8.1 (ф, Ψ)-карта характерна для большинства боковых цепей, за исключением глицина и пролина. В случае полностью разрешенных конформаций нежелательные контакты между ато- мами отсутствуют. Запрещенные углы (например, ф = 0°, Ψ = 180°) соответствуют конформациям, в ко- торых отдельные атомы находятся друг от друга на расстоянии, меньшем суммы их контактных радиусов. Необходимо отметить что, поскольку атомы не являются жесткими сферами, возможно сближение их на расстояние, несколько меньшее суммы контактных радиусов. Хотя подобное сближение нежелательно,
оно тем не менее может иметь место, а со- ответствующие конформаций называются частично разрешенными (например, ф = —180°, Ψ = 180°). Ес- ли каждую полностью разрешенную пару значений ф и Ψ представить на карте темно-коричневой точкой, то получающиеся в результате темно-коричневые участки будут отвечать полностью разрешенным областям значений углов ф и Ψ. Частично разре-
Транс-конформации пептидной группы. Са-атомы, примыкающие с двух сторон к одной пептидной груп- пе, обычно находятся в транс-конформации по отно шению друг к другу. Альтернативная ^ис-конформа- ция невыгодна из-за слишком сильного сближения объемных групп, присоединенных к Са-атомам.
шенные области значений углов ф и Ψ отмечены на карте светло-коричневым цветом. Следует подчерк- нуть, что (ф, Ψ)-карты указывают разрешенные пары значений ф и Ψ для данного конкретного остатка. Боковая цепь глицина, состоящая лишь из одного атома водорода, по размеру меньше, чем у любого ж другого остатка. Поэтому на (ф, Ψ)-карте для глицина больше разрешенных областей, чем на картах других остатков. Напротив, в случае пролина ограничения, налагаемые ковалентной связью между атомом углерода боковой цепи и атомом азота основной цепи, приводят к значительному уменьшению размеров разрешенных областей.

Question 91

Регулярные или спиральные структуры

Answer 91

Регулярные или спиральные структуры нескольких соседних вдоль цепи остатков значения ф и Ψ окажутся одинаковыми, то в пределах этого участка у каждого Са-атома основная цепь будет поворачиваться на один и тот же угол. В результате получится регулярная вторичная структура. Подобные структуры часто обнаруживаются в глобулярных и фибриллярных белках. Особенно важное значение имеют па- раллельная и антипараллельная (β-структуры (гл. 9), α- спираль (гл. 9) и коллагеновая спираль (гл. 11). Значения углов ф и Ψ, соответствующие эти типам вторичной структуры, приведены на рис. 8.1.

Question 92

Вторичная структура белка

Answer 92

Под вторичной структурой участка полипептидной цепи понимают конформацию основной цепи этого фрагмента без учета конформации боковых групп. Согласно более раннему определению, употребляемо- му иногда и сейчас, вторичная структура — это те сег- менты полипептидной цепи, которые участвуют в формировании регулярной сетки водородных связей. При некоторых конформациях образуются регуляр- ные повторяющиеся структуры, стабилизированные водородными связями между >N—Н- и >С=О-груп- пами основной цепи (например, α-спираль, β-слой, коллагеновая спираль).

Question 93

Регулярная или спиральная, вторичная структура

Answer 93

Регулярная или спиральная, вторичная структура образуется тогда, когда у всех остатков значения углов ф и Ψ одинаковы. При этом основная цепь у каждого Са-атома поворачивается на один и тот же угол. Любую спираль можно рассматривать как результат наматывания цепи на боковую поверхность воображаемого цилиндра. Спираль характеризуется числом повторяющихся единиц (остатков), приходящихся на один виток (обозначается п), и расстоянием между соседними остатками вдоль оси спирали (d). Высота одного витка (р) равна произведению п на d. Спирали могут быть правыми и левыми. Утверждение, что какая-то спираль является правой, означает, что если вытянутый вперед большой палец правой руки направить вдоль оси спирали, то расположенные перпендикулярно ему зажатые в кулак остальные пальцы будут указывать направление хода цепи.
Цопни и Корм в 1951 г. предположили, что в белках должны встречаться два типа регулярной структуры — α-спираль (п = 3,6) и β-структура (п = 2). Эта догадка основывалась, во-первых, на известных данных о размерах пептидной группы и ее плоском строении, а во-вторых, на том, что оптимальные условия для об-
….О
разования водородной связи N—Н….О реализуются в
том случае, когда все три атома, N, Н и О, лежат на од- ной прямой. Именно способностью полипептидной цепи принимать форму α-спирали и β-структуры уда- лось объяснить результаты экспериментов по изуче- нию дифракции рентгеновских лучей на волокнах фиб- риллярного белка кератина (гл. 11), находящегося со- ответственно в α - и β-формах (отсюда и название — α - и β-структуры). α -Спираль и β-структура являются энергетически наиболее выгодными конформациями, поскольку обе они стабилизированы водородными связями (гл. 7) между >N—H- и >С=О-группами основной цепи. Кроме того, и α-спираль, и β -структура дополнительно стабилизируются благодаря плотной упаковке атомов основной цепи, которые подогнаны друг к другу, как кусочки одной картинки-головолом- ки.

В правой α –спирали ф = -57°, Ψ= -47°. Число остатков на виток (п) равно 3,6, расстояние между соседними остатками вдоль оси спирали (d) — 0,15 нм, а высота одно витка (р) составляет 0,54 нм (= 3,6× 0,15 нм). Каждая >С=О-группа образует водородную связь с четвертой по ходу цепи >N—Н-группой. Регулярность структуры означает, что все >N—H- и >С=О-группы, за исключением находящихся на концах спирали, мо- гут образовывать водородные связи. α-Спираль по форме напоминает прутик, в котором стебель — это основная цепь, а торчащие в разные стороны ветки - боковые цепи (R-группы).

Question 94

β-Слой

Answer 94

β-Слой формируется из двух или более β -структур- ных участков полипептидной цепи, называемых β- участками. В каждом β-участке полипептидная цепь почти полностью вытянута; при этом >N—H- и >С=О-группы ориентированы примерно перпенди- кулярно направлению β-участка и могут образовывать водородные связи с соседними участками. В результа- те из нескольких β-участков образуется структура, ко- торая в грубом приближении оказывается плоской, напоминающей лист. Однако из-за того что плоско- сти пептидных групп в каждом β -участке наклонены поочередно в разные стороны относительно направ- ления β -участка, плоский β-слой приобретает склад- чатую форму. Если двигаться вдоль одного из β-участ- ков, составляющих β-слой, то боковые группы будут выступать по очереди то с одной, то с другой стороны β-слоя.

Question 95

Параллельная и антипараллельная β-структуры

Answer 95

Существуют два разных варианта образования водо- родных связей между тяжами в составе р-слоя. Каждо- му варианту соответствует свои значения углов ф и Ψ. В параллельном β-слое (ф = - 119°, Ψ = 113°) соседние β- участки направлены в одну сторону (рис. 9.2), а в антипараллельном (ф = -139°, Ψ = 135°) — в противо- положные

Question 96

Коллагеновая спираль

Answer 96

Коллагеновая спираль представляет собой третий тип регулярной вторичной структуры со значениями углов ф = —60°, Ψ= 140°. В такой конформации нахо- дится основная часть полипептидной цепи фибрил- лярного белка коллагена

Question 97

Большинство глобулярных белков

Answer 97

Большинство глобулярных белков имеет α-спи- ральные и/или β-структурные участки. α-Спирали обычно состоят из 6—24 остатков, соответственно длина их варьирует от 0,9 до 2,4 нм. Значения углов ф и Ψ в спирали всегда немного отличаются от стандарт- ных. Иногда несколько остатков принимают конфор-мацию спирали 310, отличную от конформации ос-спи- рали. На один виток спирали 310 приходится 3 остатка, а водородные связи в ней образуются между п и п — 3 по ходу цепи остатками. Участки β-слоя, как правило, со- стоят из 3—10 остатков и имеют длину от 1,0 до 3,3 нм. Типичный (3-слой содержит от 2 до 10 р-участков. В одних β-слоях все участки уложены параллельно друг другу, в других все соседние β-тяжи антипараллельны. Кроме того, иногда в одном и том же слое присутству- ют оба типа укладки. Так же как и в случае α-спирали, реальная конформация β-слоя может несколько отли- чаться от стандартной.

Question 98

β-Изгиб

Answer 98

β-Изгиб– это еще один тип вторичной структуры, встречающийся во многих глобулярных белках в тех местах, где направление полипептидной цепи меняется на противоположное. Данная структура часто рассматривается как связующее звено между двумя уложенными антипараллельно β-участками в составе β-слоя. На рис. 9.3 приведен пример β-изгиба из че- тырех остатков с одной водородной связью между >С=О-группой остатка 1 и >N—Н-группой остатка 4. В белках обнаруживаются и другие типы β-изгибов. В отличие от α-спирали, коллагеновой спирали и β - слоя в β-изгибе значения углов ф и Ψ у разных остатков неодинаковы. β-Изгибы обычно находятся у по- верхности белковой глобулы.

Question 99

Предсказать, какие участки молекулы глобулярного белка будут иметь регулярную вторичную структуру,

Answer 99

Предсказать, какие участки молекулы глобулярного белка будут иметь регулярную вторичную структуру, основываясь на данных об их аминокислотной после- довательности, можно с точностью около 70%. Одни остатки (например, Glu, Met, Ala и Leu) часто встреча-ются в α -спиралях, в то время как другие (Gly и Pro) — значительно реже. Что касается пролина (Pro), то этот остаток может находиться в α-спирали лишь в одном из первых трех положений, поскольку в остальных пози- циях наличие ковалентной связи между боковой цепью пролинового остатка и атомом азота основной цепи не позволяет >N—Н-группе образовать водородную связь. Некоторые остатки предпочитают находиться в β-участ- ках (например, Val, He, Туг и Phe), тогда как остатки Asp и Glu принимают эту конформацию довольно редко. Та- кие данные о встречаемости различных остатков в раз- ных типах вторичной структуры используются при предсказании локализации в белке α - и β-участков.

Question 100

Третичная структура белка

Answer 100

Под третичной структурой белка понимают расположение в пространстве всех атомов одиночной полипептидной цепи. Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей. Каждая цепь — это одна субъединица, или мономер. Димеры содержат две полипептидные цепи, тримеры — три, а тетрамеры — четыре. Молекулы гемоглобина представляет собой типичный тетрамер, в котором имеются две идентич- ные сс-цепи и две идентичные β-цепи.

Question 101

Четвертичная структура белка

Answer 101

Термин четвертичная структура белка означает взаимное расположение в пространстве мономеров, формирующих молекулу белка, который состоит из нескольких субъединиц.

Question 102

Рентгеноструктурный анализ

Answer 102

С помощью рентгеноструктурного анализа белковых
кристаллов расшифрована трехмерная структура более ста различных белков. Положение большинства атомов, за исключением атомов водорода, может быть определе- но с точностью 0,1 нм. До сих пор кристаллографиче- скими методами изучались в основном водораствори- мые глобулярные белки, поэтому все, что будет сказано далее, касается именно этого класса белков.

Question 103

На поверхности белковой глобулы

Answer 103

На поверхности белковой глобулы сосредоточены в
основном полярные группы и заряженные атомы, предпочитающие взаимодействовать с водным окру- жением. Сюда относятся полярные группы >N—H и >С=О основной цепи, заряженные атомы боковых цепей остатков Gli-, Aspα, Lys+ и Arg+ и полярные бо- ковые цепи таких остатков, как Ser, Thr, Asn, Gin и др. Между противоположно заряженными группами (на- пример, между Gli- и Lys+) на поверхности белковой глобулы иногда образуются ионные связи, которые называются солевыми мостиками (гл. 7). Кроме того, на поверхности имеется некоторое количество непо- лярных атомов.

Question 104

Внутренняя часть белковой глобулы

Answer 104

Внутренняя часть белковой глобулы представляет
собой неполярную среду, защищенную от контактов с окружающим растворителем благодаря плотной упа- ковке атомов. Гидрофобное ядро образовано непо- лярными группами, входящими главным образом в состав алифатических и ароматических боковых це- пей Ala, Val, He, Leu, Met, Phe и Тгр. Полярной или за- ряженной группе энергетически невыгодно находить- ся в таком гидрофобном окружении, если она при этом не взаимодействует с другой полярной группой или с атомом, имеющим противоположный заряд. Поэтому оказавшиеся внутри глобулы >N — Н- и >С=О-группы основной цепи образуют между собой водородные связи, формируя в результате а-спирали и β-слои. Точно так же находящиеся внутри глобулы противоположно заряженные группы (например, Gli- и Lys+) образуют ионные связи, известные под назва- нием солевых мостиков.

Question 105

Дисульфидный мостик

Answer 105

Дисульфидный мостик— это ковалентная связь между двумя цистеиновыми остатками. Такие мостики встречаются в некоторых секреторных белках (гл. 6). Мостик может быть расположен как внутри глобулы, так и на ее поверхности. Во многих белках нет дисуль- фидных мостиков, хотя имеются цистеины в восста- новленной форме.

Question 106

Ренатурация

Answer 106

Экспериментыпоренатурациипоказывают, что
биологически активный белок после денатурации мо- жет самопроизвольно свернуться в исходную кон- формацию с восстановлением своей активности. Сле- довательно, при физиологических условиях состоя- ние белка, имеющего нативную трехмерную структу- ру, термодинамически стабильно, т. е. соответствует минимуму свободной энергии. Более того, эти экспе- рименты говорят о том, что информация, необходи- мая для сворачивания белка в нативную конформацию, заложена в его аминокислотной последовательности.

Поэтому в принципе можно теоретически предсказать трехмерную структуру любого белка, исходя из его аминокислотной последовательности. Это было бы полезно в тех случаях, когда нельзя определить кон- формацию молекулы кристаллографическим мето- дом. Хотя точность предсказания вторичной структу- ры белка (гл. 9) теперь довольно высока, предсказание третичной структуры остается нерешенной пробле- мой молекулярной биологии.

Question 107

Сворачивание молекулы белка

Answer 107

Сворачивание молекулы белка из развернутого со-
стояния должно осуществляться либо одним, либо очень немногими путями. Пусть белковая молекула состоит из 50 остатков, каждый из которых может принимать 10 разных конформаций. Тогда общее чис- ло возможных конформаций составит 1050, и если ха- рактерное время молекулярных перестроек составляет 10-13 с, то для того чтобы перепробовать все конфор- маций хотя бы по одному разу, потребуется примерно 1037 с (~1030 лет). Следовательно, должен существовать направленный путь сворачивания белка, ограничиваю- щий этот перебор. Одно из предположений заключает- ся в том, что отдельные участки белковой молекулы, например а-спирали, формируются в первую очередь и служат как бы центрами конденсации для остальных частей молекулы.

Question 108

Стабильность свернутой молекулы

Answer 108

Стабильность свернутой молекулы белка в водном
окружении крайне низка: для лизоцима из белка ку- риного яйца она составляет 40 кДж/моль. Основной движущей силой процесса сворачивания является эн- тропийный, гидрофобный эффект (гл. 7), вследствие которого неполярные группы стремятся выйти из вод- ного окружения и оказаться внутри глобулы. К даль- нейшей стабилизации структуры, по-видимому, при- водит образование внутренних водородных связей, а также дисульфидных и солевых мостиков. Существует и энтропийный эффект, препятствующий сворачива- нию. Этот эффект обусловлен тем, что для свернутой молекулы белка число разрешенных конформаций ос- новной и боковых цепей меньше, чем у развернутой, а уменьшение числа конформаций энтропийно невы- годно (т.е. приводит к уменьшению энтропии).

Question 109

Участки полипептидной цепи

Answer 109

Одни участки полипептидной цепи, находящиеся
внутри свернутой белковой глобулы, являются а-спи- ралями или же (β-структурами, другие принимают не- регулярные, но вполне определенные конформаций (coil-участки). Полипептидная цепь, образующая бел- ковую глобулу, свернута довольно сложным образом. Это иллюстрирует рис. 10.2, где при помощи отрезков, соединяющих последовательные Са-атомы, изображе- на молекула лизоцима. (Сравните такое представление структуры белка с более упрощенным, приведенным на рис. 10.1).
Домены в крупных белках при сворачивании по- липептидной цепи часто образуются две или более пространственно разделенные области, называемые доменами. По своей структуре каждый домен напоми- нает отдельный небольшой белок. Обычно в одном

домене содержится от 40 до 300 остатков. В молекуле иммуноглобулина (гл. 40) как тяжелая , так и легкая це- пи образуют несколько доменов, один из которых, кон- стантный домен легкой цепи, изображен на рис. 10.1.
Все домены можно подразделить на четыре класса: α/α, β/β, α/β и а + β, в зависимости от взаимного рас- положения в цепи а-спиральных и β-структурных участков. Примеры доменов каждого класса приведе- ны на рис. 10.1; полипептидная цепь изображена в виде ленты, при этом а-спиральные участки предста- влены спиралями, β-структурные — стрелками, а не- регулярные — светлыми петлями. Боковые цепи не показаны, хотя во всех белках пространство между атомами основной цепи заполнено атомами боковых цепей. α/α-Домены состоят в основном из α-спира

лей, β-участки в них практически отсутствуют. а- Спирали упакованы таким образом, что неполярные боковые цепи оказываются спрятанными внутрь. В β/β-доменах имеется несколько β-цепей и нет (или почти нет) а-спиралей. Этот класс доменов представ- лен на рисунке константным доменом молекулы им- муноглобулина, состоящим из двух упакованных вме- сте β -слоев. На диафамме видно, что β-слои не плоские, а слегка скручены. В а/β-доменах а- и β- участки чередуются вдоль цепи. Часто β-участки образуют параллельный β-слой, окруженный а- спиралями. В а + β-доменах а- и β-участки обычно располагаются в разных сегментах полипептидной цепи.

Question 110

Упаковка субъединиц

Answer 110

Упаковка субъединиц в мультимерном (состоящем из нескольких субъединиц) белке осуществляется благодаря взаимодействиям того же типа, что и при образовании третичной структуры белка. Обычно субъединицы бывают упакованы довольно симметрично (хотя не всегда имеет место полная симметрия), как, например, в молекуле гемоглобина, где четыре субъединицы располагаются в вершинах тетраэдра

Question 111

Внутренняя подвижность белков

Answer 111

Внутренняя подвижность белков. Из экспериментов известно, что белки не являются жесткими струк- турами: отдельные их части перемещаются друг отно- сительно друга, что позволяет говорить о внутренней подвижности белков. Во многих глобулярных белках, включая четыре белка, представленных на рис. 10.1, атомы основной цепи способны смещаться на 0,01 нм относительно среднего положения, а боковые цепи, находящиеся на поверхности белковой глобулы, име- ют еще большую подвижность.

Question 112

Фибрилляцирные белки

Answer 112

ФИБРИЛЛЯРНЫМИ называются белки, имеющие Конформацию полипептидной цепи большинства
сильно вытянутую форму. Благодаря присущей этим фибриллярных белков можно отнести к одному из белкам жесткости или эластичности они часто выпол- трех типов регулярной вторичной структуры: к колла-разновидностях шелка, и к α-спиральной структуре, характерной для а-кератинов и тропомиозина.
няют в живых организмах структурные функции. геновой спирали, (β-слою, обнаруженному во многих

Question 113

Коллаген

Answer 113

КОЛЛАГЕН наиболее распространенный белок мле-
копитающих, образует основу сухожилий, костей, ко- жи, зубов и хрящей. Структурной единицей коллагено- вого волокна является тропоколлагеновая молекула, состоящая из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остат- ков. В зависимости от функции коллагена его поли- пептидные цепи либо идентичны, либо имеют доволь- но близкие последовательности.

Question 114

Аминокислотный состав коллагена

Answer 114

Аминокислотный состав коллагена необычен. Во- первых, примерно одну треть всех остатков составля- ют остатки глицина, и, во-вторых, имеется большое число остатков пролина. Кроме того, в коллагене встречаются остатки двух аминокислот, обычно не об- наруживаемых в белках, — гидроксипролина и гидрок- силизина. Боковые цепи этих аминокислот содержат гидроксильную (—ОН) группу, присоединенную к од- ному из углеродных атомов вместо атома водорода. Гидроксилирование осуществляется специфическими ферментами после включения пролина или лизина в полипептидную цепь коллагена.

Question 115

Аминокислотная последовательность коллагена

Answer 115

Аминокислотная последовательность большей час-
ти цепи коллагена представлена регулярно повторяю- щимися единицами Gly—X—Y, где X и Y могут быть произвольными аминокислотными остатками. Про- лин (Pro) чаще встречается в положении X, тогда как гидроксипролин (Hyp) — преимущественно в положе- нии Y. Типичный фрагмент последовательности кол- лагена выглядит следующим образом:
—GLy— Pro—Hyp—Gly—Pro—Met—Gly—Pro-
—Hyp—Gly—Leu—Ala-
Такая регулярная последовательность принимает
конформацию, называемую коллагеновой спиралью. В участках из первых 16 остатков у N-конца и из пос- ледних 25 остатков у С-конца полипептидной цепи коллагена подобной регулярности в чередовании ами- нокислотных остатков не обнаруживается. Эти сег- менты, называемые телопептидами, имеют конфор- мацию, отличную от коллагеновой спирали.

Question 116

Одиночная пептидная цепь коллагена

Answer 116

Одиночная пептидная цепь коллагена принимает форму спирали, в которой расстояние между аминокислотными остатками вдоль оси составляет 0,29 нм, а на один виток спирали приходится немного менее трех остатков. Спираль оказывается левой в том смысле, что если пальцы левой руки расположить так, чтобы они прослеживали путь Gl—X2—Y3—G4, то большой палец будет указывать направление от N- к С-концу. Между атомами основной цепи одиночно- го полипептида водородных связей не образуется. Тем не менее такая конформация (значительно более вы- тянутая, чем α-спираль, у которой расстояние между остатками составляет 0,15 нм) оказывается предпоч тительной для полипептидной цепи, содержащей мас- сивные пирролидиновые кольца остатков пролина и гидроксипролина.

Question 117

Термин тройная коллагеновая спираль

Answer 117

Термин тройная коллагеновая спираль применяется для описания структуры регулярной части молекулы тропоколлагена. В тройной коллагеновой спирали три одиночные коллагеновые цепи уложены параллельно и закручены одна вокруг другой, образуя похожую на канат витую структуру. Такое закручивание оказывается возможным благодаря наличию у левых одиночных коллагеновых спиралей правой сверхспи- рализации, которую можно наблюдать по результиру- ющему смещению А-цепи при переходе от G1 к G4 (G1 и G4 — это глициновые остатки, стоящие соответ- ственно в первом и четвертом положениях). Одиноч- ная цепь коллагена содержит примерно 1000 остатков, а длина молекулы тропоколлагена составляет при этом около 300 нм.

Question 118

Глицин

Answer 118

Глицин- единственный остаток, который может располагаться вблизи оси тройной спирали, посколь- ку имеющегося там свободного пространства недос- таточно для размещения любой другой, большей по объему боковой цепи. На один виток одиночной цепи приходится примерно три остатка, поэтому в каждом третьем положении аминокислотной последователь- ности должен стоять глицин. Боковые цепи остатков X и Y направлены в сторону от оси тройной спирали и могут быть большими по объему. В тройной спирали существуют водородные связи между >N—Н-группой каждого внутреннего глицинового остатка и >С=О- группой другой цепи.

Question 119

Сборка коллагена

Answer 119

Сборка коллагена начинается с синтеза в фибро- бластах молекул проколлагена. Проколлаген — это предшественник коллагена, имеющий дополнитель- ные пептиды на В- и С-концах. В фибробластах моле- кулы проколлагена самопроизвольно сворачиваются в тройные спирали, в каждой из которых С-концы трех цепей связываются друг с другом дисульфидными мостиками. В таком виде тройные спирали секретиру- ются из клетки и затем после удаления дополнитель- ных пептидов проколлагена с помощью фермента, проколлагеновой пептидазы, превращаются в молеку- лы тропоколлагена.

Question 120

Микрофибрилла

Answer 120

Микрофибрилла представляет собой совокупность уложенных параллельно молекул тропоколлагена, каж- дая из которых сдвинута в продольном направлении относительно соседней на 67 нм (этот сдвиг называет- ся D-уступом). Кроме того, между С-концом одной молекулы и N-концом следующей существует проме- жуток длиной 40 нм. Микрофибриллы, ассоциируя друг с другом, образуют фибриллу, а несколько фиб- рилл — коллагеновое волокно.

Question 121

Коллагеновые волокна

Answer 121

Коллагеновые волокна стабилизируются с помощью ковалентных сшивок между полипептидными цепями и в результате оказываются слаборастяжимыми и весьма прочными, так как сколько-нибудь заметное удлинение волокон требует разрыва этих сшивок.

Соединительные ткани в таких образованиях, как ко- сти, сухожилия и хрящи, обычно имеют сложную структуру и состоят из коллагена и других молекул, главным образом неорганических. В сухожилиях, как было показано, в промежутке между соседними кол- лагеновыми молекулами откладывается кальций. Аналогичная ситуация имеет место и в костях.

Question 122

Структура шелка

Answer 122

Шелк чаще всего имеет структуру антипараллельного β-слоя, в котором β-цепи уложены вдоль оси волокна. Во многих разновидностях шелка расстояние между β-слоями поочередно составляет то 0,35, то 0,57 нм. Аминокислотная последовательность представляет собой в основном многократное повторение фрагмента Gly—Ala—Gly—Ala—Gly—Ser. Боковые цепи всех Ala и Ser при этом располагаются с одной стороны β-слоя, а с другой стороны выступают атомы водорода глициновых остатков. β-Слои упакованы таким образом, что друг с другом контактируют одно- именные их поверхности. Расстояние между слоями, контактирующими по «глициновым» поверхностям,

составляет 0,35 нм, а по поверхностям, в которых вы- ступают остатки Ala и Ser, — 0,57 нм. Волокна шелка малорастяжимы, поскольку любое достаточно боль- шое удлинение приводит к разрыву ковалентных свя- зей в полипептидной цепи. Некоторая растяжимость тем не менее наблюдается и может быть обусловлена нарушением регулярности аминокислотной после- довательности и появлением в цепи остатков с мас- сивными боковыми группами, таких, как Туг, Arg, Asp и Glu. А этих местах β-структура нарушается, по- липептидная цепь принимает нерегулярную конфор- мацию и может быть растянута без разрыва кова- лентных связей.

Question 123

Кератин

Answer 123

КЕРАТИН— важный белковый компонент волос, шерсти, ногтей, когтей и перьев. В одной из форм, называемой α-кератином, в основе структуры поли- пептидной цепи лежит правая α-спираль. Предполо- жение о том, что кератин имеет α-спиральную кон- формацию, было высказано Полингом и Кори для объяснения полученных Астбюри в 30-х годах дан- ных по дифракции рентгеновских лучей на волокнах кератина. Однако шаг кератиновой спирали составил 0,51 нм, что меньше шага стандартной ос-спирали, рав- ного 0,54 нм. Это связано с тем, что в кератине две, а возможно и три цепи закручиваются одна вокруг другой, образуя некую витую (coiled-coil) структуру, называе- мую протофибриллой. 11 протофибрилл формируют микрофибриллу, а пучок микрофибрилл — кератиновое волокно. α-Кератины легкорастяжимы, поскольку при вытягивании разрываются водородные связи и поли- пептидные цепи приобретают β-структурную конфор- мацию. При этом образуются межцепочечные водород- ные связи и формируются β-слои. Кератины с такой структурой называются β-кератинами.

Question 124

Тропомиозин

Answer 124

ТРОПОМИОЗИН— это фибриллярный белок, обна- руживаемый в мышцах (гл. 36) и состоящий из двух закрученных одна вокруг другой α-спиралей, подобно тому как это имеет место в α-кератине.

Question 125

Фермент

Answer 125

Фермент — это белок, который увеличивает скорость биохимической реакции (т. е. работает как катализа- тор). Скорость реакции при этом может возрастать до 1010 раз по сравнению со скоростью той же реакции в отсутствие фермента.

Question 126

Субстрат

Answer 126

Субстрат - это молекула (обозначаемая S), которая после взаимодействия с ферментом (Е) превращается в продукт (Р).

Question 127

Активный центр фермента

Answer 127

Активный центр фермента молекулы белка, где может связываться субстрат (или субстраты) с образованием фермент-субстратного (E—S) комплекса. Активный центр почти всегда построен всего лишь из нескольких аминокислотных остатков. Хотя эти остатки пространственно сближены, в линейной белковой молекуле они часто далеко отстоят друг от друга. Как правило, формирование

Е—S-комплекса происходит без образования кова- лентных связей, а осуществляется за счет более сла- бых, но и более специфических типов взаимодейст- вий, таких как водородные связи, солевые мостики, гидрофобные силы и плотная упаковка атомов. Одна- ко известны исключения, когда между ферментом и субстратом формируется ковалентная связь, напри- мер при образовании промежуточного продукта в хо- де функционирования ферментов, принадлежащих семейству сериновых протеиназ.

Question 128

Специфичность фермента

Answer 128

Под специфичностью фермента понимают его способность отличать свой истинный субстрат от других родственных молекул. Такая избирательность обусловлена высокой специфичностью фермент- субстратных взаимодействий. Ранняя модель это вза- имодействия, называемая моделью «замка и ключа», была дополнена идеей «индуцированного соответст- вия» (см. ниже). Специфичность узнавания у разных ферментов значительно варьирует — некоторые фер- менты могут катализировать реакцию с участием только одного субстрата, тогда как другие — с не- сколькими химически родственными веществами. Например, формамидаза гидролизует только форма- мид, тогда как амидаза гидролизует любой алифати- ческий амид.
Аналогичный «замок-ключ» для объяснения специфичности ферментов была предложена в 90-х годах XIX в. Фишером: к ферменту (замку) подходит лишь свой субстрат (ключ).

Question 129

Гипотеза «индуцированного соответствия»

Answer 129

Гипотеза «индуцированного соответствия» для объяснения специфичности ферментов была выска- зана Кошландом в 1959 г. Согласно этой ныне об- щепринятой гипотезе, связывание ферментов пра- вильного субстрата индуцирует в белке небольшие конформационные изменения. В результате этих из- менений каталитические группы фермента ориенти- руются таким образом, что становится возможным превращение субстрата в продукт. Дальнейшее раз- витие модели индуцированного соответствия связа- но с учетом того, что конформация субстрата при связывании с ферментом также может слегка изме- няться. В этом случае говорят о напряжении в моле- куле субстрата. Гипотеза о существовании конфор- мационных изменений в ферменте и субстрате при их связывании друг с другом объяснила тот факт, что молекулы, очень похожие по форме на истинный субстрат, могут связываться с ферментом, но не превращаются в продукт, т. е. действуют как инги- биторы. Таким образом, правильный субстрат — это больше, чем просто «ключ» к соответствующему «замку».

Question 130

Положение равновесия реакции

Answer 130

Положение равновесия реакции не зависит от при- сутствия или отсутствия фермента в реакционной смеси. Рассмотрим изменение свободной энергии для обратимой реакции S↔Р (соответствующий график приведен на предыдущей странице). Свободная энер- гия реакции ∆G0 равна разности свободных энергий S и Р и определяет положение равновесия реакции. В присутствии любого катализатора, в том числе и фер- мента, свободная энергия исходных реагентов (S) и продуктов реакции (Р) не изменяется и, следователь- но, не изменяется ∆G0.
Переходное состояние, или активированный комплекс (обозначается X), - это высокоэнергетическая промежуточная структура, которая образуется во вре- мя реакции. Разность свободных энергий исходных реагентов (т. е. субстратов) и переходного состояния называется свободной энергией активации и обозна- чается ∆G‡ Скорость реакции зависит от величины ∆G‡: чем она меньше, тем больше скорость реакции, и наоборот.

Question 131

Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами.

Answer 131

Фермент увеличивает скорость реакции следующими способами.
1. Понижая свободную энергию переходного состоя ния путем стабилизации активированного комплекса.
2. Увеличивая энергию субстрата, когда тот связыва ется с ферментом при образовании фермент-субстрат ного (Е—S) комплекса. В итоге уменьшается разность свободных энергий Е—S-комплекса и переходного состояния.
3. Поддерживая микроокружение активного центра в состоянии, отличном от такового в водной среде. Час то у боковых цепей аминокислотных остатков, нахо дящихся в области активного центра, способность приобретать электрический заряд изменяется по срав нению с тем случаем, когда эти цепи целиком погру жены в водную среду. В результате боковые цепи мо гут обладать «повышенной реактивностью».
4. Располагая реагирующие атомы в правильной ори ентации и на необходимом расстоянии друг от друга, так чтобы обеспечить оптимальное протекание реак ции. Столкновения атомов в отсутствие фермента очень редко приводят к химической реакции, по скольку в этом случае очень редко атомы оказываются в правильной ориентации.

Question 132

Ингибитор

Answer 132

Ингибиторами называются молекулы, которые, связываясь с ферментом, блокируют какую-то стадию ферментативной реакции. Ингибиторы бывают обра- тимыми и необратимыми. Обратимое ингибирование подразделяется на конкурентное, неконкурентное и бесконкурентное.

Question 133

Конкурентный ингибитор

Answer 133

Конкурентный ингибитор — это молекула, настолько похожая по своей структуре на молекулу субстрата, что фермент не может различить их. В результате связывания конкурентного ингибитора с активным центром фермента падает концентрация Е—S- комплексов и, следовательно, уменьшается скорость реакции. Ингибитор обычно в продукт не превращается.

Question 134

Неконкурентный ингибитор

Answer 134

Неконкурентный ингибитор – это молекула, свя- зывающаяся не с активным центром, а с каким-то другим участком фермента. Поскольку связывание с неконкурентным ингибитором не мешает ферменту образовывать Е—S-комплекс, этот ингибитор не по-нижает концентрацию таких комплексов, а влияет на эффективность превращения S в Р.

Question 135

Бесконкурентный ингибитор

Answer 135

Бесконкурентный ингибитор— это молекула, которая связывается только с фермент-субстратным комп- лексом и не может связаться со свободным фермен-
том. В односубстратных ферментных системах этот тип ингибирования встречается довольно редко.

Question 136

Необратимый ингибитор

Answer 136

Необратимый ингибитор непрерывно модифицирует молекулы фермента, в результате чего они частично или полностью теряют свою активность.

Question 137

Кинетические свойства

Answer 137

Кинетические свойства многих, но не
всех ферментов можно объяснить в рамках модели Михаэлиса-Ментен. Согласно этой модели, субстрат S связывается с ферментом Е с константой скорости к1. Образующийся фермент-субстратный комплекс Е—S может либо диссоциировать на Е и S с констан- той скорости к2 либо с константой скорости к3 пре- вратиться в продукт Р и свободный фермент:
В модели предполагается, что продукт не может об- ратно превращаться в субстрат, что справедливо для ранних стадий реакции, когда концентрация продукта низка. Скорость реакции v связана с концентрацией субстрата [S] следующим соотношением:

где Vmax - максимальная скорость реакции, достигаю- щаяся в том случае, когда все молекулы фермента свя- заны с субстратом, а
KM , константа Михаэлиса, численно равна концентра- ции субстрата, при которой скорость реакции состав-

ляет половину максимальной величины. KM — это ме- ра сродства данного субстрата к ферменту (в том слу- чае, когда к3 « к2), которое в свою очередь отражает прочность связывания субстрата с активным центром. График зависимости v от [S] представляет собой ги- перболу.

Question 138

График Лайнуивера-Бэрка

Answer 138

График Лайнуивера-Бэрка в двойных обратных координатах. Существует альтернативный способ представления уравнения Михаэлиса-Ментен — с по- мощью графика двойных обратных координат, пред- ложенного Лайнуивером и Бэрком. Перепишем урав- нение в виде
Кинетические свойства многих, но не
всех ферментов можно объяснить в рамках модели Михаэлиса-Ментен. Согласно этой модели, субстрат S связывается с ферментом Е с константой скорости к1. Образующийся фермент-субстратный комплекс Е—S может либо диссоциировать на Е и S с констан- той скорости к2 либо с константой скорости к3 пре- вратиться в продукт Р и свободный фермент:
В модели предполагается, что продукт не может об- ратно превращаться в субстрат, что справедливо для ранних стадий реакции, когда концентрация продукта низка. Скорость реакции v связана с концентрацией субстрата [S] следующим соотношением:
Если построить зависимость 1/v от 1/[S], то мы полу- чим прямую с наклоном KM/Vmax, отсекающую от оси 1/v отрезок длиной 1/Vmx. Использование такой формы записи уравнения Михаэлиса— Ментен позволяет легко определить значения величин Vmax и KM

Question 139

Конкурентные и неконкурентные ингибиторы

Answer 139

Конкурентные и неконкурентные ингибиторы
можно отличить друг от друга по тому, как в их при- сутствии изменяются кинетические свойства фер- ментной системы. Это легче всего проиллюстрировать с помощью графика Лайнуивера—Бэрка (рис. 13.2). Если поведение фермента подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен, то это свойство фермента будет сохраняться и в присутствии ингибитора — как перво- го, так и второго типа. Однако при добавлении конку

рентного или неконкурентного ингибитора график в двойных обратных координатах будет изменяться, причем в зависимости от типа ингибитора характер изменений будет различным.

Конкурентные ингибиторы увеличивают Км реакции, но не влияют на Vmax. Роль ингибитора, поскольку он конкурирует за активный центр фермента, сводится фактически к разбавлению субстрата. Следовательно, для достижения скорости реакции, равной половине Vmax, требуется теперь большая концентрация субстрата (которая, как известно, численно равна Км). Так как путем увеличения количества субстрата мож- но нейтрализовать действие ингибитора, Vmax не меня- ется.
НеконкурентныеингибиторыпонижаютVmax ,ноневлияют на Км. Поскольку ингибиторы этого типа не мешают связыванию субстрата с активным центром фермента, величина Км не меняется. Механизм ингибирования состоит в снижении скорости, с которой субстрат в составе фермент-субстратного комплекса превращается в продукт, поэтому при неконкурент- ном ингибировании уменьшается лишь величина Vmax.

Question 140

Регуляция активности фермента

Answer 140

РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТА может осуществляться самыми разными путями, например с помощью активации зимогена (профермента), кова-лентной модификации, ингибирования по типу отрица- тельной обратной связи, за счет кооперативных или ал- лостерических эффектов.