Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

нии показало, что основное взаимодействие происходит только с одной стороны двойной спирали ДНК и осуществляется через группы оснований, выходящих в большую бороздку. Эти представления в совокупности с данными рентгеноструктуриого анализа ДНК-связывающего N-концевого домена cl-penpeccopa фага к и сго-белка, которые удалось получить в кристаллическом состоянии, легли в основу построения моделей комплексов репрессоров с операторами.

Полученная для cl репрессора модель представлена на рисунках 221 и 222. Согласно компьютерному анализу реиттеиоструктурных данных, существует единственное удовлетворительное сочетание репрессора с оператором. Две субъединицы белка симметрично расположены с Одной стороны двойной спирали ДНК, и лишь два контакта наблюдаются с противоположной стороны. N-Концевые гибкие участки репрессора как бы «обнимают» спираль ДНК, а две а спирали (2 и 3) оказываются в большой бороздке и взаимодействуют с ДНК своими боковыми группами (рис. 222).

Аналогичное расположение двух а-спиралей в большой бороздке ДНК реализуется, по видимому, и в случае его белка.

Анализ первичных структур многих репрессоров показывает, что во всех известных случаях определенные аминокислотные остатки консервативны и соответствующие участки полипептидных цепей могут образовывать две а-спирали, подобно спиралям 2 и 3 cl-penpeccopa. Возможно, зто общий способ специфического азаи-модейстаия регуляторных белков с ДНК. Окончательные выводы о структуре комплексов могут быть сделаны только после рентгеноструктуриого анализа.

399

Нуклеопротеиды

Рис. 222. Предполагаемая структура ком-плекса оператора с tl-репрессором. (Спиральные участки репрессора изображены цилиндрами.

Иукл(

Мирзлбенов Андрей Дарьевнч

(р. 1937), советский биохимик, академик АН СССР (1987). Окончил Московский институт тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова (1962); с 1962 г. работает в Институте молекулярной биологии АН СССР, с 1984 г.— директор института. Основные работы — по изучению структур нуклеиновых кислот и муклео-протеидов и механизма их функционирования. Установил последовательность расположения гистонов вдоль ДНК в нуклеосомах. Лауреат Государственной премии СССР (1969)

Предварительные данные имеются и о структуре комплексов РНК-полимеразы с промоторами —участками ДНК, в которых начинается транскрипция (см. с. 413). Конечным результатом взаимодействия полного фермента с промотором является образование очень прочного комплекса, который и осуществляет инициацию синтеза РНК.

Хроматин. Нуклеосомы. Основной генетический материал в клетках эукариот сосредоточен в хромосомах клеточного ядра, где происходят процессы репликации и транскрипции. В промежутках между делениями клеток хромосомы вытянуты в длинные тонкие нити, в процессе деления они становятся короче и толще. В компактном состоянии ДНК длиной до нескольких сантиметров упаковывается в хромосомы, длина которых измеряется микрометрами. Хромосомы состоят из нуклеопротеида, называемого хроматином. Основными компонентами 'хроматина являются ДНК, гистоны и иегнстоновые белки. Гистоны представляют собой небольшие белки осноаного характера, отличающиеся высокой степенью эволюционной консервативности По соотношению остатков основных аминокислот (Lys/Arg) гистоны разделяют на 5 классов: HI, Н2А, Н2В, НЗ Н4 Наиболее консерватнаны аргининбогатые гистоны НЗ н Н4, в остальных вариации а последовательности аминокислот в зависимости от источника более значительны. Негистоноаые белки — это

Рис. 223. Структура хроматина и строение нуклеосомы.

РНН-пол име раза

общее название всех других белков хроматина разной природы, 401 различных свойств и функций. ДНК в составе хроматина предположительно находится а В-форме. хотя имеются данные, что в от- Нуклеопротеиды дельных участках хроматина существует Z-форма ДНК. На ДНК приходится около половины массы хромосом, вторую половину их составляют белки.

Знание статических и динамических свойств хроматина необходимо для понимания механизмов репликации и транскрипции. В изучении структуры хроматина за последнее время был достигнут значительный прогресс. В 1974 г. было показано (Р. Корн-берг), что хроматин состоит из дискретных частиц — нуклеосом. соединенных «перемычками» — участками свободной ДНК. Непрерывный дуплекс ДНК переходит из одной частицы а другую, образуя структуру, напоминающую нитку бус. Мономерные нук-лео омы можно получить мягкой обработкой хроматина микрококковой нуклевзой. Нуклеосома представляет собой компактную нуклеопротеидиую частицу, состоящую из нуклеосомного ядра, линкерной ДНК и связанной с ней одной молекулы гистона HI (рис. 223). Размер участке ДНК, приходящегося на одну нуклео-сому, около 200 п. о. в пределах одного источника является величиной постоянной. При более глубоком нуклеазном гидролизе линкерная ДНК отщепляется, что приводит к потере гистона HI,

Белни малой (Small) субчастицы (SI S21) л 1541

• • •

Белки большой { Large) субчастицы

  • Т=12° 5 S РНК

    ___„.

    Рис. 224. Схематическое (.троение рибосом Е. coli (н - число нуклеотидных остатков в молекуле РНК).

    при этом остается нуклеосомное ядро. В нуклеосомном ядре, имеющем форму диска диаметром 11 нм и высотой около 6 нм (А. Клуг, Дж. Финч), двойная спираль ДНК (140—150 п. о.) лежит на поверхности и накручена на октамер гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4, каждый из которых представлен двумя копиями.

    В исследованиях взаимодействия гистонов с ДНК а соствве хроматине значительная роль принадлежит А. Д. Мирзабекоау, Г. П. Георгиеву и др.

    В клеточном ядре хроматин уложен очень плотно. Наивысшая степень компактизации хроматина наблюдается в хромосомах на стадии митоза.

    Рибосомы. Во всех организмах реализация генетической информации, заключенной в нуклеиновых кислотах, в конкретные

    402

    Нуклеиновые кислоты

    белковые структуры происходит на клеточных органеллах—рибосомах. Прокариотические клетки содержат рибосомы с константой седиментации 70S (S — единица Сведберга) —70S рибосомы, цитоплазма клеток эукариот—80S рибосомы. Рибосомы хлоропла-стоа и митохондрий близки по размерам прокариотическим. Все рибосомы состоят из даух неравных субъединиц: 80S рибосомы из 60S и 40S, 70S — из 50S и 30S субъединиц. Рибосома является рибонуклеопротеидом и состоит из РНК и белков. Нвиболее полно изучены 70S рибосомы Е. coli. Их схематическое строение представлено на рисунке 224.

    Малвя 30S субчастица рибосом Е. coli состоит из одной молекулы РНК (16S РНК) и 21 молекулы рибосомных белков. В состаа 50S субчастицы входят 2 молекулы РНК —23S и 5S РНК и 33 белка.

    В настоящее время установлены первичные структуры всех компонентов рибосом Е. соп. Оказалось, что белки L7 и L12 имеют идентичные аминокислотные последовательности и отличаются

    Рис. 225. Локачииция на поверхности 30S субчастиц рибосом Е. coli З'-конца I6S РНК с помощью иммунной электронной микроскопии: а — фотография диме-ра 30S субчастиц, полученная с помощью электронной микроскопии. Видна бивалентная молекула иммуноглобулина G IgG) связывающая две 30S субчастицы в точках расположения З'-концов их I6S РНК, модифицированных гапте-ном. к которому и были получены специфические антитела; б — перенесение информации на пространственную модель 30S субчастицы.

    3 - конец 16S РНН

    Рис. 226. Пространственная модель 30S субчастицы рибосом в различных проекциях, построенная по данным электронной микроскопии. Цифры в кружках — положение соответствующих белков, 3M6S и 5'-l6S — положение 3'- и 5'-концов I6S РНК; m G и mjA,„ — локализация остатков 7-метилгуанина и двух 6 диметиладеннн в Рт — локализация места связывания антибиотика пуроми-цина (внизу).

    только ацетилироваиием N-концевой аминокислоты у L7. В отли- 403

    чие от других рибосом ных белков, эти белки представлены каждый -

    двумя копиями и в структуре 50S субчастицы образуют тетрамер Нуклеопротеиды L7/L12. Кроме того, идентичными оказались белки S20 и L26, так что число индивидуальных белковых компонентов в рибосоме меньше, чем сумма белков обеих субчастиц. Таким образом, 70S рибосома Е. coli состоит из 3 молекул РНК (I6S, 23S и 5S) и 53 различных белков. За исключением некоторых (SI, S2, S6, L7/L12), рибосомиые белки имеют основной характер.

    Рибосомы эукариот 80S устроены аналогичным образом, однако количество белков в субъединицах больше, РНК длиннее (I8S и 28S), а большая субчастица содержит не одну (5S), а две молекулы малых рибосомных РНК —5S и 5,8S.

    Рибосома является нуклеопротеидом, способным к самосборке in vitro (М. Номура). Схемы (карты) последствательного присоединения рибосомных компонентов, приводящего к реконструкции

    Рис. 227. Пространственная модель 50S субчастицы рибосом Е. coli, представленная в различных проекциях (вверху). Расположение на поверхности 50S субчастиц структурных и функциональных центров (внизу). Обо шаченин: цифры в кружках — расположение соответствующих L-белков, 3'-5S и 3'-23S локализация .3 концов рибосомных 5S и 23S РНК, Рт и EF-C — локализация мест связывания пуромици а и фактора элошацин С соответственно.

    актианых субчастиц, хорошо известны. Возможность осуществления сборки с неполным набором компонентов, с заменой одного или нескольких из них на мутантные, химически модифицированные или гомологичные компоненты из другого организма, дает удобный метод структурно-функционального изучения рибосом.

    В исследовании пространственной организации рибосом наибольшую роль сыграли методы электронной микроскопии, рассеяния нейтронов и химические методы ковалентного связывания компонентов друг с другом.

    Особенно аажная роль принадлежит электронной микроскопии а исследовании комплексов рибосом с антителами к индивидуальным рибосомным белкам или отдельным участкам рРНК, модифицированным низко молекулярными химическими агентами (гаптена ми) или несущим природную модификацию (6,6-диметиладенин, 7-метилгуанин). Этот подход называется иммунной электронной

    404 микроскопией. Его аозможности проиллюстрированы на рисун-- ке 225. где представлена фотография димера 30S субчастицы рибонуклеиновые кислоты сом, в котором З'-концы 16S РНК, модифицированные гаптеном,

    соединены молекулой специфичного к гаптену иммуноглобулина С. Совокупность данных, полученных с помощью такого подхода, привела к созданию моделей субчастиц рибосом Е. coli с относительным расположением важных структурных и функциональных центров на их поверхности (рис. 226—228). В этой области существенный вклад внесен тремя группами исследователей: М. Номура (США), X. Г. Витман (ФРГ), А. С. Спирин (СССР).

    Вирусы и другие нуклеопротеиды. Приае енные примеры далеко не исчерпывают список известных нуклеопротеидных структур. Существует целый мир бактериальных, растительных и животных вирусоа, а котором обнаружено поразительное многообразие вирусных частиц (вирионов) как по строению и составу, так и по способам хранения и век: про из веде ни я генетической информации. В отличие от клеток, где хранителем наследственности всегда является двуспиральная ДНК, а РНК служит только для переноса и реализации генетической информации, вирусы в качестве генетического материала используют как ДНК (ДНК-содержащие вирусы), так и РНК (РНК-содержащие вирусы). Геномная ДНК может быть одно-цепочечной или двуспиральной. кольцевой или линейной. РНК-со-держащие вирусы также чрезвычайно разнообразны: они могут содержать одно цепочечную или дауспиральную РНК, их геном может быть представлен одной или сразу несколькими молекулами РНК, упакованными в одну капсиду

    В состав вирионов входят самые разнообразные белки — от белкоа, выполняющих чисто структурные функции, до сложных ферментов, необходимых аирусу для взаимодействия с клеткой-хозяином или для воспроизведения.

    Из других нуклеопротеидных комплексов следует упомянуть информосомы (комплексы мРНК со специфическими белками в клетках эукариот), в изучение которых основной вклад внесен советскими исследователями (А. С. Спирин, Г. П. Георгиев, Л. П. Овчинников), и комплексы аминоацил-тРНК-синтетаз с тРНК, исследованиям структуры которых уделяется большое внимание

    Рис. 228. Относительное расположение большой и малой субчастнц рибосом Е. coli по данным электронной и иммунной электронной микроскопии.

    как в зарубежных лабораториях (Ж.-П. Эбель), так и а СССР (Д. Г. Кнорре, Л. Л. Киселеа).

    Изучение структуры этих и других нуклеопротеидов является необходимым звеном в решении общей проблемы азаимодействия нуклеиновых кислот и белков в живой клетке—взаимодействия, обеспечивающего этапы воспроизведения и реализации ее наследственной информации.

    Проблемы нуклеиново-белкового узнавания

    Все компоненты нуклеопротеилных комплексов синтезируются отдельно и затем собираются в функционирующую структуру. Для того чтобы сборка произошла и прошла правильно, они должны «узнать» друг друга и по учить программу сборки Узнавание нуклеиновой кислоты белком представляет собой процесс, каждая стадия которого осуществляется за счет нуклеиново-белковых взаимодействий.

    Взаимодействия в процессе узнавания могут быть специфическими и неспецифическими. Под специфическим нуклеиноао-бел-ковым взаимодействием подразумевается кооперативное взаимодействие определенных групп белка и нуклеиновой кислоты, возникающее за счет характерного /ия данного бетка и данной нуклеи новой кислоты пространственного расположения этих групп. Примеры специфических взаимодействий: репрессоры и операторы, РНК-полимераза и промоторы.

    Неспецифические взаимодействия значительно более однородны и обусловливаются только электростатическими или гидрофобными связями. Например, РНК-полимераза образует неспецифические комплексы с любыми полианионами — гепарином, полиинозиновой кислотой, одноцепочечнон и даухцепочечной ДНК.

    Проблема узнавания значительно более сложна, чем определение структуры уже существующего нуклеопротеида. Например, имеются последовательности ДНК, которые посредством специфических взаимодействий с белками осуществляют регуляцию функционирования ДНК. К таким функционально значимым участкам ДНК относятся промоторы, операторы, терминаторы, участки начала репликации и многие другие последовательности. Эти последовательности должны быть узнаны белком, выполняющим регуляторную функцию, т. е. они должны отличаться от всех других последовательностей генома. Если однотипных участков в данном геноме не один, а несколько, как в случае промоторов, то они должны нести и одинаковые элементы последовательности. Задаче поискоа регуляторных последовательностей очень сложна даже в случае сравнительно простых геномов, таких, как геном Е. coli. Так, репрессор лактозного оперона узнает в ДНК Е. coli только одну последовательность lac-оператора и тем самым отличвет ее от 10' других последовательностей.

    Накопление экспериментальных данных по нуклеиново-белко-вому узнаванию позволяет постепенно подходить к выяснению существующих закономерностей. В частности, аыдвинутв доствточ-но обоснованная концепция, что любой полипептид способен специфически связываться с нуклеотидной цепью, комплементарной его матрице, или с кодируемым комплементарной цепью полипептидом (называемым антипептидом).

    405

  • страница 53
    < К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

    Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


    [каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

    п»ї
    Rambler's Top100 Химический каталог

    Copyright © 2009
    (23.10.2017)