Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

4.2. Рибонуклеиновые кислоты

участку рРНК и необходим для образования и стабилизации комплекса мРНК-рибосома. За этим участком следует триплет АУГ, выполняющий роль инициирующего кодона процесса биосинтеза белка, за которым располагаются кодоны аминокислот. Концевой участок мРНК содержит кодоны УАА, УАГ или УГА, служащие сигнальными триплетами завершения процесса биосинтеза белка. Кроме того, на 3′-конце мРНК располагается полиаденилат (поли(А)), представляющий последовательность из 150…200 аденозинмонофосфатов, стабилизирующий и предохраняющий мРНК от действия РНКаз. Это подтверждается тем, что мРНК, лишенная поли(А), способна находиться в цитоплазме всего несколько минут, тогда как мРНК, имеющая поли(А), разрушается через несколько часов или даже дней. Таким образом, размер поли(А) определяет продолжительность функциональной активности и время нахождения мРНК в клетке.

Транспортная РНК. тРНК используется как посредник, предназначенный для специфического связывания аминокислот, которые затем переносятся к месту синтеза белка на рибосому, и за счет своего антикодона распознает кодон в структуре мРНК. После этого участвует в избирательном включении аминокислоты в состав первичной структуры белка.

Всоставе полинуклеотидной цепи тРНК содержится от 73 до 93 нуклеотидов; он составляет 10…20% суммарной РНК клетки, поэтому тРНК представляют собой малые по размеру молекулы с молекулярной массой 23…30 кДа. Для каждой из 20 аминокислот в клетке имеется своя тРНК. При этом для некоторых аминокислот известно несколько тРНК. В пространстве молекула тРНК имеет упорядоченное расположение полинуклеотидной цепи в виде «клеверного листа» (рис. 4.5). При этом компактность и стабильность структуры определяется максимальным числом водородных связей между азотистыми основаниями. Спирализация молекулы тРНК обуславливает формирование вторичной структуры полинуклеотида. В центре молекулы располагается неспирализованная область. В структуре тРНК выявляются пять ответвлений, в составе которых

имеются одно- и двухцепочные участки. Кроме того, полинуклеотидная цепь имеет два функционально важных для тРНК конца: 3′- и 5′-концы.

К3′-концу присоединяется аминокислота своей СООН-группой, образуя аминоацил-тРНК. Присоединение аминокислот к тРНК осуществляет специализированный фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза.

Вголовной части тРНК располагается антикодоновая петля, состоящая из 7 нуклеотидов, в состав которой входит триплет — антикодон. Последний представлен тремя последовательно связанными нуклеотидами, комплементарных кодону данной аминокислоты в мРНК, и за счет которого обеспечивается специфичность распознавания кодона мРНК антикодоном тРНК. В структуре тРНК выявляется Т-петля (рис. 4.6), содержащая фрагмент, в составе которого псевдоуридин. Этот участок

73

Глава 4. Нуклеиновые кислоты

3’ OH

Участок связывания аминокислот

5’р

Акцепторный стебель

Вариабельная петля

Антикодоновая петля

Антикодон

Рис. 4.5. Структура «клеверного листа» тРНК (Овчинников, 1987)

3’-конец

5’-конец

Т-петля

D-участок

Антикодоновая

петля

Рис. 4.6. Пространственная структура РНК

74

4.2. Рибонуклеиновые кислоты

тРНК отвечает за взаимодействие с рибосомой. D-участок тРНК имеет петлю, содержащую дигидроуридин. В целом участок обеспечивает взаимодействие тРНК с ферментом — аминоацил-тРНК-синтетазой.

Рибосомальные РНК и рибосома. Рибосомальные РНК (рРНК) имеют разнообразную форму. Они служат стрежнем, вокруг которого происходит упорядоченное связывание и расположение белков, формирующих рибосому (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Модель рибосомы

В эукариотической клетке может содержаться от 104 до 106 рибосом в зависимости от интенсивности биохимических процессов. В состав рибосомы эукариот входят две разные по форме и составу субчастицы (легкая и тяжелая). Рибосомы и их субчастицы принято обозначать в соответствии с их коэффициентами седиментации, выражаемые в единицах Сведберга (S).

Легкая 40S-субчастица содержит 18S РНК и 30 белков, а тяжелая 60Sсубчастица — 28S РНК, 5S РНК, 5,8S РНК и 41 белок. При этом рибосомальные РНК сопоставимы по размерам с белками, входящими в состав рибосомы. Каждая субчастица рибосомы содержит по одной молекуле рРНК, которая составляет по массе от половины до двух третей всей субчастицы. В составе 28S РНК животных присутствует 4700…4800 нуклеотидов, а в 18S РНК — около 1900 нуклеотидов. При этом рРНК служит структурообразующей частью рибосомной субчастицы, определяя ее форму, а также природу и порядок расположения рибосомальных белков. Молекулярные массы рибосомальных белков равны 5…50 кДа. В процессе синтеза белка рибосомы могут прикрепляться к молекулам мРНК, образуя полирибосомы.

75

Глава 4. Нуклеиновые кислоты

Малая субчастица разделена глубокой бороздой на две части. В борозде размещается участок, в котором происходит связывание и последующее протягивание полинуклеотидной цепочки. В борозде большой субчастицы размещается каталитический центр рибосомы, где протекает процесс синтеза полипептида.

Взаимное расположение субчастиц определяет места локализации антикодона тРНК относительно кодона мРНК, а также концевой части тРНК с аминокислотой, ориентируя их в области активного центра.

Палочкообразный отросток большой субчастицы участвует во взаимодействии с фактором элонгации 1 (EF1), а также в ориентации и связывании фактора элонгации 2 (EF2).

Таким образом, рибосома является нуклеопротеином, выполняющим в клетке белоксинтезирующую функцию, продуктами которой служат различные белки, определяющие в дальнейшем свойства, форму и функции клеток. Действие рибосомы основано на том, что она протягивает вдоль себя мРНК, считывая при этом генетическую информацию, закодированную в виде триплетов, осуществляет синтез полипептидной цепочки белка. В процессе биосинтеза белка происходит расход ГТФ.

Белки рибосомы участвуют как в связывании субстратов, так и в каталитическом их превращении. Кроме того, белки могут служить стабилизаторами или модификаторами определенных структур рРНК, выполняя роль переключателя функциональных состояний рибосомы. Белки, располагающиеся на границе двух субчастиц, формируют «карман», в котором связываются субстраты (пептидил-тРНК и аминоацил-тРНК), участвующие в образовании первичной структуры белка.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Расскажите о значении нуклеиновых кислот для живых организмов. 2. Перечислите азотные снования, входящие в состав РНК и ДНК. 3. Напишите структурные формулы азотистых оснований. 4. Назовите моносахариды, входящие в структуру ДНК и РНК. 5. Расскажите о различиях в строении нуклеозидов и нуклеотидов. 6. Напишите структурные формулы АДФ и АТФ. 7. Опишите строение РНК и ДНК и укажите на их принципиальные отличия в строении. 8. Опишите строение основных форм ДНК и расскажите об их функциональном значении. 9. Расскажите

окомплементарном расположении полинуклеотидных цепочек ДНК. 10. Расскажите о строении гена. 11. Раскройте роль гена-оператора в структуре регуляторного участка гена. 12. Расскажите о функционировании гена-промотора. 13. Расскажите

офункциональной роли транспозонов. 14. Раскройте роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче генетической информации. 15. Опишите значение метода полимеразной цепной реакции. 16. Опишите особенности строения матричной РНК. 17. Расскажите о строении и функционировании транспортной РНК. 18. Опи-

шите строение рибосом и роли рРНК. 19. Раскройте роль белков рибосомы.

ГЛАВА 5

БЕЛКИ

Белками называются высокомолекулярные соединения, в составе которых только α-L-аминокислоты и иминокислота — пролин, последовательно связанные между собой в полипептидную цепь согласно информации, хранящейся в гене, и имеющие функционально активную третичную или четвертичную структуру. Информация о природе аминокислот, последовательности их связывания в полипептидной цепи и количестве передается по следующей цепи: ДНК → преРНК → мРНК → полипептидная цепь →функциональный белок и реализуется в индивидуальном признаке организма.

В зеленой массе растений содержится 5…15% белков от сухой массы вещества, в зерне злаков — 8…18%, семенах масличных растений — 16…28%, зерне зернобобовых культур — 20…40%.

5.1. СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ

Последовательное соединение в полипептидную цепь α-L-аминокислот за счет пептидной связи, согласно генетической информации, хранящейся в структуре ДНК, называется первичной структурой белка. При этом пептидная связь по природе является ковалентной полярной связью, которая образована между углеродом одной аминокислоты и азотом другой, обеспечивая, таким образом, связывание двух аминокислотных остатков между собой и проявляя стабильность первичной структуры белка (R–NH CO–R′) (рис. 5.1, а). Причем из-за неравномерности распределения заряда вдоль полипептидной цепи она неустойчива в полярной среде, что приводит к ее закручиванию в α-спираль или к образованию складчатой структуры (параллельной и антипараллельной β-структур), стабилизированной за счет водородных связей (рис. 5.1, б). Такая конформация полипептидной цепи называется вторичной структурой белка.

77

б

2

NC

Рис. 5.1. Фрагменты первичной (а) и вторичной (б) структуры белка (α-спираль (1), параллельная (2) и антипараллельная (3) β-структуры)

78

5.1. Структуры белков

Наличие гидрофобных радикалов в составе аминокислот обусловливает дальнейшее сворачивание полипептидной цепи в устойчивую глобулярную структуру, которая стабилизирована в основном за счет слабых гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, ионных и водородных связей, а также несколькими ковалентными дисульфидными (–S–S–) связями, — третичная структура белка (рис. 5.2, а). При этом на поверхность отдельных белковых глобул могут выходить гидрофобные радикалы

Рис. 5.2. Третичная (а) и четвертичная (б) структуры белков и стабилизирующие их связи (в) (1 — ионная, 2 — водородная, 3 — дисульфидные и 4 — гидрофобные связи)

79

Глава 5. Белки

аминокислотных остатков, которые способны сформировать из двух и более субъединиц (мономерных полипептидных цепей, имеющих третичную структуру) единое структурное образование, обладающее функциональной активностью и стабилизированное за счет слабых нековалентных связей, которое называется четвертичной структурой белка (рис. 5.2, б).

5.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ

Белки способны набухать, поглощая воду; они обладают оптической активностью, могут проявлять движение под действием электрического поля, поглощают УФ излучение при 280 нм. Растворимость белков определяется природой тех групп, которые располагаются на поверхности белковой глобулы (рис. 5.3). Растворимость белков в воде возрастает при добавлении небольших концентраций солей Na2SO4, MgSO4, NaCl и др. Эти соли в малых концентрациях увеличивают степень диссоциации ионизированных групп белка, что создает условия для экранирования заряженных групп белковых молекул, уменьшая, таким образом, белокбелковые взаимодействия; высокие концентрации солей способствуют осаждению белков из водных растворов.

Рис. 5.3. Схема укладки полипептидной цепи в триозофосфатизомеразе: вид сбоку (а) и сверху (б) (по Овчинникову, 1987)

Растворимость белков зависит от рН растворителя, его состава и температуры среды. В присутствии органических растворителей (ацетон, хлороформ, этилацетат и др.) понижается растворимость белков, и они выпадают в осадок. Понижение температуры среды также способствует осаждению белков, причем чем ниже температура среды, тем больше белков будет в осадке.

80

5.2. Физические свойства белков

Имея на поверхности белковой молекулы заряженные аминокислотные остатки, белки могут приобретать положительный или отрицательный заряд, а также иметь нулевой заряд. Это наблюдается в случае равенства положительно и отрицательно заряженных групп, расположенных на поверхности белковой глобулы. Такое состояние определяется величиной рI и зависит от рН среды.

Так, например, если рI белка равна 4,5, то при рН > 4,5 белок будет иметь отрицательный заряд, а при рН < 4,5 — положительный. В случае, если рI белка равна 8,5, то при рН > 8,5 белок приобретает отрицательный заряд, а при рН < 8,5 — положительный:

Таким образом, суммарный заряд белковой молекулы при рН < рI положительный, а при рН >рI — отрицательный. В изоэлектрической точке суммарный заряд белков равен нулю. При этом они утрачивают способность к перемещению в электрическом поле. В изоэлектрической точке белки малоустойчивы в растворе и легко выпадают в осадок, что обычно обусловлено перераспределением зарядов на поверхности белка, приводящих к изменению его пространственной структуры.

Диссоциирующие на поверхности белковой глобулы функциональные группы способны связывать различные ионы металлов, что обусловливает избирательное их поведение в среде. Так, например, ионы кальция способствуют формированию ассоциированных ансамблей белков в молоке, образующих устойчивые белковые мицеллы, основу структуры которых составляют казеины, являющиеся белками молока.

5.2.1. Денатурация белков

Процесс денатурации представляет собой внутримолекулярное изменение пространственного расположения по отношению друг к другу отдельных пептидных фрагментов в белковой макромолекуле без разрыва ковалентных связей, в результате действия химических или физических факторов (ионы тяжелых металлов, органические растворители, кислоты, щелочи, температура, ионизирующее излучение и др.) приводящих

81

Глава 5. Белки

к изменению их физико-химических свойств и к утрате функциональной активности. Так, например, белки под действием высокой температуры (50…60 °С) и кислотности среды (4,0 > рН > 10,0) начинают изменять свою пространственную структуру, что приводит к нарушению их нативной (природной) конформации, обусловленной подвижностью фрагментов полипептидной цепи или изменением заряда аминокислотных остатков. При этом разворачивание глобулы белка делает доступными для воды гидрофобные остатки аминокислот, которые в нативном состоянии формировали преимущественно ядро белка; взаимодействие их радикалов может приводить к образованию крупных ассоциатов денатурированных белков, о чем свидетельствует степень помутнения раствора или образование осадков. При проведении центрифугирования или длительном отстаивании растворов денатурированных белков, в особенности при низких температурах (0…+4 °С), агрегированные полипептидные цепочки белков оседают на дно сосуда.

5.2.2. Формы белков

Различают несколько форм белков: нативная, денатурированная, модифицированная и рекомбинантная. Нативной, или природной, формой считается белок, синтезированный в клетке живого организма и обладающий функциональной активностью или способный ее приобрести в случае необходимости.

Денатурированной формой обладает белок, подвергшийся физическому воздействию (высокие и низкие температуры, УФ облучение и др.), в результате которого он частично или полностью утратил функциональную активность, вследствие изменения конформации нативной структуры или расположения аминокислотных остатков, входящих в состав активного центра фермента.

Модифицированная форма может образовываться вследствие химического воздействия на нативный белок, которое сопровождается изменением структуры и природы аминокислотных остатков полипептидной цепи, модификацией функциональных групп активного центра фермента. Модифицирующей способностью обладают свободные радикалы, а также альдегиды, реагирующие с NH2-группами аминокислотных остатков

собразованием основания Шиффа.

Вэндоплазматическом ретикулуме происходит посттрансляционная модификация белков. Процесс необходим белкам для приобретения функционально активной структуры. Белки подвергаются процессу фосфорилирования, ацетилирования, гликозилирования, сульфатирования, полимеризации. Кроме того, поверхностные SH-группы белков окисляются кислородом и другими окислителями с образованием дисульфидных

82