Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 16. Нуклеїнові кислоти і білки

Ми — біомолекулярні роботи

Усі форми життя за своєю природою — біомолекулярні роботи: від зародження і до кінця свого життєвого циклу їхні біохімічні процеси чітко відповідають певній програмі. Ця програма керує також взаємодією організму з довкіллям, а «інструкції» про її виконання «записані» в молекулах ДНК — дезоксирибонуклеїнової кислоти.

Молекула ДНК має структуру подвійної спіралі

Найменшим структурним елементом ДНК є окремі нуклеотиди (рис. 16.1, А). Вони складаються з нітрогеновмісної основи, яка є елементарним носієм генетичної інформації, вуглеводу дезоксирибози та ортофосфатного залишку, що разом із дезоксирибозою формують каркас молекули ДНК. Нуклеотиди полімеризуються, формуючи ланцюг ДНК (рис. 16.1, Б). У більшості організмів (окрім деяких груп вірусів) ДНК формує подвійну спіраль завдяки водневим зв’язкам, що виникають між нітрогеновмісними основами двох ланцюгів (рис. 16.1, В, Г). До складу ДНК входить чотири типи нітрогеновмісних основ: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) і цитозин (Ц). За принципом комплементарності аденін парується із тиміном, гуанін — з цитозином. Принцип комплементарності — це основний принцип, на якому засновані процеси реплікації ДНК (відтворення) та транскрипції (зчитування генетичної інформації).

Рис. 16.1. Будова ДНК

A. Молекула нуклеотиду складається з нітрогеновмісної основи (блакитний), вуглеводу (зелений) та ортофосфатних залишків (червоний). Б. Фермент ДНК-полімераза з’єднує нуклеотиди, утворюючи ланцюг, при цьому вивільняє подвійний фосфат. B. Водневі зв’язки між нітрогеновмісними основами скріплюють два ланцюги ДНК разом, утворюючи подвійну спіраль (Г).

РНК відрізняється від ДНК за складом

Якщо завдання ДНК — зберігати генетичну інформацію, то завдання РНК — правильно її реалізовувати. Під час процесу транскрипції фермент РНК-полімераза копіює генетичну інформацію за принципом комплементарності, але використовуючи нуклеотиди, що замість дезоксирибози містять рибозу. Відмінність вуглеводів полягає в тому, що дезоксирибоза не має гідроксильної групи біля другого атома Карбону (порівняйте рибозу в формулі АТФ на рис. 16.2 та дезоксирибозу у формулі на рис. 16.1, А). Саме через наявність рибози повна назва РНК — рибонуклеїнова кислота. Ще одна відмінність РНК від ДНК у тому, що замість тиміну РНК має у своєму складі іншу нітрогеновмісну основу — урацил (У), який також парується з аденіном.

Рис. 16.2. Молекула АТФ — типовий приклад нуклеотиду, що містить рибозу. Зверніть увагу на наявність додаткового атому Оксигену в залишку рибози порівняно з дезоксирибонуклеотидом (рис. 16.1, А)

Різні РНК мають різні функції

На відміну від ДНК, РНК має велику кількість видів, а їх функції найрізноманітніші! Насамперед матричні РНК (мРНК) несуть генетичну інформацію для синтезу білків рибосомами в процесі трансляції. Рибосомальна РНК (рРНК) утворює функціональну основу рибосом — машин, що синтезують білки. Завдяки транспортній РНК (тРНК) рибосоми отримують амінокислоти, необхідні для синтезу білка. МікроРНК виконує захисні функції, забезпечуючи специфічний імунітет на рівні клітини, а також регулює процес трансляції. Довгі некодувальні РНК (днРНК) виконують структурні та регуляторні функції. Звичайно, це лише найважливіші типи РНК серед більше ніж 30 її типів.

РНК формує різнорівневі структури, що робить її поліфункціональною

Оскільки РНК складається з одного ланцюга, вона може утворювати складніші просторові структури. РНК формує вторинні структури: шпильки та петлі (рис. 16.3, А). Зокрема, РНК рибосом і транспортна РНК формують такі структури (рис. 16.3, Б). Складна структура РНК дозволяє існування рибозимів — каталізаторів на основі РНК, що у випадку рибосом робить потенційно можливою трансляцію без участі будь-яких білків.

Рис. 16.3. Структура РНК

А. РНК часто формує петлі (синя рамка) та шпильки (червона рамка). Б. Просторова структура великої субодинипі рибосоми термофільної бактерії. Різними кольорами позначено білки й рРНК.

Білки беруть участь в усіх процесах життєзабезпечення

Відомо, що білки, або протеїни, — один із найбільших і найрізноманітніших класів біомолекул. Маючи у своєму складі 21 основну амінокислоту, білки представлені десятками тисяч видів молекул у кожній клітині, і, мабуть, не існує такого процесу в живій клітині, в якому білки не брали б участі.

Білки мають чотири рівні структурної організації

Амінокислоти мають у своєму складі три активні частини: аміногрупу (—NH2), карбоксильну групу (—СООН) та боковий ланцюг, або замісник (R), який відрізняє одну амінокислоту від іншої (рис. 16.4, А). Амінокислоти формують первинну структуру білка, з’єднуючись одна з одною з утворенням пептидного зв’язка (рис. 16.4, Б), який, на відміну від інших ковалентних зв’язків усередині амінокислот, не дозволяє обертальні рухи атомів один відносно одного.

Білки мають чотири рівні структурної організації (рис. 16.5). Вони функціонують, як мінімум, на рівні третинної структури — специфічної для кожного білка форми у просторі. Її функція — сформувати активну поверхню, з якою можуть взаємодіяти інші білки, або створити так званий активний сайт — заглиблення в тілі білка, де розташовані реакційно-активні бокові ланцюги амінокислот, що зумовлюють перебіг хімічних реакції (докладніше в § 17).

Білки важливі в усіх біологічних процесах

Білки виконують численні функції (рис. 16.6). Насамперед, це ферментативна функція, тобто прискорення перебігу хімічних реакцій в організмі. Наприклад, АТФ-синтаза утворює АТФ у мітохондріях та пепсин, що бере участь у розщепленні білків у шлунку. Білки — дуже важливі структурні елементи клітин. Центральні компоненти клітинного цитоскелету — мікротрубочки та мікрофіламенти, складаються з білків тубуліну й актину відповідно. Ці білки, як і більшість, мають сферичну форму, тому їх називають глобулярними білками, хоча при сполученні вони утворюють довгі нитчасті структури. Рухову та моторну функції забезпечують такі білки, як актин і міозин, на які багаті м’язи, та кінезини, що транспортують різні органели і молекули всередині клітин. Міозини є фібрилярними білками, тобто білками видовженої форми. Сотні білків виконують транспортні функції. Наприклад, усім відомий гемоглобін еритроцитів транспортує кисень, а альбуміни плазми крові транспортують жирні кислоти і гормони. Білки кератини формують волосся, нігті, роги, копита і заповнюють клітини епідермісу, виконуючи захисну функцію. Взаємодії між клітинами та ембріональний розвиток, взаємодії організму з навколишнім середовищем були б неможливими без рецепторів і сигнальних каскадів, що їх запускають білки. Родопсин паличок сітківки ока, сотні кіназ, дофамінові рецептори мозку є лише окремими прикладами цих білків.

Рис. 16.4. Будова і з’єднання амінокислот

А. Кожна амінокислота має аміногрупу (синя), карбоксильну групу (червона) та замісник (зелений), що відповідає за специфічні властивості амінокислот. Б. Аміногрупа однієї амінокислоти реагує з карбоксильною групою іншої, формуючи пептидний зв’язок (жовтий). Саме так клітина продукує білки під час процесу трансляції за участю рибосом.

Рис. 16.5. Рівні просторової організації білка

Набір і розташування амінокислот білка (А) несуть у собі інформацію щодо його подальшого згортання. Так формуються вторинні структури білка, наприклад, α-спіралі (Б). Первинна послідовність також диктує подальше згортання білка до третинної структури (В). Більшість білків функціонують на цьому рівні, але деякі об’єднуються, формуючи четвертинні структури (Г).

Рис. 16.6. Специфічні функції білків

А. Павутина складається із білка. Б. Цитоскелет наших клітин представлений мікротрубочками (блакитні), актином (червоні) та проміжними філаментами (не візуалізовано). В. GFP дозволяє візуалізувати роботу окремих генів як на молекулярному рівні, так і на рівні всього організму. Г. Модель структури альфа-токсину золотистого стафілококу, отримана завдяки рентгеноструктурному аналізу (однаковим кольором зображено подібні за структурою ділянки). Вбудовуючись у клітинну мембрану токсин спричиняє загибель клітин.

Цікаве життя

CRISPR/Cas9 — революція в редагуванні геному

CRISPR/Cas9 система була відкрита як компонент імунної системи бактерій, що забезпечує набутий імунітет проти бактеріофагів. Під час вірусної інфекції бактерія копіює й вбудовує в свій геном короткі фрагменти чужорідної (вірусної) ДНК. Потім ці фрагменти транскрибуються в спрямовуючу РНК. Остання приєднується до ферменту Cas9, що може робити розриви в обох ланцюгах ДНК. Cas9, зв’язавшись зі спрямовуючою РНК, сканує всі молекули ДНК, що є у клітині: як ті, що належать бактерії, так і ті, що походять від бактеріофага. У випадку, якщо в них є комплементарний спрямовуючий РНК фрагмент (наприклад, вірус вбудував свій геном у бактеріальну хромосому), то фермент Cas9 робить розріз у цьому фрагменті ДНК. Клітина, завдяки системам відновлення геному (репарації), може зшити отримані розрізані ДНК між собою, але при цьому кілька нуклеотидів буде загублено або додано. Такої мутації достатньо, щоб порушити роботу небажаного гену, а значить і побороти вірусну інфекцію.

У 2012—13-х роках вчені навчилися штучно створювати спрямовуючу РНК, комплементарну будь-якій послідовності ДНК. Тобто маючи у клітині якогось організму функціональну систему CRISPR/Cas9, можна порушити роботу будь-якого гену з відомою послідовністю нуклеотидів. Тому, якщо визначити зміни, що відбулися в клітині після порушення послідовності певного гену, можна з’ясувати його функцію, що є метою багатьох досліджень. Так само можна інактивувати вірусні ДНК, а з певними модифікаціями системи CRISPR/Cas9, і вірусні РНК у клітинах людини. А значить і розробити ліки від, наприклад, гепатиту чи ВІЛ/СНІД.

Завдяки системі CRISPR/Cas9 і додатковій молекулі ДНК можна не тільки порушити певну послідовність, але й замінити її на іншу. Цей спосіб використання системи дозволяє точно редагувати геном різних організмів, що важливо для біотехнологій (підвищення стійкості, врожайності, зменшення хворобливості організмів тощо) і медицини. Наприклад, у цей спосіб можна «відремонтувати» мутовані гени, що спричиняють спадкові захворювання людини, або підвищити стійкість до інфекцій чи раку.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Який із цих двох фрагментів належить ДНК, а який — РНК? Чи вони комплементарні один одному?

1. АГЦЦААТТТГГАААЦ 2. УЦГГУУАААЦЦУУУГ

А 1 — РНК, 2 — ДНК, комплементарні

Б 1 — ДНК, 2 — РНК, комплементарні

В 1 — РНК, 2 — ДНК, некомплементарні

Г 1 — ДНК, 2 — РНК, некомплементарні

• 2. Для того, щоб молекула могла бути використана ДНК-полімеразою для реплікації ДНК, вона має містити

А урацил, дезоксирибозу і два ортофоефатні залишки

Б аденін, рибозу і три ортофосфатні залишки

В тимін, рибозу і два ортофосфатні залишки

Г гуанін, дезоксирибозу і три ортофоефатні залишки

Д тимін, рибозу і три ортофоефатні залишки

• 3. Вторинна структура білка залежить від

А третинної структури

Б четвертинної структури

В послідовності амінокислот у білку

Г кількості пептидних зв’язків у білку

Д послідовності нуклеотидів у білку

• 4. Увідповідніть білки з їх місцями «роботи» в людському організмі.

1. кератин

2. дофаміновий рецептор

3. міозин

4. альбумін

А скловидне тіло ока

Б волосина

В біцепс

Г головний мозок

Д плазма крові

У житті все просто

• 5. З 21-ої амінокислоти, що входять до складу білків, можна скласти 213 = 9261 різних трипептидів. Середня молекулярна маса еукаріотичних білків становить приблизно 50000 г/моль. Скільки різних білків може теоретично існувати, якщо середня молярна маса однієї амінокислоти дорівнює приблизно 110 г/моль?

• 6. Напишіть послідовність ДНК, комплементарну наведеній: ААЦГТТГГАТТТЦ.

У житті все не так просто

• 7. У 1978 році вперше виділено пептид, що надає їжі характерного м’ясного аромату. Знайдіть в Інтернеті таблицю формул амінокислот і розшифруйте послідовність цього пептиду.

• 8. Хоча більшість білків мають третинну структуру, деякі із них функціонують на рівні четвертинної — ансамблю з кількох білків третинної структури. Як ви вважаєте, якою може бути функція четвертинної структури?

• 9. Відомо, що РНК, так само як і ДНК, «уміє» формувати подвійну спіраль (хоч і з однієї молекули) та складається з дуже схожих нуклеотидів. Але чомусь саме ДНК стала основним носієм генетичної інформації. Знайдіть пояснення цьому.