Уиггинс. 5 нерешенных проблем науки. Янко Слава (Библиотека FortDa )
 Скачать 5.17 Mb.
|
|
255 Рис. I.3. Молекулярное строение аминокислоты чего кровотоком доставляются к клеткам организма, где повторно используются. Аминокислоты идут на «сборку» белков в соответствии с «чертежом», хранящимся в клеточной ДНК и претворяемым в жизнь РНК при содействии белковых катализаторов (ферментов). Таким образом, большинство необходимых организму аминокислот можно собрать из имеющихся в нем аминокислот. Это так называемые заменимые аминокислоты. Те же, которые должны поступать с пищей, относятся к незаменимым аминокислотам. Более 100 аминокислот встречаются у растений и бактерий, у животных же их 20. В приведенной таблице даны названия, принятые сокращенные обозначения и химические формулы (линейная запись) 20 аминокислот животных. Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 126 Аминокислота Обозначение Молекулярная формула Аланин ala A CH 3 -CH(NH 2 )-COOH Аринин arg R HN=C(NH 2 )-NH-(CH 2 ) 3 -CH(NH 2 )- СООН Аспарагин asn N H 2 N-CO-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH Аспарагиновая asp D HOOC-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH кислота Цистеин cys С HS-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH Глутаминовая glu E HOOC-(CH 2 ) 2 -CH(NH 2 )-COOH кислота Глутамин gln Q H 2 N-CO-(CH 2 ) 2 -CH(NH 2 )-COOH 256 Глицин gly G NH 2 -CH 2 -COOH Гистидин his H NH-CH=N-CH=C-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH Изолейцин ile I CH 3 -CH 2 -CH(CH 3 )-CH(NH 2 )-COOH Лейцин leu L (CH 3 ) 2 -CH-CH 2 -CH(NH2)-COOH Лизин lys К H 2 N-(CH 2 ) 4 -CH(NH 2 )-COOH Метионин met M CH 3 -S-(CH 2 ) 2 -CH(NH 2 )-COOH Фенилаланин phe F Ph-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH Пролин pro P NH-(CH 2 ) 3 -CH-COOH Серин ser S HO-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH Треонин thr T CH 3 -CH(OH)-CH(NH 2 )-COOH Триптофан trp W Ph-NH-CH=C-CH 2 -CH(NH2)-COOH Тирозин tyr Y HO-Ph-CH 2 -CH(NH 2 )-COOH Валин val V (CH 3 ) 2 -CH-CH(NH 2 )-COOH Источник: http://chemistry.about.com/library/weekly/aa080801a.htm 6. Построение модели ДНК Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели. Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K'NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. I.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле. Данная модель собрана на основе набора K'NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. http://www.knex.com/ ). Ру- 257 Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 127 Рис. I.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза) ководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины http://www.knex.com/customer/theme_search.php?searchType=education&brand=edu&subType=life_sci По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м. Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А-Т и Ц-Г Уотсона—Крика. При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lас -оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам. 258 7. Кодоны Почти все формы жизни на Земле используют один и тот же генетический код, ключом к которому служат кодоны. Если нуклеотидные основания в ДНК представить в виде букв генетического кода, то кодоны будут словами, а ген — последовательностью кодонов, образующих предложение. Согласно основному посылу (центральная догма) [занесенного] в ген выражения (экспрессии гена), сообщение от ДНК записывается на мРНК (матричную РНК), которое затем переносится на белки. Для уяснения работы кодонов рассмотрим ее подробно. ♦ Последовательность содержащихся в ДНК нуклеотидных оснований задается чередованием аденина, тимина, цитозина и гуанина, обычно обозначаемых буквами А, Т, Ц и Г. ♦ мРНК переписывает нуклеотидные основания ДНК в том же порядке на рибосому, лишь заменив тимин на урацил. В рибосоме происходит сборка белков нанизыванием друг на друга аминокислот (см.: Список идей, 5. Аминокислоты ). Порядок следования аминокислот в белке определяет тРНК (транспортная РНК), передающая исходный порядок следования нуклеотидных оснований в ДНК. Но каким образом четыре нуклеотидных основания определяют, какую из 20 аминокислот необходимо брать при построении белка? ♦ Если бы каждое нуклеотидное основание задавало одну аминокислоту, можно было бы собрать лишь четыре аминокислоты. ♦ Если бы два нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, выходило бы 4 2 = 16 аминокислот. 259 ♦ Если бы три нуклеотидных основания совместно задавали одну аминокислоту, можно было бы получить 4 3 = 64 аминокислоты, а этого более чем достаточно. Таким образом, кодон должен представлять собой триплет — три идущих вместе основания. Троичная природа кодона нашла опытное подтверждение в 1961 году благодаря работе Фрэнсиса Крика. Выяснением вопроса, какие триплеты нуклеотидных оснований определяют аминокислоты, занялся в 1961 году американский биохимик Маршалл Ниренберг, установивший, что УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин. Последующие опыты Ниренберга и других ученых к 1966 году помогли установить полное соответствие между кодонами и аминокислотами. В таблицах приводятся трехбуквенные кодоны и соответствующие им аминокислоты, присоединяемые к выстраиваемой РНК белковой молекуле, а также нуклеотидные основания РНК (У, Ц, А и Г), а не ДНК (Т, Ц, А и Г). Инициирующий [АУГ или ГУГ] и терминирующий [сокр. терм; это УАА (охра-кодон), УАГ (янтарь-кодон) и УГА (опал-кодон)] [ трансляцию ] кодоны указывают на начало и завершение транскрипции РНК. У Ц А Г Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 128 УУУ = фен УЦУ = сер УАУ = тир УГУ = цис У УУЦ = фен УЦЦ = сер УАЦ = тир УГЦ = цис Ц УУА = лей УЦА = сер УАА = стоп УГА = стоп А У УУГ = лей УЦГ = сер УАГ = стоп УГЦ = трп Г ЦУУ = лей ЦЦУ = про ЦАУ = хиз ЦГУ = арг У ЦУЦ = лей ЦЦЦ = про ЦАЦ = хиз ЦГЦ = арг ц ЦУА = лей ЦЦА = про ЦЦА = глн ЦГА = арг А Ц ЦУГ = лей ЦЦГ = про ЦАГ = глн ЦГГ = арг Г 260 АУУ = иле АЦУ = тре ААУ = асн АГУ = сер У АУЦ = иле АЦЦ = тре ААЦ = асн АГЦ = сер Ц АУА = иле АЦА = тре AAA = лиз АГА = арг А А АУГ = мет АЦГ = тре ААГ = лиз АГГ = арг Г ГУУ = вал ГЦУ = ала ГАУ = асп ГГУ = гли У ГУЦ = вал ГЦЦ = ала ГАЦ = асп ГЦЦ = гли Ц ГУА = вал ГЦА = ала ГАА = глу ГГА = гли А Г ГУГ = вал ГЦГ = ала ГАГ = глу ГГГ = гли Г Заметим, что большинство аминокислот задается не одним кодоном. Такая избыточность нередко означает, что одна и та же аминокислота задается независимо от того, какое азотистое основание находится на третьем месте в кодоне. Поскольку именно третье положение часто неверно считывается, подобная избыточность сводит к минимуму последствия от ошибок в считывании. СТАРТ АУГ, ГУГ Лей УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ Ала ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ Лиз AAA, ААГ Apr ЦГУ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, ΑΓΑ, ΑΓΓ Мет АУГ Асн ААУ, ААЦ Фен УУУ, УУЦ Асп ГАУ, ГАЦ Про ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА, ЦЦГ Цис УГУ, УГЦ Сер УЦУ. АГУ, УЦЦ АГЦ УЦЦ, УЦГ, Глн ЦАА, ЦАГ Тре АЦУ, АЦЦ АЦЦ,Э АЦГ Глу ГАА, ГАГ Три УГГ Гли ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ Тип УАУ, УАЦ Хиз ЦАУ, ЦАЦ Вал ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ Иле АУУ, АУЦ, АУА СТОП УАГ, УГА, УАА 261 8. Укладка белков Белки, плод усилий ДНК, РНК и белковых ферментов, несут на себе бремя жизни — в буквальном и переносном смысле. На два вида белков, из-за своего строения названных глобулярными [округлыми] и фибриллярными * [вытянутыми], возложены многочисленные обязанности: ♦ Ферментный катализ. Глобулярные белки точно подлаживаются под определенные молекулы, вызывая жизненно необходимые химические реакции. Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 129 ♦ Защита. Различные глобулярные белки берегут от определенных молекул, которые «подстраиваются» под облик белков. ♦ Транспортировка. Другая разновидность глобулярных белков занимается доставкой небольших молекул, опять же исходя из облика белка. Например, гемоглобин имеет полость, подстроенную под молекулу кислорода, переносит кислород через кровь и при необходимости «сгружает». Представьте, что случится, если молекула угарного газа займет полость в гемоглобине и «застрянет» там и гемоглобин уже не сможет доставлять кислород. ♦ Обеспечение волокнами. Коллаген — самый распространенный фибриллярный белок у позвоночных животных. Это молекулярная основа костей, связок, сухожилий и кожи. ♦ Движение. Молекулы актина и миозина обладают способностью скользить, обеспечивая сокращение мышц. * Фибриллярные белки образованы полипептидными цепями, которые расположены параллельно друг другу вдоль одной оси и образуют длинные волокна (фибриллы), или слои. Нерастворимы в воде и растворах солей. Основные структурные элементы соединительной ткани (коллаген (сухожилия, связки, хрящ), кератин (волосы, ногти) и др.). 262 ♦ Регуляция. Белки выступают в качестве поверхностных рецепторов клетки и внутренних регуляторов поведения гена вроде /ос-репрессоров (см. гл. 4). Внешний облик белка имеет решающее значение при выполнении многих задач, и он далеко не прост. Если длинную нить аминокислот, составляющих белок, уподобить волокну, то функциональный облик белка можно уподобить замысловатой корзине, сплетенной из этого волокна. Сложное, трехмерное устройство белков впервые заметили в 1930-е годы, когда У. Т. Астбури получил различные рентгенограммы дифракционных полос натянутого человеческого волоса. Американский химик Лайнус Полинг, работая с Робертом Кори в 1951 году, основываясь на знании химических связей, предположил, что самые простые белковые молекулы имеют спиралевидное (а) или складчатое (β) строение. (В Англии Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик боялись, как бы Полинг раньше их не открыл строение ДНК. Оказалось, что Полинг работал с неверными данными и в итоге предпочел тройную спираль для ДНК вместо двойной, которую предложили Уотсон и Крик в 1953 году, имея на руках блестящие данные рентгенограмм Розалинды Франклин.) Вскоре после выступления Полинга и Кори датский биохимик К. Линдерстрем-Ланг предложил четырехуровневое строение белка, исходя из теоретических соображений (см. рис. 3.6). Современный уровень знаний позволил добавить еще два уровня, о которых мы поговорим, рассмотрев вначале некоторые опытные данные. В 1957 году химик Джон Кендрю после завершения в Кембриджском университете (Великобритания) большой работы с использованием методов рентгеноструктурного анализа определил точное трехмерное строение белка миоглобина, доставляющего кислород к мышцам. Посмотрев на итоговые результаты, Кендрю заметил: «Пожалуй, более всего эту молекулу отличают упорядоченность и отсутствие всякой симметрии». Все дело в том, что белки обычно имеют 263 скрученное, витое трехмерное строение. Даже опытным исследователям нужно приложить немало усилий, чтобы усмотреть в моделях белков некие закономерности. Вот почему столь ценно знание многоуровневой организации белков. Первичная структура белка определяется цепью аминокислот, собираемых РНК согласно «чертежу» ДНК. У белка со 100 аминокислотами каждое место может занимать любая из 20 аминокислот, так что в итоге можно получить 20 100 совершенно различных белков. Столь огромная величина (10 130 ), превышающая число атомов обычного вещества во Вселенной, свидетельствует о невероятном многообразии белков. Вторичную структуру представляет α-спираль и складчатый β-слой [β-тяж], как и предполагал Полинг. Эти структуры возникают вследствие притягивания положительно заряженных участков молекулы к отрицательным участкам той же молекулы и иных электрических воздействий. Надвторичная структура (не показана) сочетает в себе две вторичные структуры или более, именуемые мотивами. Лист или складка имеет обычно мотив βαβ; так называемая укладка Россманна * представляет собой сочетание βαβαβ; другой распространенный мотив — β-бочонок (образующий трубку β-тяж). Третичная структура часто образуется при реакции молекулы с водой, когда [гидрофобные, т. е. лишенные сродства с водой] участки молекулы плотно свертываются внутри ее, так что почти не остается свободного пространства. Такое плотное свертывание объясняет, почему некоторые мутации, связанные с замещением аминокислоты различной величины, могут изменять облик белка настолько, что он уже не в состоянии играть отведенную ему роль в метаболизме организма. * По имени известного американского биохимика родом из Германии Майкла Россманна (р. 1930), открывшего ее в 1974 году. 264 Домен (не показан) представляет собой участок белка, нередко из сотен аминокислот, имеющий своеобразный вид независимо от облика остальной молекулы. Домены можно уподобить узлам на длинной веревке. Четвертичная структура описывает положение, когда две цепи аминокислот или более, именуемые подгруппами, соединяются, образуя один функциональный белок. Например, гемоглобин состоит из двух подгрупп: α-цепи и β-цепи. Серповидноклеточная анемия вызывается мутацией, замещающей аминокислоту в Янко Слава (Библиотека Fort/Da ) || http://yanko.lib.ru Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИР- ПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь). 130 одном из углов кольца β-подгруппы, образуя там «липучку», которая скрепляет одну молекулу гемоглобина с другой. В итоге молекулярная цепь оказывается слишком длинной, чтобы справляться со своими обязанностями. Первичная структура белка, биологически неактивная, также подвержена воздействию других молекул, которые могут повлиять на ее строение и работоспособность. Поэтому белки от первичного состояния зачастую переходят к третичному или четвертичному за несколько минут или даже доли секунды. Данный процесс именуют укладкой (или сворачиванием). И наоборот, при изменении окружающих условий (температуры, кислотности, концентрации ионов) белок может изменить свой облик, или развернуться. Обратный процесс именуют денатурацией. Примером может служить добавление соли или уксуса в пищу, что сохраняет ее, разрушая белки микроорганизмов, которые в обычных условиях беспрепятственно размножались бы на пище. Во многих случаях после денатурации белки возвращают свою биологически активную конформацию и продолжают функционировать как ни в чем не бывало. Однако иногда возможна неправильная укладка. Например, когда вы варите яйцо, белки разворачиваются. Но при охлаждении яйца они не возвращаются к прежней укладке, а образуют нерастворимую массу (если яйцо сварено вкрутую). 265 На правильное и неправильное сворачивание белка влияют другие белки, именуемые шаперонинами * , которые обычно помогают укладке, ускоряя ее и предотвращая неправильную укладку. Выявлено более 17 шаперонинов, некоторые из которых даже позволяют уже неправильно уложенному белку вернуться к правильной укладке. Ведутся обширные исследования по неправильной укладке, которая, возможно, является причиной болезни Альцгеймера и коровьего бешенства. Ввиду огромного числа белков и еще большего количества всевозможных для них укладок изыскания в этой области требуют привлечения суперЭВМ для учета всех случаев. Подобно обработке данных, получаемых в рамках проекта SETI, вы можете загрузить на свой домашний компьютер программу по расчету белковых укладок, которая будет работать в виде экранной заставки при простое вашего компьютера. Если вас это заинтересовало, можете обратиться на узел Всемирной Паутины http://folding.stanford.edu/ Уже на более чем 60 тыс. компьютеров запущена эта программа, что оказывает существенную поддержку проекту Folding@home.com Дополнительный источник информации: www.faseb.org/opar/protfold/protein.html ( http://opa.faseb.org/ ) 9. Генетические технологии Поскольку операционные системы всех живых существ основаны на ДНК, возможность разрезать ДНК, перестраи- * Шаперонины обеспечивают сворачивание, а шапероны — разворачивание белка. В названии обыгрывается значение английского слова chaperon (провожатая при молодой особе). К настоящему времени описано несколько классов шаперонов, различающихся по структуре и специфическим функциям. Все шапероны относятся к так называемым белкам теплового шока, синтез которых резко увеличивается в стрессовых для клетки ситуациях. Поэтому сокращенное название этих белков — hsp. |