Клетка. Химический состав.

Вода, неорганические молекулы и мелкие органические молекулы (сахара, витамины и жирные кислоты) составляют 75-80% веса живой материи. Остальная часть приходится на макромолекулы (в том числе белки, ДНК и полисахариды).

Принципиальные различия между макромолекулами и основной частью мелких молекул. Крупные молекулы только синтезируются, а мелкие могут импортироваться, хотя многие мелкие органические молекулы тоже синтезируются.

Типы мелких молекул: строительный материал, источник энергии; регуляторные молекулы (гормоны).

Углеводы и липиды.

Макромолекулы. Эволюция макромолекул – эволюция жизни. Макромолекулы являются полимерами и образованы из мономеров посредством повторения однотипной реакции присоединения.

ДНК привлекает больше внимания широкой публики, нежели белки. Трехмерная модель строения ДНК была предложена James D. Watson and Francis H. C. Crick около 50 лет назад. Двойная спираль. По последним данным она не жесткая, а общепринятая модель представляет собой среднее состояние.

Каждая нить ДНК составлена лишь из 4-х нуклеотидов. ДНК – носитель и хранитель генетической информации, которую считывают белковые машины и используют для нужд клетки.

РНК. Центральная догма биологии – закодированная информация транскрибируется на информационной (матричной) (и/м)-РНК. Каждая молекула м-РНК несет информацию для синтеза одного белка. В последние годы накапливается все больше данных о том, что РНК является эволюционно более древней, и именно на РНК хранилась первая генетическая информация, а уже позднее эта функция перешла к ДНК.

Гипотеза РНК-мира, как предшественника современной жизни.

«Критическая» тройка типов макромолекул, - ДНК, РНК и белки. Механизмы считывания генетической информации и синтеза белка достаточно ясны в настоящее время. Предмет современных исследований – регуляция процесса, передача информации о том, какой именно белок нужен клетке и т.п.

Белки.

Содержание в клетке. Можно оценить количество молекул в средней клетке. Гепатоцит: примем за куб со стороной 15 мкм, тогда объем = 3,4 х 10^9 куб.см. Считаем плотность клетки = 1,03 г/мл. Тогда вес клетки = 3.5 × 10⁻⁹ г. Поскольку белки составляют около 20% веса клетки, общий вес белков одной клетки = 7 × 10⁻¹⁰ г.

В среднем белковая молекула дрожжей весит 52 700 г/моль. Считая, что эта величина типична для эукариотической клетки, число молекул белка в гепатоците = около 7,9 × 10⁹ , исходя из общего веса белков в клетке и числа Авогадро. Гепатоцит содержит около 10 000 разных белков, - получается, что каждого белка около 1 000 000 молекул на клетку. На самом деле, число молекул очень варьирует – от редких рецепторов (например, рецептор инсулина 20 000 молекул), до обильного структурного белка актина (5 × 10⁸ молекул).

Белки обеспечивают выполнение генетической программы клеток, которая требует координации деятельности огромного числа различных белков. Специфичность и скорость реакций, катализируемых белками. Разнообразие функций современных белков можно проиллюстрировать на примере клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Геном дрожжей кодирует около 6225 белков. Установлено, что 17% их вовлечено в метаболизм, 30% обеспечивают организацию клетки и биогенез органоидов, 10% участвуют в мембранном транспорте.

Белки отличаются разнообразием формы и размеров. Основные типы белков. Ферменты. Формообразующие (скелетные) белки. Белки, обеспечивающие подвижность клетки. Транспортные белки. Белки могут связывать все возможные типы молекул – от простых ионов до крупных сложных молекул. Белки катализируют невообразимое число реакций. Белки работают в качестве сенсоров и регуляторов, контролируют транспорт и функции генов.

Белки – линейные полимеры. Аминокислоты. Всего 20 АК - свидетельство совершенства жизни. Уникальность строения каждого белка обеспечивается нековалентными взаимодействиями между участками линейной цепи. Конформация = трехмерная структура. Пространственная организация белков, их пространственная структура – то, что обеспечивает все разнообразие функций.

Принципиально понять: функция белка определяется его трехмерной структурой, которая, в свою очередь, определяется последовательностью аминокислот.

Классификация АК на основе их растворимости. Важна для понимания формирования пространственной структуры. Полярные АК «стремятся» находится на поверхности белка, взаимодействуя с водой, они делают белок растворимым. Неполярные группы агрегируют и формируют водо-нерастворимые участки. Т.о., полярность АК играет важную роль в формировании пространственной структуры белка.

Гидрофильные (водорастворимые) аминокислоты имеют ионизированные или полярные участки. Аргинин и лизин положительно заряжены при нейтральных рН, а аспарагиновая и глутаминовая кислоты - негативно. Гистидин имеет имидазольную группу, которая легко меняет заряд при малейших колебаниях рН. Это обеспечивает модулирование активности многих белков за счет изменения рН. Серин и треонин неполярные, но они имеют полярные гидроксильные группы, которые также участвуют в связывании протонов и изменении электрического заряда.

Гидрофобные АК имеют алифатические группы, которые нерастворимы, или очень слабо растворимы в воде.

В природе существует только один тип химической связи для формирования линейной белковой цепи. Пептидная связь образуется путем реакции конденсации между аминогруппой одной АК, и карбоксигруппой другой АК. Повторяющиеся атомы: амидный азот, C_α, и карбонильный углерод формируют скелет белковой молекулы, от которого в разные стороны отходят разные группы. С одной стороны пептидной цепи находится аминогруппа (N-конец), с другой – карбоксигруппа (C-конец). Скелет белковой цепи полярный, поскольку все аминогруппы лежат по одну сторону, это обеспечивается наличием C_α атома.

Периодичность альфа-спирали – 3,6 АК на виток. Гидрофильные или гидрофобные свойства спирали определяются боковыми группами. Во многих спиралях гидрофильные и гидрофобные группы располагаются с разных сторон – амфифатические спирали.

Пептиды – 20-30 АК. Более длинные – полипептиды. Белок – полипептид, или комплекс полипептидов, имеющий третичную структуру.

Размеры белков характеризуют их массой, измеряемой в дальтонах, или килодальтонах.

В общем виде структуру белков характеризуют в терминах четырех уровней организации.

Первичная структура – последовательность АК.

Вторичная структура – обусловленная водородными связями АК в пределах одной пептидной цепи. Если нет никаких связей, формируется неупорядоченная спиральная структура. При наличии водородных связей образуется или α спираль, или β слой. В среднем около 60% белков существуют в этих двух конформациях, остальные – в виде неупорядоченных спиралей и изогнутых цепей в виде U.

β слой формируется латерально упакованными нитями и обеспечивает образование плоскостей и карманов в белках.

Третичная структура. Определяется гидрофобными взаимодействиями между неполярными группами и дисульфидными мостиками. Образуется компактная структура. Третичная структура является наивысшим уровнем организации для мономерных белков, состоящих из одной цепи.

Особое место в формировании пространственной структуры белков занимают цистеин, глицин и пролин, которые содержат сульфгидрильные группы (-SH), которые при окислении формируют дисульфидные мостики (-S-S-). Эти мостики связывают между собой участки белковой цепи. Дисульфидные мостики очень распространены во внеклеточных белках, для которых особенно важно поддерживать пространственную организацию.

Мультимерные белки состоят из двух, или более цепей, или субъединиц, соединенных нековалентными связями. Четвертичная структура.

Макромолекулярные ансамбли. Пучки актиновых филаментов, поровые комплексы, вирусные капсиды. Протеасомы.

Многие белки содержат мотивы – специфические участки с определенной вторичной структурой. Например, coiled-coil – спиральная спираль (суперспираль) – спирали скручены в еще одну. Спираль-петля-спираль – мотив, связывающий ионы Ca²⁺ (helix-loop-helix). Другой распространенный мотив - zinc finger («цинковый» палец), образованный тремя вторичными структурами. Этот пептид с α –спиралью и двумя β слоями – образует пальцеобразный вырост, удерживающий атом цинка. Этот мотив распространен в белках, связывающихся с ДНК и РНК.

На уровне третичной структуры в белках выделяют домены – участки с определенной структурой – глобулярной или фибриллярной. Домены представляют собой компактно уложенные участки полипептидов. В крупных белках домены могут быть определены с помощью рентгеновской кристаллографии, иногда – с помощью ЭМ. Обычно домены состоят из 100- 200 АК, формирующих в различных комбинациях α спирали, β слои, вилки и неупорядоченные спирали. Часто домены характеризуют по их функциям – киназный домен, ДНК-связывающий домен. На практике охарактеризовать домен функционально проще, чем установить его третичную структуру.