Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

181

òåìïåðàòóðà; ìíîæèòåëü exp



−







îïðåäåëÿåò äîëþ ìîëåêóë,

ýíåðãèÿ êîòîðûõ ïðåâûøàåò ýíåðãèþ àêòèâàöèè.

Ôåðìåíòû íèêîãäà íå ñäâèãàþò õèìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå â ðåàê-

öèÿõ, îïðåäåëÿåìîå ðàçíîñòüþ ñâîáîäíûõ ýíåðãèé ïðîäóêòà è ñóá-

ñòðàòà. Ýòè ðåàêöèè ñîâåðøàþòñÿ è â îòñóòñòâèå ôåðìåíòà, íî ñî

çíà÷èòåëüíî ìåíüøåé ñêîðîñòüþ. Ðîëü ôåðìåíòîâ ñâîäèòñÿ ê óìåíü-

øåíèþ ýíåðãèè àêòèâàöèè äàííîé ðåàêöèè, à ñëåäîâàòåëüíî, ñîãëàñ-

íî ôîðìóëå (6.6.1), — óâåëè÷åíèþ êîíñòàíòû ñêîðîñòè ðåàêöèè.

Ôåðìåíòû îáëàäàþò âûñîêîé ñïåöèôè÷íîñòüþ è, êàê ïðàâèëî,

êàòàëèçèðóþò òîëüêî îïðåäåëåííûå ðåàêöèè èëè ðåàêöèè ñ ó÷àñ-

òèåì óçêîãî êëàññà ñîåäèíåíèé. Ïåðâîé ìîäåëüþ, îáúÿñíÿþùåé

ñïåöèôè÷íîñòü ôåðìåíòà, ÿâèëàñü ìîäåëü Ôèøåðà, ñîãëàñíî êî-

òîðîé ñóáñòðàò ñòåðè÷åñêè ñîîòâåòñòâóåò àêòèâíîìó öåíòðó ôåð-

ìåíòà (ó÷àñòêó ôåðìåíòà, ê êîòîðîìó ïðèñîåäèíÿåòñÿ ñóáñòðàò).

Ýòà ìîäåëü ïîëó÷èëà íàçâàíèå êëþ÷—çàìîê. Ñîãëàñíî áîëåå ïîçä-

íåé ìîäåëè Êîøëàíäà — ìîäåëè èíäóöèðîâàííîãî ñîîòâåòñòâèÿ, —

ïðèñîåäèíåíèå îïðåäåëåííîãî ñóáñòðàòà âûçûâàåò êîíôîðìàöè-

îííûå ïåðåñòðîéêè â ôåðìåíòå, â ðåçóëüòàòå ÷åãî åãî êàòàëèòè÷å-

ñêèå ãðóïïû îðèåíòèðóþòñÿ â ïðîñòðàíñòâå òàêèì îáðàçîì, ÷òî

îêàçûâàþòñÿ ñïîñîáíûìè îñóùåñòâèòü ïðåâðàùåíèå ñóáñòðàòà

â ïðîäóêò. Ýòà ìîäåëü îáúÿñíÿåò òîò ôàêò, ÷òî ïðèñîåäèíåíèå ê ôåð-

ìåíòó íåêîòîðûõ âåùåñòâ, ñòðóêòóðíî ïîõîæèõ íà ñóáñòðàò, íå óñêî-

ðÿåò èõ õèìè÷åñêîå ïðåâðàùåíèå.

Ðàññìîòðèì êèíåòèêó ôåðìåíòàòèâíûõ ðåàêöèé. Â ïðîñòåéøåì

ñëó÷àå ïðèñîåäèíåíèå ñóáñòðàòà ê ñâîáîäíîìó ôåðìåíòó Å

ïðè-

âîäèò ê îáðàçîâàíèþ ôåðìåíò-ñóáñòðàòíîãî êîìïëåêñà [ES] ñ êîí-

ñòàíòîé ñêîðîñòè ðåàêöèè k

, èç êîòîðîãî îáðàçóåòñÿ ïðîäóêò Ð

(êîíñòàíòà k

) èëè êîìïëåêñ ðàñïàäàåòñÿ íà ñóáñòðàò è ôåðìåíò

(êîíñòàíòà k

–1

ES ES EP

−

→

+→+

← 

. (6.6.2)

Îáùàÿ êîíöåíòðàöèÿ ôåðìåíòà â ýòîì ñëó÷àå ðàâíà

[] [ ][ ]EE ES

. (6.6.3)

Ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèè ôåðìåíò-ñóáñòðàòíîãî êîì-

ïëåêñà ñîñòàâëÿåò:

11012

d[ ]

[][]( )[ ]

vkESkkES

−

== −+

, (6.6.4)

§ 6.6. Ôåðìåíòíûé êàòàëèç

182

èëè ñ ó÷åòîì ôîðìóëû (6.6.3)

11 12

d[ ]

{[ ] [ ]}[ ] ( )[ ]

vkEESSkkES

−

==− −+

. (6.6.5)

Åñëè â ñèñòåìå êîíöåíòðàöèÿ ñóáñòðàòà íàìíîãî ïðåâûøàåò

êîíöåíòðàöèþ ôåðìåíòà ([] [ ]SE), òî ÷èñëî ñóùåñòâóþùèõ â êàæ-

äûé ìîìåíò ôåðìåíò-ñóáñòðàòíûõ êîìïëåêñîâ îñòàåòñÿ ïîñòîÿí-

íûì (

), òî åñòü ñèñòåìà íàõîäèòñÿ â ñòàöèîíàðíîì ñîñòîÿ-

íèè. Â ýòîì ñëó÷àå èç ôîðìóëû (6.6.5) ïîëó÷àåì êîíöåíòðàöèþ

ôåðìåíò-ñóáñòðàòíîãî êîìïëåêñà

121 12 1

[][]

[][] [][]

[]

[] ( )/ [] []

kE S

ES ES

kkkS kkkSkS

−−

== =

++ + + +

, (6.6.6)

ãäå

−

— (6.6.7)

êîíñòàíòà Ìèõàýëèñà.

Ñ ó÷åòîì ôîðìóëû (6.6.6) ñêîðîñòü ôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè

ðàâíà

d[ ] [ ][ ]

[]

d[]

PES

vkESk

tkS

== =

. (6.6.8)

Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè ôåð-

ìåíòàòèâíîé ðåàêöèè îò êîí-

öåíòðàöèè ñóáñòðàòà ïðèâåäåíà

íà ðèñ. 6.6.1. Ïðè óâåëè÷åíèè

êîíöåíòðàöèè ñóáñòðàòà ñêî-

ðîñòü ñòðåìèòñÿ ê íåêîòîðîìó

ìàêñèìàëüíîìó çíà÷åíèþ:

max 2

[]

lim [ ]

vvkE

→∞

==. (6.6.9)

Òîãäà âûðàæåíèå (6.6.8) ïðè-

ìåò âèä (ó ð à â í å í è å Ì è õ à-

ýëèñà—Ìåíòåí)

max

[]

. (6.6.10)

Êàê âèäèì, êîíñòàíòà Ìèõàýëèñà ÷èñëåííî ðàâíà êîíöåíòðà-

öèè ñóáñòðàòà, ïðè êîòîðîé ñêîðîñòü ðåàêöèè ðàâíà ïîëîâèíå

ìàêñèìàëüíîé.

Ðèñ. 6.6.1. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè v ôåð-

ìåíòàòèâíîé ðåàêöèè îò êîíöåíòðàöèè

ñóáñòðàòà [S]

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

183

Äëÿ ÷èñëåííîãî îïðåäåëåíèÿ âåëè÷èí k

max

v ïî ìåòîäó Ëàé-

íóèâåðà—Áåðêà óðàâíåíèå (6.6.10) ïðåîáðàçóþò ê âèäó:

max max

11 1

[]

vv v S

=+⋅

. (6.6.11)

Ãðàôèê óðàâíåíèÿ (6.6.11) ïðèâåäåí íà ðèñ. 6.6.2. Ïðè

[]S

ïîëó÷àåì

max

, âåëè÷èíà k

îïðåäåëÿåòñÿ êàê òàíãåíñ óãëà íà-

êëîíà ïðÿìîé.

Íåêîòîðûå âåùåñòâà, ñâÿçûâàÿñü ñ ôåðìåíòîì, óìåíüøàþò ñêî-

ðîñòü ôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè (èíãèáèòîðû) èëè óâåëè÷èâàþò (àê-

òèâàòîðû). Â êà÷åñòâå èíãèáèòîðîâ èëè àêòèâàòîðîâ, èìåþùèõ

îáùåå íàçâàíèå ìîäèôèêàòîðîâ, ìîãóò âûñòóïàòü åñòåñòâåííûå

ôèçèîëîãè÷åñêèå âåùåñòâà, ðåãóëèðóþùèå ôåðìåíòàòèâíóþ àêòèâ-

íîñòü, à òàêæå öåëûé ðÿä ëåêàð-

ñòâåííûõ ïðåïàðàòîâ.

Ðàçëè÷àþò êîíêóðåíòíûå

è íåêîíêóðåíòíûå èíãèáèòîðû.

Êîíêóðåíòíûå èíãèáèòîðû ñâÿçû-

âàþòñÿ ñ àêòèâíûì öåíòðîì ôåð-

ìåíòà, îáðàçóÿ êîìïëåêñ ôåð-

ìåíò-èíãèáèòîð ÅI, íî â ïðîäóêò

íå ïðåâðàùàþòñÿ.

Â ñëó÷àå ïðèñóòñòâèÿ â ñèñ-

òåìå êîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà,

ñîãëàñíî ñõåìå, ïðèâåäåííîé íà

ðèñ. 6.6.3, à, ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ

êîíöåíòðàöèè êîìïëåêñîâ ôåðìåíò-ñóáñòðàò ES è ôåðìåíò-èíãè-

áèòîð EI ïðèìóò âèä ñîîòâåòñòâåííî:

11012

d[ ]

[][]( )[ ]

vkESkkES

−

== −+ ; (6.6.12)

2303

d[ ]

[][] []

vkEIkEI

−

== − , (6.6.13)

à îáùàÿ êîíöåíòðàöèÿ ôåðìåíòà ñîñòàâèò:

[] [ ][ ][ ]EE ESEI

=++

. (6.6.14)

Ðåøàÿ ñîâìåñòíî óðàâíåíèÿ (6.6.12), (6.6.13) è (6.6.14) ïðè óñ-

ëîâèè óñòàíîâëåíèÿ ñòàöèîíàðíîãî ñîñòîÿíèÿ (v

=0, v

=0 ïðè

Ðèñ. 6.6.2. Ãðàôèê Ëàéíóèâåðà—Áåðêà

§ 6.6. Ôåðìåíòíûé êàòàëèç

184

[S ]> > E è [I ]> > E ) âûðàçèì êîíöåíòðàöèþ ôåðìåíò-ñóáñòðàòíîãî

êîìïëåêñà â ïðèñóòñòâèè êîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà:

[][]

[]

[] []

mmi

kSkkI

, (6.6.15)

ãäå k

= k

–3

Îòñþäà ñêîðîñòü ôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè â ïðèñóòñòâèè êîí-

êóðåíòíîãî èíãèáèòîðà ñîñòàâèò:

[][]

d[ ]

[]

d[][]

mmi

kES

vkES

tkSkkI

== =

. (6.6.16)

Â ýòîì ñëó÷àå ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè íå èçìåíÿåòñÿ

ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàêñèìàëüíîé ñêîðîñòüþ â îòñóòñòâèå êîíêóðåíò-

íîãî èíãèáèòîðà:

max 2

[]

lim [ ]

vvkE

→∞

==. (6.6.17)

Îäíàêî ïðè ìàëûõ êîíöåíòðàöèÿõ ñóáñòðàòà ñêîðîñòü ðåàêöèè

óìåíüøàåòñÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ òîé, êîòîðàÿ áûëà â îòñóòñòâèå êîí-

êóðåíòíîãî èíãèáèòîðà (ðèñ. 6.6.4). Ýòî ìîæíî îáúÿñíèòü òåì, ÷òî

ïðè âûñîêèõ êîíöåíòðàöèÿõ ñóáñòðàòà (

[]S →∞

) ôåðìåíò ñâÿçû-

âàåòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî ñ íèì, à íå ñ èíãèáèòîðîì, êîíöåíòðà-

öèÿ êîòîðîãî îêàçûâàåòñÿ çíà÷èòåëüíî íèæå êîíöåíòðàöèè ñóá-

ñòðàòà (

[] []IS

). Ïðè ñðàâíèìûõ ñ êîíöåíòðàöèåé èíãèáèòîðà

êîíöåíòðàöèÿõ ñóáñòðàòà

[] []IS≈

ôåðìåíò îáðàçóåò êîìïëåêñû êàê

ñ ñóáñòðàòîì, òàê è ñ èíãèáèòîðîì, ÷òî óìåíüøàåò ñêîðîñòü ðåàê-

öèè. Â ýòîì ñëó÷àå äëÿ äîñòèæåíèÿ ñêîðîñòè, ñîñòàâëÿþùåé ïîëî-

âèíó ìàêñèìàëüíîé, êîíöåíòðàöèþ ñóáñòðàòà íóæíî óâåëè÷èòü

(1 [ ])

ðàç.

Â êîîðäèíàòàõ Ëàéíóèâåðà—Áåðêà óðàâíåíèå (6.6.16) ïðèìåò

âèä:

Ðèñ. 6.6.3. Ñõåìû ïðîöåññîâ ñ êîíêóðåíòíûì (à) è íåêîíêóðåíòíûì (á) èíãèáèðî-

âàíèåì

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

185

max max max max

[]

11 1

[] []

mmi m

kkkI k

vv v S v v S

′

=+ =+

, (6.6.18)

ãäå (1 [ ])

mm i

kk kI

′

— êîíñòàíòà Ìèõàýëèñà â ïðèñóòñòâèè êîí-

êóðåíòíîãî èíãèáèòîðà (ðèñ. 6.6.5, êðèâàÿ 2).

Íåêîíêóðåíòíûé èíãèáèòîð ñâÿçûâàåòñÿ ñ ôåðìåíò-ñóáñòðàòíûì

êîìïëåêñîì, îáðàçóÿ íåàêòèâíûé êîìïëåêñ ESI. Â ýòîì ñëó÷àå,

ñîãëàñíî ñõåìå, ïðèâåäåííîé íà ðèñ. 6.6.3, á, ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ

êîíöåíòðàöèè êîìïëåêñîâ ôåðìåíò-ñóáñòðàò ES è ôåðìåíò-èíãè-

áèòîð EI ñîñòàâëÿþò ñîîòâåòñòâåííî:

1101244

d[ ]

[][]( )[ ] [ ]

vkESkkkIESkESI

−−

== −++ +

; (6.6.19)

244

d[ ]

[][] [ ]

ESI

v k ES I k ESI

−

== − , (6.6.20)

à îáùàÿ êîíöåíòðàöèÿ ôåðìåíòà

[] [ ][ ][ ]EE ESESI

=++

. (6.6.21)

Òîãäà ñêîðîñòü ôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè â ñòàöèîíàðíîì ñî-

ñòîÿíèè â ïðèñóòñòâèè íåêîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà ñîñòàâèò:

[][]

d[ ]

[]

d[][][]

kES

vkES

tkSkSI

== =

, (6.6.22)

ãäå k

= k

–4

Ðèñ. 6.6.4. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè ôåð-

ìåíòàòèâíîé ðåàêöèè îò êîíöåíòðàöèè

ñóáñòðàòà â îòñóòñòâèå (1 ) è ïðèñóòñòâèå

(2 ) êîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà

Ðèñ. 6.6.5. Ãðàôèê Ëàéíóèâåðà—Áåðêà:

1 — áåç èíãèáèòîðà; 2 — â ïðèñóòñòâèè

êîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà; 3 — â ïðè-

ñóòñòâèè íåêîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà

§ 6.6. Ôåðìåíòíûé êàòàëèç

186

Â ýòîì ñëó÷àå ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè áóäåò ðàâíà

max

[]

lim

→∞

, (6.6.23)

òî åñòü óìåíüøèòñÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàêñèìàëüíîé ñêîðîñòüþ â îò-

ñóòñòâèå íåêîíêóðåíòíîãî èíãèáèòîðà â (1 [ ])

ðàç (ðèñ. 6.6.5,

êðèâàÿ 3).

Ñóùåñòâóåò ðÿä ôåðìåíòîâ, êèíåòèêà êîòîðûõ íå ïîä÷èíÿåòñÿ

óðàâíåíèþ Ìèõàýëèñà—Ìåíòåí. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè ôåðìåí-

òàòèâíîé ðåàêöèè îò êîíöåíòðàöèè ñóáñòðàòà äëÿ íèõ èìååò âèä,

îòëè÷íûé îò ãèïåðáîëû. Â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ýòî ÿâëåíèå ìîæ-

íî îáúÿñíèòü ñëåäóþùèì îáðàçîì.

Íåêîòîðûå ôåðìåíòû ñîñòîÿò èç íåñêîëüêèõ ñóáúåäèíèö

è èìåþò íåñêîëüêî öåíòðîâ ñâÿçûâàíèÿ ñóáñòðàòà. Ïðèñîåäèíåíèå

ñóáñòðàòà ê îäíîìó èç öåíòðîâ ñâÿçûâàíèÿ âûçûâàåò òàêèå êîí-

ôîðìàöèîííûå ïåðåñòðîéêè â ôåðìåíòå, êîòîðûå îáëåã÷àþò ïðè-

ñîåäèíåíèå ñóáñòðàòà ê ñëåäóþùåìó öåíòðó (òàê íàçûâàåìûé êîî-

ïåðàòèâíûé ýôôåêò). Â ýòîì ñëó÷àå çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè

ôåðìåíòàòèâíîé ðåàêöèè îò êîíöåíòðàöèè ñóáñòðàòà èìååò S-îá-

ðàçíûé âèä.

Ðàññìîòðèì ÿâëåíèå êîîïåðàòèâíîñòè íà ïðèìåðå áåëêà ãåìî-

ãëîáèíà, ñîñòîÿùåãî èç ÷åòûðåõ ñóáúåäèíèö è ÷åòûðåõ öåíòðîâ ñâÿ-

çûâàíèÿ, è ñðàâíèì åãî êèíåòèêó ñ ìèîãëîáèíîì, ìîíîìåðíûì áåë-

êîì ñ îäíèì öåíòðîì ñâÿçûâàíèÿ. Íåñìîòðÿ íà òî ÷òî ýòè áåëêè

ÿâëÿþòñÿ íå ôåðìåíòàìè, à òðàíñïîðòíûìè áåëêàìè, ñíàáæàþùè-

ìè îðãàíèçì êèñëîðîäîì, êèíåòè÷åñêèå óðàâíåíèÿ äëÿ íèõ ñõîäíû

ñ óðàâíåíèÿìè äëÿ ôåðìåíòîâ, ïðîÿâëÿþùèõ ñâîéñòâî êîîïåðàòèâ-

íîñòè, êàê ãåìîãëîáèí, èëè íå ïðîÿâëÿþùèõ, êàê ìèîãëîáèí.

Ðåàêöèþ îáðàçîâàíèÿ êîìïëåêñà ëèãàíäà L ñ ìîíîìåðíûì áåë-

êîì E ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê

EL EL

→

← 

, (6.6.24)

ãäå k — êîíñòàíòà ñâÿçûâàíèÿ, ðàâíàÿ

[]

[][]

. (6.6.25)

Çàïèøåì ñòåïåíü íàñûùåíèÿ áåëêà ëèãàíäîì, òî åñòü îòíîøå-

íèå çàíÿòûõ öåíòðîâ ñâÿçûâàíèÿ ê èõ îáùåìó ÷èñëó:

[]

[][ ]

EEL

, (6.6.26)

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

187

èëè ñ ó÷åòîì ôîðìóëû (6.6.25)

[][] []

[] [][] 1 []

kE L kL

EkEL kL

. (6.6.27)

Óðàâíåíèå (6.6.27), ïîäîáíî óðàâíåíèþ Ìèõàýëèñà—Ìåíòåí,

è ãðàôè÷åñêè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ãèïåðáîëó (ðèñ. 6.6.6, êðèâàÿ 1).

Äëÿ îïèñàíèÿ ñòåïåíè íàñûùåíèÿ ãåìîãëîáèíà èñïîëüçóþò

óðàâíåíèå, ïðåäëîæåííîå Õèëëîì:

[]

1[]

, (6.6.28)

ãäå k

— êîíñòàíòà ñâÿçûâàíèÿ; h — ïàðàìåòð êîîïåðàòèâíîñòè.

Ïðè h = 1 êîîïåðàòèâíîñòü îòñóòñòâóåò è óðàâíåíèå (6.6.28) ñâî-

äèòñÿ ê âèäó óðàâíåíèÿ (6.6.27). Ïðè h > 1 êîîïåðàòèâíîñòü ïîëî-

æèòåëüíà, òî åñòü ïðèñîåäèíå-

íèå îäíîãî ëèãàíäà ê öåíòðó

ñâÿçûâàíèÿ îáëåã÷àåò ñâÿçûâà-

íèå ñ îñòàëüíûìè, ïðè h < 1 êî-

îïåðàòèâíîñòü îòðèöàòåëüíà.

Äëÿ ãåìîãëîáèíà h = 2,8. Íà

ðèñ. 6.6.6 ïðèâåäåíà çàâèñè-

ìîñòü íàñûùåíèÿ ìèîãëîáèíà

è ãåìîãëîáèíà â çàâèñèìîñòè îò

ïàðöèàëüíîãî äàâëåíèÿ êèñëî-

ðîäà ðÎ

, ïðîïîðöèîíàëüíîãî

åãî êîíöåíòðàöèè.

Â îðãàíèçìå ïàðöèàëüíîå

äàâëåíèå êèñëîðîäà ìåíÿåòñÿ

â íåáîëüøèõ ïðåäåëàõ, îäíàêî

êîîïåðàòèâíûå ñâîéñòâà ãåìî-

ãëîáèíà, ïðîÿâëÿþùèåñÿ â S-îáðàçíîé ôîðìå êðèâîé, ïðèâîäÿò

ê òîìó, ÷òî äàæå ïðè íåáîëüøèõ èçìåíåíèÿõ ïàðöèàëüíîãî äàâëå-

íèÿ êèñëîðîäà çíà÷èòåëüíî ìåíÿåòñÿ ñòåïåíü íàñûùåíèÿ èì ãå-

ìîãëîáèíà. Åñëè áû ãåìîãëîáèí íå ïðîÿâëÿë ñâîéñòâî êîîïåðà-

òèâíîñòè, òî îòùåïëåíèå êèñëîðîäà â òêàíÿõ ïðîèñõîäèëî áû íå

ñòîëü èíòåíñèâíî.

§ 6.7. ÁÈÎÔÈÇÈÊÀ ÍÓÊËÅÈÍÎÂÛÕ ÊÈÑËÎÒ

Ñòðîåíèå è ñâîéñòâà íóêëåèíîâûõ êèñëîò îïðåäåëÿþòñÿ èõ

ôóíêöèåé â îðãàíèçìå: õðàíåíèåì è ïåðåäà÷åé ãåíåòè÷åñêîé èí-

ôîðìàöèè.

Ðèñ. 6.6.6. Êðèâûå íàñûùåíèÿ êèñëî-

ðîäîì ìèîãëîáèíà (1) è ãåìîãëîáèíà (2)

â çàâèñèìîñòè îò ïàðöèàëüíîãî äàâëå-

íèÿ êèñëîðîäà ð(Î

)

§ 6.7. Áèîôèçèêà íóêëåèíîâûõ êèñëîò

188

Â öåïè äåçîêñèðèáîíóêëåèíîâîé êèñëîòû (ÄÍÊ) ÷åðåäóþòñÿ

â îïðåäåëåííîì ïîðÿäêå ìîíîìåðû è íóêëåîòèäû, ñâÿçàííûå ìåæäó

ñîáîé êîâàëåíòíûìè ôîñôîäèýôèðíûìè ñâÿçÿìè ôîñôàòíûõ ãðóïï

ñ óãëåâîäàìè. Êàæäûé èç íóêëåîòèäîâ èìååò â ñâîåì ñîñòàâå äåçî-

êñèðèáîçó è îñòàòîê ôîñôîðíîé êèñëîòû è îòëè÷àåòñÿ îò äðóãèõ àçî-

òèñòûì îñíîâàíèåì, êîòîðûõ â ÄÍÊ èìååòñÿ ÷åòûðå âèäà: àäåíèí

(À), ãóàíèí (Ã), òèìèí (Ò) è öèòîçèí (Ö). Ïåðâûå äâà — (À) è (Ã) —

ÿâëÿþòñÿ ïóðèíîâûìè, à âòîðûå — (Ò) è (Ö) — ïèðèìèäèíîâûìè

îñíîâàíèÿìè. Îïðåäåëåííàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü íóêëåîòèäîâ â öå-

ïè ñîñòàâëÿåò ïåðâè÷íóþ ñòðóêòóðó íóêëåèíîâîé êèñëîòû.

Âòîðè÷íàÿ ñòðóêòóðà ÄÍÊ áûëà ðàñøèôðîâàíà ñ ïîìîùüþ ðåíò-

ãåíñòðóêòóðíîãî àíàëèçà â 1952 ãîäó Ð. Ôðàíêëèí, Ô. Êðèêîì,

Äæ. Óîòñîíîì è Ì. Óèëêèíçîì. Ìîëåêóëà ÄÍÊ, êàê ïðàâèëî, ñî-

ñòîèò èç äâóõ íóêëåîòèäíûõ öåïåé, è ëèøü â íåêîòîðûõ âèðóñàõ

âñòðå÷àþòñÿ îäíîöåïî÷å÷íûå ìîëåêóëû ÄÍÊ. Äâå öåïè ÄÍÊ ñâÿ-

çàíû äðóã ñ äðóãîì ÷åðåç àçîòèñòûå îñíîâàíèÿ âîäîðîäíûìè ñâÿ-

çÿìè, ïðè÷åì àäåíèí âñåãäà îáðàçóåò ïàðó ñ òèìèíîì, à ãóàíèí —

ñ öèòîçèíîì (ðèñ. 6.7.1), òî åñòü àäåíèí êîìïëåìåíòàðåí òèìèíó,

à ãóàíèí — öèòîçèíó, îäíà öåïü ÄÍÊ êîìïëåìåíòàðíà äðóãîé.

Ýòî îáúÿñíÿåò ïðàâèëà ×àðãîôôà, êîòîðûå áûëè ñôîðìóëèðîâàíû

ðàíüøå îòêðûòèÿ ñòðóêòóðû ÄÍÊ:

Ðèñ. 6.7.1. Ó÷àñòîê öåïè ÄÍÊ:

ϕ — óãîë ìåæäó ïåðïåíäèêóëÿðîì ê îñè ñïèðàëè è ïëîñêîñòüþ îñíîâàíèé, ãðàä

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà

189



; 2) =; 3) 1





; 4) 1





. (6.7.1)

Êðîìå âîäîðîäíûõ ñâÿçåé ìåæäó, ïàðàìè îñíîâàíèé ñòàáèëè-

çàöèÿ ñòðóêòóðû ÄÍÊ äîñòèãàåòñÿ òàêæå ìåæïëîñêîñòíûìè âçàè-

ìîäåéñòâèÿìè îñíîâàíèé (ñòýêèíã-âçàèìîäåéñòâèÿìè). Êàæäàÿ

êîìïëåìåíòàðíàÿ ïàðà íóêëåîòèäîâ ïîâîðà÷èâàåòñÿ îòíîñèòåëüíî

ïðåäûäóùåé íà íåêîòîðûé óãîë âîêðóã îñè ñïèðàëè, â ðåçóëüòàòå

îáðàçóåòñÿ âòîðè÷íàÿ ñòðóêòóðà ÄÍÊ — äâîéíàÿ ñïèðàëü.

Ìîäåëü Óîòñîíà—Êðèêà îáúÿñíèëà ÿâëåíèå ñàìîóäâîåíèÿ

ÄÍÊ — ðåäóïëèêàöèþ. Â ïðîöåññå ðåäóïëèêàöèè â ÄÍÊ ðàçðûâà-

þòñÿ âîäîðîäíûå ñâÿçè ìåæäó îñíîâàíèÿìè, è íà êàæäîé èç äâóõ

öåïåé ñòðîèòñÿ íîâàÿ, ïðè ýòîì êàæäàÿ ìàòåðèíñêàÿ öåïü èñïîëü-

çóåòñÿ êàê ìàòðèöà äëÿ äî÷åðíåé. Íîâûå íóêëåîòèäû ïðèñîåäèíÿ-

þòñÿ ïî ïðèíöèïó êîìïëåìåíòàðíîñòè, òî åñòü ê àäåíèíó ïðèñî-

åäèíÿåòñÿ òèìèí, ê ãóàíèíó — öèòîçèí, ê òèìèíó — àäåíèí,

ê öèòîçèíó — ãóàíèí. Òàêàÿ ìîäåëü ðåäóïëèêàöèè íàçûâàåòñÿ ïî-

ëóêîíñåðâàòèâíîé, òàê êàê êàæäàÿ íîâàÿ ìîëåêóëà ÄÍÊ âêëþ÷àåò

â ñåáÿ îäíó ìàòåðèíñêóþ è îäíó äî÷åðíþþ öåïè.

Öåïè ÄÍÊ ìîãóò áûòü ëèíåéíûìè èëè êîëüöåâûìè. Ó ïîñëåä-

íèõ êîíöû ìîëåêóë êîâàëåíòíî çàìêíóòû. Äâå íóêëåîòèäíûå öåïè

îäíîé ìîëåêóëû ÄÍÊ âñåãäà ðàñïîëàãàþòñÿ àíòèïàðàëëåëüíî: îäíà

öåïü — îò 3' — ê 5' -êîíöó, âòîðàÿ — íàîáîðîò (ðèñ. 6.7.1).

Äâîéíàÿ ñïèðàëü ÄÍÊ ìîæåò ñóùåñòâîâàòü â ðàçëè÷íûõ êîí-

ôîðìàöèÿõ, ïåðåõîä ìåæäó êîòîðûìè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè èçìåíå-

íèè âëàæíîñòè êðèñòàëëè÷åñêèõ ïðåïàðàòîâ ÄÍÊ, ñîëè ÄÍÊ è ðÿäà

Òàáëèöà 6.7.1

Ãåîìåòðè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ÄÍÊ â ðàçëè÷íûõ ôîðìàõ

Na, À-ôîðìà 75 11 2,82 0,255 32,7 20

Na, Â-ôîðìà 92 10 3,46 0,346 36 2

Li, Â-ôîðìà 66 10 3,37 0,337 36 2

Li, Ñ-ôîðìà 66 9,3 3,10 0,332 39 6

Ñîëü ÄÍÊ

Âëàæíîñòü,

×èñëî çâåíüåâ

íà âèòîê

ñïèðàëè

Øàã

ñïèðàëè, íì

Ïåðåìåùåíèå

íà îäèí

íóêëåîòèä, íì

Ïîâîðîò íà

íóêëåîòèä,

ãðàä

Óãîë ϕ ìåæäó

ïåðïåíäèêóëÿðîì

ê îñè ñïèðàëè è

ïëîñêîñòüþ

îñíîâàíèé, ãðàä

§ 6.7. Áèîôèçèêà íóêëåèíîâûõ êèñëîò

190

äðóãèõ óñëîâèé, à òàêæå ìîæåò

áûòü âûçâàí âçàèìîäåéñòâèåì

ÄÍÊ ñ áåëêàìè. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî

ôèçèîëîãè÷åñêèì óñëîâèÿì îò-

âå÷àåò Â-ôîðìà ÄÍÊ. Õàðàêòå-

ðèñòèêè À-, Â- è Ñ-ôîðì ÄÍÊ

ïðèâåäåíû â òàáë. 6.7.1, ñõå-

ìàòè÷åñêèå èçîáðàæåíèÿ À-

è Â-ôîðì ÄÍÊ — íà ðèñ. 6.7.2.

Â Â-ôîðìå öåíòðû òÿæåñòè ïàð

îñíîâàíèé íàõîäÿòñÿ íà îñè

ñïèðàëè, à â À-ôîðìå ñäâè-

íóòû ê ïåðèôåðèè, ïîýòîìó

â öåíòðå îñòàåòñÿ îòâåðñòèå

îêîëî 4 íì.

À-, Â- è Ñ-ôîðìû ÄÍÊ ÿâ-

ëÿþòñÿ ïðàâûìè. Â 1978 ãîäó

áûëà ïîëó÷åíà ëåâàÿ ñïèðàëü

ÄÍÊ — ìîëåêóëà ñèíòåòè÷å-

ñêîãî ïîëèìåðà ïîëèäåçîê-

ñè-ÃÖ. Åãî ñàõàðîôîñôàòíûé

îñòîâ èìååò çèãçàãîîáðàçíûé

âèä. Ïîýòîìó òàêàÿ êîíôîð-

ìàöèÿ ÄÍÊ ïîëó÷èëà íàçâàíèå

Z-ôîðìà. Z-Ôîðìà ìîæåò áûòü

ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíà òîëüêî

â òîì ñëó÷àå, åñëè öåïü ÄÍÊ

îáðàçîâàíà ÷åðåäîâàíèåì ïóðè-

íîâûõ è ïèðèìèäèíîâûõ àçî-

òèñòûõ îñíîâàíèé, íàïðèìåð — Ã è Ö. Òàêèì îáðàçîì, ïîâòîðÿþ-

ùåéñÿ åäèíèöåé â òàêîé ñòðóêòóðå ÿâëÿþòñÿ äâå ïàðû íóêëåîòèäîâ:

Z-Ôîðìà èìååò 12 ïàð îñíîâàíèé íà âèòîê ñïèðàëè, òî åñòü

ïîâîðîò ïàðû íóêëåîòèäîâ îòíîñèòåëüíî ïðåäûäóùåé ïàðû âîê-

ðóã îñè ñïèðàëè ðàâåí 30°.

Äëÿ ëþáîé êîíôîðìàöèè ÄÍÊ, êðîìå Z-ôîðìû, õàðàêòåðíî

íàëè÷èå øèðîêîé è óçêîé áîðîçäêè íà ïîâåðõíîñòè ñïèðàëè.

Ìîëåêóëà ðèáîíóêëåèíîâîé êèñëîòû (ÐÍÊ) òàê æå, êàê è ÄÍÊ, îá-

ðàçîâàíà îïðåäåëåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ íóêëåîòèäîâ, íî, êàê

ïðàâèëî, ñîñòîèò èç îäíîé öåïè. Ìîëåêóëà ñàõàðà â ÐÍÊ ïðåäñòàâëåíà

ðèáîçîé, è âìåñòî òèìèíà â åå ñîñòàâ âõîäèò ïèðèìèäèíîâîå îñíîâà-

Ðèñ. 6.7.2. Ñõåìà ñòðîåíèÿ À- è Â-ôîðì

ÄÍÊ: ² — Â-ôîðìà, ²² — À-ôîðìà;

à — âèä ñâåðõó; á — âèä ñáîêó

Ãëàâà 6. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîôèçèêà