![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Вторичная и третичная структуры РНК 1 страница
РНК — однонитевые молекулы, поэтому нх вторичная и третичная структуры нерегулярны. Поскольку все виды РНК являются копиями одной из цепей ДНК, то копирование участков, содержащих палиндромы, приводит к образованию шпилек в молекулах РНК-
мРНК образуется в клетке из предшественника — пре-мРНК, открытой советским биохимиком Г. П. Георгиевым. Пре-мРНК имеет копии палиндромов ДНК, поэтому ее вторичная структура содержит шпильки и линейные 80 тРНК. Вторичная структура тРНК имеет вид «клеверного листа» (рис. 11). Она образуется вследствие внутрицепочечного спаривания комплементарных нухлеотидов отдельных участков тРНК. Участки тРНК, не вовлекаемые в образование водородных свячей между нуклеотилами, образуют петли или линейные звенья. В тРНК выделяют следующие структурные участки. 1. Акцепторный участок (конец), состоящий " из четырех линейно расположенных нуклеотидов, три из которых имеют во всех типах тРНК одинаковую последовательность — ЦЦА. Гидроксил З'-ОН аденозина свободен. К нему присоединяется карбоксильной группой аминокислота, отсюда и название этого участка тРНК — акцепторный. Связанную с 3'-гидроксильной группой аденозина аминокислоту тРНК доставляет к рибосомам, где происходит синтез белка. 2. Антикодоновая петля, обычно образуемая семью нуклёотидами. Она содержит специфический для каждой тРНК триплет нуклеотидов, называемый антикодоном. Антикодон тРНК по принципу комплементарности спаривается с кодоном мРНК- Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок расположения аминокислот в полипептидной цепи во время сборки ее в рибосомах. 3- Псевдоуридиловая петля (или Т^С-петля), состоящая из семи нуклеотидов и обязательно содержащая остаток псевдоуридиловой кислоты. Пред-
полагают, что псевдоуркдиловая петля участвует в связывании тРНК с рнбо- 4. Дигидроуридиновая, или D-петля, состоящая обычно из 8—12 нук- леотидных остатков, среди которых обязательно имеется несколько остатков дигндроуридина. Считают, что D-петля необходима для связывания с ами- ноацил-тРНК-синтетазой, которая участвует в узнавании аминокислотой своей тРНК (см. «Биосинтез белка»), 5. Добавочная петля, которая варьирует по размерам и составу нуклеотидов у разных тРНК- Третичная структура тРНК имеет уже форму не клеверного листа, а локтевого сгиба (см. рис. 14), так как лепестки петель клеверного листа заворачиваются на тело молекулы, удерживаясь дополнительными вак-дер- ваальсовыми связями. рРНК имеет форму вторичной структуры в виде спиральных участков, соединенных изогнутой одиночной цепью. Третичная структура рРНК является скелетом рибосомы. Она имеет форму Или палочки, или клубка. Снаружи на нее нанизываются белки рибосомы. 4. Физико-химические свойства нуклеиновых кислот Физико-химические свойства нуклеиновых кислот определяются высокой молекулярной массой и уровнем структурной организации. Для нуклеиновых кислот характерны: коллоидные и осмотические свойства, высокая вязкость'и плотность растворов, оптические свойства, способность к денатурации. Коллоидные свойства типичны для всех высокомолекулярных соединений При растворении нуклеиновые кислоты набухают и образуют вязкие растворы типа коллоидов. Гидрофильность их зависит в основном от фосфатов. В растворе молекулы нуклеиновых кислот имеют вид полианиона с резко выраженными кислотными свойствами. При физиологических значениях рН все нуклеиновые кислоты являются полианионами и окружены противоионами из белков и неорганических катионов. Растворимость двуспиральных нуклеиновых кислот хуже, чем односпиральных. Денатурация и ренаТурация. Денатурация — свойство, присущее тем макромолекулам, которые имеют пространственную организацию. Денатурация вызывается нагреванием, воздействием химических веществ, которые разрывают водородные и ван-дер-ваальсовы связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру нуклеиновых кислот. Например, нагревание ДНК приводит к разделению двойной спирали на одиночные цепи, т.е. наблюдается переход «спираль—клубок». При медленном охлаждении цепи вновь воссоединяются по принципу комплементарности. Образуется нативная двойная спираль ДНК- Это явление называется ренатурацией. При быстром охлаждении ренатурация не происходит. Характерно изменение оптической активности нуклеиновых кислот, сопровождающее их денатурацию и ренатурацию. Спиральные (организованные) участки нуклеиновых кислот вращают плоскость поляризованного света, т. е. оптически активны, а разрушение спиральных участков сводит на нет оптическую активность нуклеиновых кислот., Все нуклеиновые кислоты имеют максимум оптической плотности при длине волны около 260 нм, что соответствует максимуму поглощения азотистых оснований. Однако интенсивность поглощения природной нуклеиновой кислоты значительно ниже, чем смеси ее же нуклеотидов, полученных, например, при гидролизе этой нуклеиновой кислоты, или одиночных цепей. Причиной является структурная организация ДНК и РНК, которая вызывает классический эффект — снижение оптической плотности. Это явление получило название гипохромного эффекта. Он максимально выражен у нуклеиновых кислот, имеющих спиральные структуры (например, у ДНК) и содержащих много ГЦ-пар (ГЦ-пары имеют три водородные связи, и поэтому их труднее разорвать). Молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот. На способности нуклеиновых кислот ренатурировать после денатурации основан чрезвычайно важный метод определения степени гомологичности, или родственности, нуклеиновых кислот. Его называют молекулярной гибридизацией. В его основе лежит комплементарное спаривание одноцепочечных участков нуклеиновых кислот. Этот метод позволил обнаружить особенности первичной структуры ДНК. Оказывается, в ДНК животных имеются многократно (до 100 000 раз) повторяющиеся, участки с одинаковой последовательностью нуклеотидов. Они составляют до Ю—20% всей ДНК- Их гибридизация идет очень быстро. Остальная часть ДНК, представлена уникальными последовательностями, которые не дублируются. Эти участки ДНК гибридизуются очень медленно. Вероятность их совпадения у разных организмов невелика. С помощью.метода молекулярной гибридизации можно установить гомологичность ДНК организма одного вида ДНК другого вида или гомологичность РНК участкам ДНК. 5. Нуклеиновые кислоты и систематика организмов Нуклеиновые кислоты, прежде всего ДНК, являются материальным носителем наследственной информации и определяют видоспецифичность организма, сложившуюся в ходе эволюции. Изучение особенностей нуклеотидного состава ДНК разных организмов позволило перейти от систематики по внешним признакам к систематике генетической. Это направление в молекулярной биологии получило-название геносистематики. Основателем его был выдающийся советский биохимик А. Н. Белозерский. Сравнение нуклеотидного состава ДНК разных организмов привело к интересным выводам. Оказалось, что коэффициент специфичности ДНК, т.е. отношение Г + Ц к А + Т, сильно варьирует у микроорганизмов и довольно постоянен у высших растений и животных. У микроорганизмов наблюдаются колебания изменчивости от крайнего ГЦ-типа до выраженного АТ-типа. ДНК высших организмов стойко сохраняет АТ-тип. Может создаться впечатление, что у высших организмов теряется специфичность ДНК- На самом деле у них она так же спеиифнчяа, как и у бактерий, но.ее специфичность определяется не столько изменчивостью состава нуклеи гидов, сколько последовательностью чередования их-вдоль цепи. Интересные выводы на основании нуклеотидного состава ДНК были сделаны А. Н. Белозерским и его учениками относительно происхождения многоклеточных животных н высших Еще большую информацию о родстве организмов дает метод молекулярной гибридизации. С помощью этого метода была установлена высокая гомологичность ДНК человека и обезьяны. Причем по составу ДНК человека всего на 2—3% отличается от ДНК шимпанзе, чуть больше — от ДНК гориллы, более чем на 10% — от ДНК остальных обезьян, а от ДНК бактерии — почти на 100%. Особенности первичной структуры ДНК тоже можно использовать в систематике. Гомология по участкам повторяющихся последовательностей (быстрая гибридизация) используется для макросистематики, а для уникальных фрагментов ДНК (медленная гибридизация) — для микросистематики (на уровне видов и родов). Ученые считают, что постепенно по ДНК можно будет построить все родословное древо живого мира. ГЛАВА 6. ЛИПИДЫ !. Обшая характеристика н классификация липидов Липидами называются органические вещества биологической природы, нерастворимые в воде и растворимые в нелолярных растворителях, в таких, как хлороформ, эфир пли бензол. Под это определение попадает большая группа соединений и их классификация очень трудна. Главными признаками, которые позволяют отнести какое-либо вещество к классу липидов, являются: 1) биологическое происхождение; 2) гидрофобность, а отсюда растворимость в неполярных жидкостях и нерастворимость в воде; 3) наличие высших алкильных радикалов или карбоцихлов. Классификация липидов. Имеются разные классификации липидов: структурная, физико-химическая и биологическая, или физиологическая. Наиболее сложна первая, учитывающая строение этого класса соединений: 1. Липидные мономеры II. Многокомпонентные липиды I Высшие углеводороды
2. Высшие алифатические спирты, альдеги- 1. Простые липиды (эфиры, лнпидных мономеров) 1.1. Воски (эфиры высших спиртов) 1.2 Простые диольные липиды. или ацнл- днолы (эфиры двухатомных спиртов) 1.3 Глицериды, или ацилглицерины (эфиры трехятомного спирта глицерина) 1.4. Стернды (зфяры стерииов) 2. Смешанные, или сложные, липиды 2.1. Фосфолкпиды (фосфорные эфиры лнпн- дов) 2.1.1. Фосфоглицериды (фосфорные эфиры глицеридов) 2.1.2. Диольние фосфатиды (фосфоэфнры днольных липидов) 2.1.3. Сфингофосфатиды, или сфингофосфо- липиды (фосфоэфиры N-ацнлсфиигознна) 2.2. Гликолипиды Простые молекулы — липидные мономеры — находятся в клетках в свободном виде, хотя и в небольших количествах. Основная часть липндов в клетках представлена в виде эфиропроизводных различных спиртов. Разделение липидов по физико-химическим свойствам учитывает степень их полярности. По этому признаку липиды делятся на нейтральные, или неполярные, и полярные. К первому типу относятся липиды, не имеющие заряда. Ко второму — липиды, несущие заряд и обладающие отчетливыми полярными свойствами (например, фосфолипиды, жирные кислоты). По физиологическому значению липиды делят на резервные и структурные. Резервные липиды депонируются в больших количествах и затем расходуются для энергетических нужд организма. К резервным липидам относятся ацилглицерины. Все остальные липиды можно отнести к структурным липидам. Структурные липиды не имеют такой энергетической ценности, как резервные липиды. Они участвуют в построении биологических мембран, защитных покровов растений, насекомых и кожи позвоночных. Липиды составляют примерно 10—20% от массы тела человеческого организма. В среднем в теле взрослого человека содержится 10—12 кг липидов, из них 2—Зкг приходится на структурные липиды (входящие в основном в состав биологических мембран), а остальное — на резервные липиды. Около 98% последних сосредоточены в жировой ткани. По тканям структурные липиды распределены неодинаково. Особенно богата ими нервная ткань (до 20—25%)". В биологических мембранах клетки липиды составляют около 40% от сухой массы. 2. Однокомпонентные липнды, или липидные мономеры Высшие углеводороды Эта группа соединений включает липиды простейшего типа. В природе встречается больше нормальных, разветвленных и ненасыщенных высших углеводородов.. Для высших организмов они не имеют существенного значения. Высшие алифатические спирты, альдегиды, кетоны Встречаются в свободном виде, а чаще в составе многокомпонентных липидов. Являются оксипроизводными углеводородов. Высшие алифатические спирты Входят в состав восков. Ненасыщенные алифатические альдегиды участвуют в образовании ацетальфосфатидов. Высшие кетоны чаще встречаются в свободном виде у бактерий, а.разветвленные ненасыщенные кетоны — в составе феромонов насекомых. Изонренонды и их производные Обширная группа биологически важных липндов. Называют их так потому, что или в основе их строения лежит изопреновая единица (СН2=С—СН=СН2), СН, или эта единица является исходным веществом при их биосинтезе. Среди изопреноидов следует выделить терпены и стероиды. Терпены. Терпены различают по количеству входящих в их структуру изопреновых единиц. Терпены, имеющие две изопреновые единицы, — моно- терпены, три — сесквитерпены, а 4, б и 8 единиц — соответственно дитерпены, тритерпены и тетратерпены. Тритерпены сквален и ланостерин являются предшественниками при синтезе холестерина в тканях. Важную роль в процессах жизнедеятельности играют каротиноиды, относящиеся к тетратерпенам. Наиболее распространенные среди них фитоин, лнкопнн, а-, р-, у-каротины. p-Каротин является провитамином А. Большой интерес представляет группа кислородсодержащих терпенов. Среди них можно отметить группу изопреноидных спиртов, широко распространенных пахучих веществ, придающих характерный аромат растениям. Например, сесквитерпеновый спирт фарнезол имеет запах ландыша, а монотерпены гераниол, нерол, линалоол имеют запах герани и роз. Их много в розовом масле, и они применяются как составная часть духов. Монотерпен ментол используется в кондитерской промышленности. К дитерпеновым спиртам относятся фитол и ретинол. Первый участвует в построении фотосинтетического пигмента хлорофилла и филлохинона (витамина К,), а второй является жирорастворимым витамином (витамин А). Монотерпеновый кетон камфора широко используется как лекарственное средство. Абсцизовая кислота, являющаяся моноииклическим производным сесквитерпеновк выполняет функцию регулятора роста растений.
Стероиды. Стероиды можно отнести к производным циклических три-- терпенов, при биосинтезе которых используются изопреновые единицы. Стероидами называют обычно соединения, содержащие углеродный скелет цикло- пентанпергидрофенантрена, или стерана:
Большинство стероидов являются спиртами, которые именуются стеринами или стеролами. Стерины животного происхождения называют зоостеринами, а растительного — фитостеринами. У бактерий стерины отсутствуют. Родоначальником- большой группы биологически важных соединений можно назвать холестерин: В тканях он находится в свободном виде или в виде эфиров (стериды). Холестерином богаты ткани животных; он в больших количествах содержится в нервной ткани, надпочечниках, печени. Холестерин относят к структурным липидам. Он входит в соетав биологических " мембран клеток, причем больше его в плазматической (клеточной) мембране, чем в других мембранах — митохондрий, микросом, ядра и т. д. Среди стероидных соединений животного и растительного происхождения можно отметить следующие биологически активные производные холестерина: желчные спирты и желчные кислоты, гормоны, витамины, стероидные гликози- ды, стероидные алкалоиды.
При окислении боковой цепи холестерина о печени образуются желчные, спирты и желчные кислоты, которые выделяются с желчью в кишечник. У амфибий образуются желчные спирты, у человека — только желчные кислоты. Имеется видовая особенность образования желчных кислот. В желчи человека самыми распространенными кислотами являются холевая и хеноде- зоксихолевая:
Эти кислоты легко соединяются в печени с глицином и таурином, образуя парные соединения, или конъюгаты, например гликохолевую и тауродезокси- холевую кислоты:
В кишечнике и желчи желчные кислоты находятся в виде анионов (желчные соли). По структуре желчные кислоты — амфипэтические молекулы, так как имеют гидрофобное кольцо и гидрофильные группы — гидроксильиую и карбоксильную. Поэтому они обладают выраженными поверхностно-активными свойствами, способствуя эмульгированию липидов.в кишечнике. Желчные кислоты необходимы для нормального переваривания и всасывания липидов в кишечнике. Они помогают также всасыванию в пищеварительном тракте жирорастворимых внтаминор Относительно плохая растворимость Стероидные гормоны — наиболее обширная группа среди всех гормонов, являющихся регуляторами обмена веществ в клетках и контролирующих их рост и развитие. Стероидные гормоны образуются из холестерина путем предварительного окисления боковой цепи холестерина. В результате получаются такие соединения, как прегненолон и прогестерон, которые служат материалом для синтеза всех стероидных гормонов. Стероидные гормоны обнаружены у высших животных, насекомых и растений. В растениях превра-' щение холестерина в прегненолон и прогестерон осуществляется многими тканями, тогда как у животных преимущественно в специальных органах — эндокринных железах (надпочечниках, семенниках, яичниках, плаценте). У насекомых.и других членистоногих обнаружены гормоны стероидной структуры, регулирующие линьку. Несмотря на то что стероидное кольцо у них не синтезируется, они используют растительные или другие источники холестерина. \ В растениях также найдены половые гормоны — эстрогены- и прогестерон н выделены продукты их обмена, подобные тем, которые содержатся в моче человека. Эти гормоны регулируют цветение высших растений и необходимы для полового размножения у некоторых видов грибов. Возможно, стероидные соединения, или, как их называют, продукты вторичного синтеза, являются регуляторами роста, размножения клеток растений. Единство растительного и животного мира подчеркивает образование у них стероидных гормонов. Стероидные витамины. К ним относятся витамины D (кальциферолы). Растительные предшественники кальциферолов и 7-дегидрохолесте- рин, содержащийся в коже животных и человека, называются провитаминами D. Все они стероидной структуры. При облучении ультрафиолетовым светом они превращаются в витамины D. Стероидные гликозиды образуются как продую- вторичного синтеза в растениях и известны под названием сердечных глнкозидов. Они широко применяются в практике как эффективные сердечные лекарственные препараты. Стероидные алкалоиды встречаются у растений семейства нут- ровых и самшитовых. Они являются производными прегнана. Используются как лекарственные средства. У животных также встречаются стероидные алкалоиды, например в выделениях кожных желез саламандры. Они повышают кровяное давление и, действуя на центральную нервную систему позвоночных, вызывают паралич дыхания. В коже колумбийской ядовитой лягушки обнаружен стероидный алкалоид батрахотокснн, который парализует сердечную деятельность. Жирорастворимые витамины Витамины относятся к незаменимым факторам пищи, необходимым для нормальной жизнедеятельности организма. По отношению к растворителям они делятся на водорастворимые и жирорастворимые. Последние можно назвать липидами. К жирорастворимым витаминам и витаминоподобным веществам отно Ретинол, токоферол, кальциферолы легко образуют эфиры, например с пальмитиновой кислотой. Возможно, эфиры жирорастворимых витаминов являются их латентной формой, позволяющей им накапливаться в тканях, а затем освобождаться путем гидролиза эфира. Высшие аминослирты Представители этой группы веществ являются производными сфингозина. Они входят главным образом в состав многокомпонентных липидов — сфин- голипидое. В сфинголипидах присутствуют сфингоэин (ненасыщенный высший аминоспирт) и дигидросфингозин (насыщенный высший аминоспирт). Оба соединения имеют неполярную часть (углеводородную цепь) и полярную (остальной фрагмент молекулы):
-сн—сн—СН.ОН
I I
Высшие полиолы Сравнительно немногочисленная группа липидных мономеров. Они встречаются у микроорганизмов, участвуют в образовании простых и сложных диоль- ных липидов тканей животных. Жирные кислоты Жирными кислотами называются производные алифатических углеводородов, содержащие карбоксильную группу. Высшие жирные кислоты являются основными гидрофобными компонентами простых и сложных липидов. Из различных липидов выделено свыше 200 жирных кислот. Отличаются они друг от друга длиной цепи, числом и положением двойных связей, а также заместителями (окси-, кето-, эпоксигруппы, циклические структуры). По наличию двойных связей они делятся на насыщенные и ненасыщенные. У насыщенных жирных кислот конфигурация углеводородной цепи имеет вид зигзагообразной линии. Чаще всего в животных тканях встречаются жирные кислоты с четным числом атомов углерода, имеющие я цепи от 12 до 18 атомов углерода. Особенно распространены пальмитиновая и стеариновая кислоты, имеющие соответственно 16 и 18 атомов углерода. В животных тканях в небольших количествах обнаружены жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов. В бактериальных и растительных липидах жирные кислоты более разнообразны по строению. Ненасыщенные жирные кислоты разделяются по числу присутствующих в них двойных связей на моноеновые, диеновые, триеновые, тетраеновые и т. д. Они объединяются общим названием — полиеновые жирные кислоты. Особенности положения двойной связи по отношению к метильному концу углеводородной цепи позволяет разделить их на три типа: тип олеиновой, линолевой и линоленовой кислот. Самой распространенной Строение и краткая характеристика наиболее распространенных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот липидов приведены в табл. 14.
В организме высшие жирные кислоты в свободном виде имеются в незначительном количестве. Все жирные кислоты являются амфипатическими соединениями, имея неполярный «хвост» (углеводородная цепь) и полярную «голову» (карбоксильная группа). Высшие жирные кислоты, как все вещества, относящиеся к липидам, практически нерастворимы в воде и растворимы в неполярных жидкостях. Короткоцепочечные жирные кислоты (например, масляная, капроновая), хотя и встречаются в составе липидов в эфиросвязанном состоянии, не могу! быть отнесены к липидам, так как растворимы в воде. 3. Многокомпонентные липиды Простые липиды Среди многокомпонентных липидов выделяется большая группа простых липидов, состоящих из липидных мономеров, соединенных эфирными или амид- ными связями со спиртами. Восци представляют собой смеси простых и сложных эфиров высших одноатомных спиртов и высших жирных кислот. Такое строение определяет их высокую гидрофобность. Поэтому воски образуют водоотталкивающее защитное покрытие (смазка) у листьев и плодов растений, кожи, шерсти животных, перьев у птиц, наружного скелета насекомых. Входят они и в состав пчелиного воска. Простые диольные липиды — относительно недавно обнаруженная группа липидов, являющихся по строению жирнокислотиыми эфирами двухатомных спиртов (этиленгликоля или С3-алкандиолов). Существуют разные диольные липиды: моно- и диацилдиолы, причем жирнокислотный радикал соединяется или простой (I), нли сложной (II) эфирной связью со спиртовыми группами:
В тканях млекопитающих и семенах растений была выделена смесь диольных липидов, но содержание их оказалось незначительным. Оно увеличивается при возрастании функциональной активности, например, в фазу регенерации клеток или созревания семян растений. Глицериды, или ацилглицерины, — наиболее распространенная группа простых липидов По химической структуре они являются эфирами жирных кисло г и фслашмиого спирта глицерина. Глицериды (ацилглицерины) называют также нейтральными липидами (кз-за их нейтрального характера). Глицериды делятся на моно-, ди- и триацилглицерины, содержащие соответственно один, два и три эфиросвязанных ацнла (RCO—):
Названия нейтральных лчпндов складываются из названий жирной кислоты и глицерина. Например: пальмнтоилглииерин— моноацилглицернн, содержащий пальмитиновую кислоту, трипальмитоилглицерин — триацилгли- церин, содержащий три одинаковых ацильных остатка. Различают простые ацилглицерины, содержащие остатки одной жирной кислоты (как в приведенном выше случае), и смешанные, в состав которых входят остатки двух или трех разных жирных кислот.
|