Первинна структура

Макромолекули білків і нук­леїно­вих кислот характери­зують­ся чітко відповідною по­слі­дов­ністю мономерів, а саме: в білках – послідовністю аміно­кислотних залишків в поліпептидному ланцюгу, в нуклеїно­вих кислотах – послідовністю окремих нуклеотидів в полі­нук­ле­отидному ланцюгу. Окремі ділянки цих ланцю­гів, тоб­то поруч розташовані амінокислоти та нуклеотиди, зв’язані між собою дуже сильними хімічними, або кова­лентни­ми, зв’язками, величина яких може досягати 800 кДж / моль. До речі, середня теплова енергія одноатомних молекул при кімнатній температурі (Т» 300 к) має величи­ну

U_тепл. = 3/2 kТ × N_A = 3/2 RT» 3.7 кДж / моль,

що майже в 220 разів менше, ніж вказана вище енергія зв’язку мономерів в білках та нуклеїнових кислотах.

Послідовність мономерів (амінокислот в поліпептид­ному ланцюгу білків та нуклеотидів в полінуклеотидному ланцюгу нуклеїнових кислот) визначає первинну структуру макромолекул. Саме з’ясування первинної структури гене­тич­них макромолекул людини і є головною метою згаданої вище програми “Геном людини”, що здавалася фантастич­ним проектом ще 10 років тому і яка стала дійсністю в 2000 році. І зараз вже здаються фантастичними медичні наслідки цієї програми, які можуть стати реальністю через 5–10 років.

Розглянемо більш детально первинну структуру біл­ків, що визначається послідовністю амінокислот. Аміно­кислоти мають дві частини: 1) однакову для всіх амінокислот пептидну групу, 2) бокову групу (БГ), від якої залежить специфіка амінокислоти. Всього таких різних бокових груп (і, відповідно, амінокислот) може бути 20. Кожний пептидний блок поліпептидного ланцюга складається з ковалентно зв’язаних атомів -СО-NH- (див. мал. 6.7). До альфа-вуглецевого атому С _a приєднується бокова група також за допомогою ковалентного зв’язку. Різні пептидні блоки із своєю боковою групою з’єднуються в поліпептид­ний ланцюг внаслідок ковалентного зв’язку між атомом вуглецю С одного пептидного блоку та атомом азота N другого пептидного блоку.

Мал. 6.7. Схема будови поліпептидного ланцюга білкової молекули.

Двадцять амінокислот, що відрізняються своїми боко­вими групами (амінокислотними залишками), об’єдну­ють­ся в 3 класи у відповідності до їх фізичних властивостей, які визначаються характером притаманних їм взаємодій. Ця специфіка амінокислот визначає їх просторову структур­ру, а саме вторинну, третинну і четвертинну структуру білків.

До першого класу віднесемо 5 заряджених амінокислот­них залишків: а) додатно заряджені (аргинін, гістидин, лізин); б) від’ємно заряджені (аспарагінова кислота, глута­мі­нова кислота). В табл. 6.6 наведені структурні формули цих заряджених амінокислотних залишків, що через альфа-вуглецевий атом С _a (чорне коло) приєднується до пептидної частини амінокислоти. Амінокислотні залишк­и першого класу здатні на кулонівські (іон-іонні) та інші електро­статичні взаємодії (іон-дипольні, іон-квадрупольні тощо).

До другого класу відносяться 7 полярних амінокислот­них залишків, тобто таких, що є в цілому електронейтраль­ними, але мають дипольний момент через просторове рознесення додатного і від’ємного сумарних зарядів (табл. 6.7). Ці амінокислотні залишки забезпечують диполь-диполь­ну взаємодію різних типів.

І, нарешті, найбільший, третій клас складається з 8 неполярних амінокислотних залишків (табл. 6.8). Для них є характерними ефекти гідрофобної взаємодії.

Первинна структура нуклеїнових кислот визначаєть­ся послідовністю мономерів (нуклеотидів) в полінуклеїдно­му ланцюгу. Кожний нуклеотид складається з фосфата і сахара, які зв’язані сильними ковалентними силами і тим самим визначають міцність ланцюга, а також азотних основ 2 типів – пуринових (аденін А і гуанін Г) та піримідинових (тимін Т, цитозин Ц і урацил У).

Таблиця 6.6. Заряджені амінокислотні залишки

Аміно­кис­лот­ний залишок

Знак заряду

Структурна формула

Аргінін

додатний

· ¾ С ¾ С ¾ С ¾ N ¾ C = NH2

|| H2

|| H2

|| H2

| H

| NH2

Гістидин

додатний

H2 ||

H |

● — C — C — N

||

\\

HC

C

\

/

NH

Лізин

додатний

· ¾ С ¾ С ¾ С ¾ C ¾ NH3

|| H2

|| H2

|| H2

|| H2

Аспарагінова кислота

від’ємний

O ||

● — C — C

||

|

H2

O

Глутамінова кислота

від’ємний

O ||

● — C — C — C

||

||

|

H2

H2

O

Таблиця 6.7. Полярні амінокислотні залишки

Амінокислотний залишок

Структурна формула

Гліцин

· (a - вуглецевий атом Сa)

Серин

· ¾ С ¾ OH

|| H2

Цистеїн

· ¾ С ¾ SH

|| H2

Треонін

· ¾ С ¾ OH

|| CH3

Аспаргин

O ||

● — C — C

||

|

H2

NH2

Глутамін

O ||

● — C — C — C

||

||

|

H2

H2

NH2

Тирозин

● — C —

— CH

||

H2

 

Таблиця 6.8. Неполярні амінокислотні залишки

Амінокислотний залишок

Структурна формула

Аланін

· — С­Н3

Валін

CH3 |

● — C = H2

|

CH3

Ізолейцин

H |

● — C — C — CH3

||

||

CH3

H2

Лейцин

CH3 |

● — C — C — CH3

||

||

H2

H2

Метіонін

· ¾ С ¾ C ¾ S ¾ CH3

|| H2

|| H2

Пролін

● — C = H2

|

|

N

CH2

\

/

C = H2

Триптофан

● — C — C —

||

||

|

H2

HC

H

\

/

N

Фенілаланін

● — C —

||

H2

 

Видатним досягненням молекулярної біології, яка розвилася в потужну науку в другій половині ХХ століття і буде, безумовно, визначати обличчя передової науки в ХХІ столітті, є відкриття та розшифровка генетичної ролі дезоксирибонуклеїнової (ДНК) і рибонуклеїнової (РНК) кислот. Ця роль, якщо казати дуже коротко, зводиться до наступних процесів:

1) транскрипція – процес, внаслідок якого інформація, що записана в ДНК, переписується в РНК і передається до рибосомів,

2) трансляція – процес синтезу білків у відповідності до інформації, що записана в матричній РНК;

3) білково-нуклеїнове розпізнавання – процес, внаслі­док якого вільні амінокислоти приєднуються за допомогою транспортної РНК, яка їх впізнає, до поліпептидного білкового ланцюга.