potranslacyjne.doc

STRUKTURA BIAŁEK I KWASÓW NUKLEINOWYCH

Białka i kwasy nukleinowe to najważniejsze klasy związków organicznych występujące na Ziemi. Pełnią one kluczowe rolę w życiu każdego organizmu żywego, a także wirusów. Informacje zawarte w tym rozdziale podręcznika dotyczą wyłącznie budowy chemicznej i strukturalnej.

·         KWASY NUKLEINOWE

o        Budowa kwasów nukleinowych

o        DNA

o        RNA

o        Właściwości fizyko-chemiczne kwasów nukleinowych

·         BIAŁKA

o        Budowa białek

o        Modyfikacje potranslacyjne

o        Właściwości białek

o        Podział białek

KWASY NUKLEINOWE

Kwasy nukleinowe jest to jedyna w swoim rodzaju klasa związków organicznych, które pomimo prostoty swej chemicznej budowy, miały tak ogromny wpływ na obraz dzisiejszego świata organizmów żywych. Stało się tak dzięki informacji genetycznej, której odczyt zawsze odbywa się kilkuetapowo na drodze DNAÛ RNAÞ białko i jest regulowany przez wiele czynników.

Budowa kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe występują w postaci jedno- lub dwuniciowych makrocząsteczek. Zarówno jedno- jak i dwuniciowe cząsteczki charakteryzują się wieloma wspólnymi cechami. Nić łańcucha polinukleotydowego to liniowy układ nukleozydów, połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestowymi pomiędzy 5' a 3' atomami węgla sąsiadujących reszt cukrowych.

W nukleotydach występuje preferencja do tworzenia wiązania N-glikozydowego typu anty.

Pojedynczy łańcuch polinukleotydowy składa się z rdzenia zbudowanego z reszt pentozofuranozowych połączonych "mostkami" fosfodiestrowymi oraz z zasad azotowychsterczących na boki od rdzenia.

Wokół wiązania fosfodiestrowego może zachodzić rotacja jednoniciowej cząsteczki. Poszczególne "cegiełki" łańcucha różnią się od siebie zasadami azotowymi (Adenina, Tymina, Uracyl, Guanina i Cytozyna). Ze względu na liniową budowę łańcucha kwasu nukleinowego można wyróżnić jego 5' i 3' koniec.

Silne oddziaływania z rozpuszczalnikiem (wodą) sprawiają, że pojedyncze łańcuchy kwasu polinukleinowego tworzą bardziej złożone struktury. Poszczególne stopnie komplikacji konfiguracji przestrzennej kwasów nukleinowych zostały określone mianem ich rzędowości.

1. Kolejność (sekwencja) ułożenia zasad azotowych w łańcuchu kwasu nukleinowego determinuje strukturę pierwszorzędową. Dalsze struktury (drugo- i trzeciorzędowe) określają kształt przestrzenny makrocząsteczki.

2. Struktura drugorzędowa

Najważniejszym czynnikiem stabilizującym strukturę drugorzędową jest komplementarność zasad, czyli ich zdolność łączenia się w pary. Pary zasad są to takie kompleksy, w których zasada purynowa z jednego łańcucha cząsteczki łączy się z pirymidynową, z drugiego łańcucha, za pośrednictwem wiązań wodorowych. Adenina łączy się z tyminą lub uracylem za pomocą dwóch wiązań wodorowych, guanina zaś z cytozyną za pomocą trzech. Odpowiadające wzajemnie zasady azotowe nazywa się komplementarnymi. W dwuniciowej cząsteczce pierścienie par zasad azotowych leżą zasadniczo w jednej płaszczyźnie.

Oddziaływania tego rodzaju są możliwe w przypadku, gdy pewien fragment nici polinukleotydowej ustawi się dostatecznie blisko, równolegle i co najważniejsze przeciwbieżnie do drugiego odcinka, a odpowiednie zasady azotowe będą miały naprzeciwko siebie swojego komplementarnego partnera. Struktura taka jest tym stabilniejsza (w danych warunkach środowiska) im więcej par zasad komplementuje (łączy się) ze sobą. Wiązania wodorowe są wiązaniami słabymi, lecz ich ilość na przestrzeni długiej makrocząsteczki powoduje, że oddziaływanie obu nici jest bardzo silne. Taka dwuniciowa cząsteczka przyjmuje szczególną konformację uwarunkowaną dodatkowymi oddziaływaniami z roztworem (środowiskiem). Obie nici są owinięte śrubowo wokół siebie tworząc strukturę helisy.

Pary zasad azotowych są hydrofobowe i znajdują się w środku heliksu, reszty cukrowe oraz fosforanowe tworzą hydrofilową "osłonkę" zewnętrzną.

3. Struktura trzeciorzędowa kwasów nukleinowych występuje w przypadku fałdowania się dwuniciowych odcinków cząsteczki. Może tworzyć struktury, które odgrywają ważną rolę w procesie regulacji ekspresji informacji genetycznej. Np.: struktura "szpilki do włosów" - Þ terminacja transkrypcji.

DNA

1. Budowa DNA

DNA - jest to angielski skrót od nazwy makrocząsteczki kwasu nukleinowego - deoxyribonucleic acid - po polsku kwas deoksyrybonukleinowy. Zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: deoksyadenozyny (dAMP), deoksyguanozyny (dGMP), deoksycytydyny (dCMP) oraz deoksytymidyny (dTMP). Cukrem występującym w tych deoksyrybonukleotydach jest deoksyryboza. Przedrostek deoksy- oznacza brak jednego z atomów tlenu zawartych w cząsteczce wyjściowej - rybozie. DNA występuje najczęściej w postaci dwuniciowej (dsDNA) i ma kształt helisy. Złożona jest z dwóch przeciwbieżnych i komplementarnych do siebie łańcuchów kwasu deoksyrybonukleinowego, skręconych wzdłuż osi helisy. Zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i reszty deoksyrybozy - na zewnątrz helisy. Płaszczyzny ułożenia pierścieni zasad są prostopadłe do osi helisy, natomiast płaszczyzny pierścieni cukrów są ułożone prostopadłe względem zasad. Dwa łańcuchy DNA łączą się sobą wiązaniami wodorowymi pomiędzy zasadami azotowymi, tworząc komplementarne pary.

Na powierzchni helisy można wyróżnić dwa zagłębienia, zwane małą i dużą bruzdą.

Powstają one dlatego, że wiązania glikozydowe komplementarnych zasad nie leżą dokładnie naprzeciwko siebie. Stosunek puryn do pirymidyn w dwuniciowej cząsteczce DNA jest równy jeden. Ściśle określona kolejność zasad azotowych w DNA (sekwencja) niesie informację genetyczną. DNA może również występować w postaci jednoniciowych cząsteczek (ssDNA). Tego rodzaju cząsteczki są charakterystyczne dla wirusów.

2. Formy DNA

J. Watson i F. Crick (1953 r.) opisali budowę najczęściej występującej w przyrodzie postaci DNA - tzw. "helisa B-DNA". Opisano dotychczas 6 postaci cząsteczek DNA (A - E oraz Z), lecz większość z nich odkryto tylko w warunkach doświadczalnych. Cząsteczki te odróżnia: średnica heliksu, liczba par zasad przypadających na każdy zwój helisy, kąt pomiędzy każdą parą zasad, a także kierunek skrętu helisy. Różnice pomiędzy przykładowymi formami DNA przedstawia poniższa tabela:

Pozostałe formy (C, D, E) są prawoskrętne i występują prawdopodobnie tylko w układach doświadczalnych.

3. Postać DNA w organizmie

W organizmach, DNA rzadko występuje w postaci liniowych odcinków o wolnych końcach. U organizmów prokariotycznych chromosomowy, a także plazmidowy DNA, występuje w postaci kolistej. W komórkach eukariotycznych chromosomowy DNA jest zorganizowany w postaci domen w kształcie pętli, których podstawy są unieruchomione przez białka wchodzące w skład chromosomu. Cząsteczka DNA, pod wpływem powstających w niej, wewnętrznych napięć torsyjnych może ulegać dodatkowemu zwinięciu. Napięcia są spowodowane rozluźnieniem lub kondensacją struktury helisy i brakiem możliwości neutralizacji przez obrót wokół wolnych końców, wokół osi podłużnej helisy. W długich cząsteczkach DNA napięcia powstają w wyniku lokalnych procesów związanych z naprawą, replikacją [1] lub transkrypcją. Przy tych procesach następuje rozplecenie helisy, w wyniku czego po obu stronach miejsca rozplecenia następuje kondensacja struktury heliksu. Kondensacja wywołuje dążenie DNA do neutralizacji napięć wewnętrznych, przez miejscowe zwinięcie cząsteczki.

Koliste cząsteczki DNA, wykazujące przestrzenne skręcenie wokół siebie zostały nazwane formami superhelikalnymi.

Superskręcenie cząsteczek jest właściwością topologiczną, którą można opisać posługując się terminami z dziedziny topologii. Za topologiczną przyjmuje się taką właściwość DNA, która nie ulega zmianie pod wpływem odkształceń ciągłych - zachowujących integralność szkieletu cząsteczki. Będą to takie odkształcenia konformacyjne, które powstają w wyniku łączenia się cząsteczki z białkami, lub innymi ligandami, a także powstające w wyniku działania ciepła. Przecięcie jednej z nici DNA - a więc zakłócenie szkieletu, spowoduje zmianę właściwości topologicznej. Kolista cząsteczka superhelikalna jest opisana dwoma parametrami. Tw, czyli liczba skrętów opisuje ile razy kolisty DNA został skręcony wokół osi helisy. Parametr ten przyjmuję wartość ujemną, gdy w stosunku do formy zrelaksowanej (naturalnej) cząsteczka jest rozkręcona, gdy natomiast DNA ulega skręceniu - dodatnią. Wr, czyli liczba zwojów - opisuje, ile razy kolista cząsteczka DNA krzyżuje się ze sobą. Wprowadzenie trzech dodatkowych skrętów (stworzenie napięć torsyjnych) powoduj, że wartość Tw = 3, przy założeniu, że cząsteczka leży płasko i nie krzyżuje się ze sobą Wr = 0.

Taki stan jest niekorzystny, ze względu na występowanie napięć torsyjnych.

Kolista cząsteczka dąży do likwidacji napięć (dodatkowych skrętów), poprzez wzajemne skręcenie się i tym samym podniesienie wartości Wr. Każde skrzyżowanie się cząsteczki (skręcenie wokół siebie) odbywa się kosztem zmniejszenia wartości Tw o jeden. Podczas topologicznych przekształceń kolistych cząsteczek DNA zmianie ulegają wartości Tw i Wr, lecz ich suma pozostaje stała. Wielkość ta nosi nazwę liczby opleceń i jest opisana symbolem Lk. Wielkość ta jest liczbą całkowitą i pozostaje stała jeżeli nie zostanie przecięta jedna z nici DNA, wykonując przy tym wewnętrzny obrót wokół nieprzeciętej nici.

Topologię cząsteczki opisuje zatem równanie: Tw + Wr = Lk

RNA

1. Budowa RNA

RNA - (ang. ribonucleic acid) Struktura kwasu rybonukleinowego różni się od DNA. Jednostką cukrową w RNA jest ryboza, a nie deoksyryboza jak w przypadku DNA. Kwas rybonukleinowy, zatem, zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: adenozyny (AMP), guanozyny (GMP), cytydyny (CMP) oraz uracylu (UMP). Istotną różnicą jest to, że jedną z czterech zasad jest uracyl zamiast tyminy. Uracyl paruje komplementarnie z adeniną, tworząc dwa wiązania wodorowe, różniąc się od tyminy występowaniem grupy metylowej. Cząsteczki RNA występują w formie jedno- i dwuniciowej. Cząsteczki dwuniciowego RNA (ds...