зин; т5С—5-

7Л I .

метилцитидин; m G — 7-метилгуанозин; l-N-метиладенозин; ? —вайбугозин

? — псевдоуридин;

га'А —

структуры наиболее характерны для рибонуклеиновых кислот, поскольку ДНК преимущественно существует в виде комплекса, образованного двумя комплементарными, не связанными между собой ковалептпо полппуклеютидпыми цепями.

Вопрос о пространственной структуре одпоцопочечпых рибонуклеиновых кислот наиболее подробно изучен для транспортных рибонуклеиновых кислот (тРНК). Установление первичной структуры большого числа транспортных РНК показало, что все они построены таким образом, что у них имеется три пары комплементарных фрагментов, разделенных участками в несколько нуклеотидных Остатков, не имеющих партнеров для образования сколько-нибудь протяженных комплементарных участков. Кроме того, начало полипуклеотидпоп цепи (5 '-кон-Девая часть) комплементарно последовательности, непосредственно примыкающей к противоположному концу цепи, на котором находится универсальный для всех тРНК тринуклеотид рСрСрА. Это дапо основание приписать всем тРНК ¦вторичную структуру, получившую название клеверного листа (рис. 28). Концевые комплементарные фрагменты образуют стебель, получивший название акцепторного, ^к как он имеет уже упомянутый тринуклеотид, к которому и присоединяется специфичная для данной ? РНК аминокислота (см. § 5.0). Кроме того, в структуре Имеется три шпильки:

D-шпилька — в пей обычно располагается минорный нуклеозид дигидроури-

Лпи.

Рис. 29. Пространственная структура тРНКР е (структура Ричя)

антикодоновая шпилька — в ее петлевой части находится трипуклеотнд, называемый антикодоном, который в ходе биосинтеза белка па рибосомах непосредственно взаимодействует с кодоиом мРПК, подлежащей трансляции;

Т-шпилька — в ней в подавляющем большинстве тРНК находится метилированный в положении 5 остаток уридина, т.е. рибоаналог тимидипа.

Размеры каждого из стеблей и каждой из петель практически универсальны для всех тРНК независимо от того, каким аминокислотам они соответствуют и из каких биологических источников выделены, хотя известны и отдельные резко выпадающие исключения.

Рентгеноструктурный анализ (см. § 7.13), проведенный двумя группами ученых в США (Рич) и Англии (Клуг) для специфичной к фенилаланипу тРНК из дрожжей, полностью подтвердил существование этих шпилек и стеблей, но одновременно показал, что вследствие некоторых дополнительных взаимодействий они сложены в L-образную структуру (рис. 29).

Сходная пространственная структура была позднее найдена для некоторых других тРНК. Многочисленные данные указывают, что в общих чертах такая структура является универсальной для всех тРНК. Пока эти L-образные структуры являются единственными достоверно установленными третичными структурами нуклеиновых кислот.

Рис. 30. Схема взаимодействия гетероциклов Т- и D-шпилек, стабилизирующих третичную структуру тРНК:

а - гуанин 15-цитозин 48; б - гуанин 18-псевдоуридин 55-фосфат 58; в - гуанин 19-цитозин 56 (стрелки указывают направление вращения спирали)

Важнейшими среди взаимодействий, стабилизирующих третичную структуру тРНК, являются в первую очередь стекинг пар оснований в акцепторном и Т-стеблях и в антикодоновом и D-стеблях, в результате чего четыре коротких дву-спиральных фрагмента складываются в два более протяженных. Кроме того, имеется существенное взаимодействие между гетероциклами Т- и D-шпилек, а Именно между гуанином н положении 15 D-петли и цитозином 48 в основании Т-стебля, гуанином 18 D-пет.ш и урацилом псевдоуридииа 55 Т-петли, гуанином 19 D-петли и цитозином 56 ?-петли (рис. 30). Видно, что только последнее из перечисленных тпех паяимг)71?ч"1стпий янтгяртгя vrrrrnii-кпиковским. Для образования

третичной структуры этот тип взаимодействий между гстероцикламн никаких явных преимуществ по сравнению с другими мыслимыми взаимодействиями но имеет, так как не требуется образования периодической структуры остова.

3.5. САМООРГАНИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВКИПОЙ СГРУКТУРЫ БИОПОЛИМЕРОВ

Белки и нуклеиновые кислоты в живых организмах образуются путем после-, довательного наращивания полимерной цепи мономериыми звеньями, порядом присоединения которых определяется программирующими биосинтез нуклеинов выми кислотами. Однако последние сами по себе определяют лишь первичную! структуру создаваемого биополимера. Для того чтобы биополимер принял необходимую для его функционирования пространственную структуру (пативную структуру), необходимо, чтобы последняя была запрограммирована самой первичной структурой белка. Случайное образование даже термодинамически наиболее выгодной, т.е. наиболее стабильной пространственной структуры чрезвычайно маловероятно по соображениям, приведенным в начале этой главы. Должны существовать некоторые общие принципы ее формирования, или, как принято говорить, принципы самоорганизации макромолекул биополимеров. В значительной мере эти принципы основываются на наличии двух уровней пространственной организации — вторичной и третичной структур.

Самоорганизация белковых молекул начинается с формирования в благоприятных участках небольших фрагментов ?-спиралей, а возможно, и /З-складок. Такой процесс, требующий конформациоппой перестройки па небольшом участке полипептидной цепи, может пройти за малые доли секунды, причем на разных участках цепи такие ?-спиральные фрагменты могут образовываться практически независимо друг от друга. При этом достаточно образования фрагмента в 2-3 витка, чтобы существенно облегчить свертывание в спираль примыкающих участков цепи, поскольку их движение становится ограниченным, а геометрия — благоприятствующей их подключению к спиральной структуре, если природа их боковых радикалов этому не препятствует. Фактически образование короткой, зародышевой ?-спирали является лимитирующей стадией свертывания всего примыкающего участка в более протяженную спираль. Поэтому и в целом образование структурированных фрагментов цепи на всем ее протяжении происходит достаточно быстро.

После образования таких фрагментов для формирования нужной пространственной структуры необходимо, чтобы вошли в контакт те фрагменты, которые должны быть сближены в окончательном варианте. Но для этого теперь требуется не независимое и случайное перемещение всех звеньев молекулы, а только перемещение этих фрагментов как целого. Например, для такого достаточно сложного белка, как уже упоминавшаяся фосфоглицераткиназа, в перемещении участвуют всего лишь 22 структурированных фрагмента вместо более чем 400 аминокислотных остатков. При этом, как и в случае свертывания цепи в ?-спираль, всякое установление контакта между двумя такими фрагментами, отвечающее создаваемой конечной структуре, ограничивает степени свободы движения остальных и благоприятствует дальнейшему процессу структурирования. По-видимому, У достаточно сложных белков, состоящих из нескольких доменов, самоорганизация

[/ач/плгл плийид пппн f ??ттlit итапмлпнп ?? г,/......т........

Образование высокоорганизован- с-пешид ной макромолекулы, естественно, lalpqlsgagpgggle vqgvqld

сопровождается существенным Jj ' ' - ?

r, to g a

уменьшением энтропии системы. По s ?

мере повышения температуры поэто- q r

му неизбежно наступает момент, l _____________

когда нативная структура становится ^-gHveecctsicslyqlenycn р^"\

термодинамически неустойчивой. Ее j | | ? \

разрушение приводит к тому, что \ fvnqhlcgshlvealylvcgergff J

полипептидная цепь теряет упорядо- \ в-ц«п» /

ченную конформацию и превращает- ------------------'

ся В полимер с непрерывно изменяю- Рис. 31. Первичная структура проинсулина че-

щейся пространственной структурой, ловека. Стрелками показаны связи, гидролизу©--

„ „ мые при иыщеплении О-пептида при переходе

В химии высокомолекулярных сое- 1 1 v

J г проинсулина в инсулин

динений такие образования называют статистическим клубком. В биохимии превращение нативного белка в статистический клубок называют денатурацией белка. Денатурированный белок лишен всякой биологической активности и в биологических системах может в основном быть использован лишь как источник аминокислот, т.е. как продукт питания.

Обратное превращение деиатур про ваий ого белка в натпнюый возможно лишь в случае, когда нативная структура запрограммирована в первичной структуре. Впервые это было показано на примере уже упоминавшейся в § 2.1 панкреатической рибонуклеазы. Этот белок построен из одной полппептидноп цепи, в состав которой входит 8 остатков цистеина, образующих попарно четыре дпеульфидных мостика (см. рис. 5). Если с помощью восстановителя разрушить эти мостики, а затем в мягких условиях провести окисление, то в основном восстанавливаются ковалентные связи между теми же остатками цистеина, которые были в исходном нативном ферменте, причем восстанавливается и каталитическая активность фермента. Таким образом, оказывается резко предпочтительной одна из 105 различных комбинаций, в которых могут попарно объединяться остатки цистеина. Это означает, что при окислении в мягких условиях восстановленный белок имеет пространственную организацию, близкую к натпвпой. Следовательно, первичная структура рибонуклеазы уже в значительной мере предопределяет ее пространственную структуру.

Однако это не всегда возможно. Например, в молекуле ййсулипа имеется четыре остатка цистеина в ?-цепп и два — в 11-цепн. После восстановления и последующего реокисления получается сложная смесь продуктов с разными ком-, бинациями дисульфидных сшивок (всего этих комбинации возможно 15). Поэтому нативный инсулин в клетках поджелудочной железы образуется не из отдельных А-и В-цепей, а из единого полипептида, называемого проинсулииом (рис. 31), из которого, после того как он сформировал пространственную структуру и в нем замкнулись все необходимые дисульфидные мостики, подвергается обработке ферментами, вырезающими из него так называемый С-фрагмепт, превращая про-"Нсулин в две соединенные между собой цепи инсулина.

З.б. КОМПЛЕКСЫ БИОПОЛИМЕРОВ, МНОГОСУБЪЕДИНИЧНЫЕ БЕЛКИ

В боль