§ Х-40 Структура біополімерів: плоский пептидний зв’язок, α-спіраль білка та подвійна спіраль ДНК (10–11 клас · Біохімія: Білки та ДНК)
Пептидна група –CO–NH–, водневі зв’язки в α-спіралі Полінга і комплементарні пари A=T, G≡C у ДНК. «Як тільки ми побачили, що аденін завжди з’єднується двома водневими зв’язками з тиміном, а гуанін, трьома з цитозином, таємниця копіювання спадковості стала очевидною», Джеймс Вотсон і Френсіс Крік (1953).
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Біополімери (білки та нуклеїнові кислоти), це інформаційні та структурні макромолекули живої клітини, чия просторова (вторинна) конформація стабілізується кооперативною системою внутрішньо- або міжмолекулярних водневих зв’язків.
У білках α-амінокислотні залишки з’єднані амідними пептидними зв’язками –CO–NH–, які завдяки p–π спряженню мають частково подвійний характер і є жорсткими та плоскими. У правозакрученій α-спіралі Полінга–Корі (3.6 амінокислотного залишку на один виток, крок спіралі 0.54 нм) кожна карбонільна група C=O i-го залишку утворює водневий зв’язок із групою H–N (i+4)-го залишку паралельно осі спіралі.
У подвійній спіралі B-ДНК Вотсона–Кріка (10 пар основ на виток, крок 3.4 нм) два антипаралельні полінуклеотидні ланцюги (5prime→ 3prime та 3prime→ 5prime) утримуються комплементарними водневими зв’язками між азотистими основами всередині спіралі (правило Чаргаффа: [A]=[T], [G]=[C]): пара аденін–тимін (A=T) утворює 2 водневі зв’язки, а пара гуанін–цитозин (G≡C), 3 водневі зв’язки. Тому температура теплової денатурації (плавлення) ДНК лінійно зростає з часткою GC-пар: Tₘ ≈ 69.3 + 0.41(%GC).
Приклад із життя
Подвійна спіраль ДНК схожа на гвинтові сходи або застібку-блискавку, де сходинки тримаються на водневих «магнітах»: пара A=T тримається двома зв’язками, а пара G≡C, трьома! Тому ділянки ДНК, багаті на G≡C, витримують значно вищу температуру без розплітання.
Контрольне запитання та розв’язання
Чому ділянки подвійної спіралі ДНК з високим вмістом пар гуанін–цитозин (G–C) мають значно вищу температуру термічної денатурації (плавлення Tₘ), ніж ділянки, багаті на пари аденін–тимін (A–T)?
- А: Тому що комплементарна пара G≡C утримується трьома водневими зв’язками та сильнішою стекінг-взаємодією, тоді як пара A=T утворює лише два водневі зв’язки
- Б: Тому що між парами A–T взагалі немає водневих зв’язків
- В: Тому що ланцюги ДНК з’єднані між собою дисульфідними містками –S–S–
Підказка: За правилом Чаргаффа пара A=T утворює 2 водневі зв’язки, а пара G≡C, 3 водневі зв’язки, тому температура плавлення Tₘ зростає з часткою GC.
Доведення: Два головні інформаційні біополімери живих клітин, білки та нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК), утримують свою просторову вторинну структуру завдяки кооперативній мережі водневих зв’язків: 1) У білках α-амінокислоти з’єднані амідними (пептидними) зв’язками –CO–NH–, які є плоскими й жорсткими через p-π спряження (частково подвійний характер зв’язку C–N, 1.33 Å). Права α-спіраль Полінга–Корі містить 3.6 залишків на виток (крок 5.4 Å) і стабілізована водневими зв’язками між карбонільною групою i-го залишку та NH-групою (i+4)-го залишку. 2) У подвійній спіралі ДНК Вотсона–Кріка два антипаралельні цукрово-фосфатні ланцюги скріплені азотистими основами за принципом комплементарності (правила Чаргаффа [A]=[T], [G]=[C]): пара аденін–тимін (A=T) утворює 2 водневі зв’язки, а пара гуанін–цитозин (G≡C), 3 водневі зв’язки. Тому підвищення частки GC-пар лінійно підвищує температуру плавлення спіралі Tₘ.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
n_Н-зв = 2 N(mathrmA=T) + 3 N(mathrmG≡C), Tₘ ≈ 69.3 + 0.41 (%GC) [^°C]
- Тип біополімеру (1: α-спіраль білка, 2: Подвійна спіраль B-ДНК): 1 … 2 (стандарт: 2)
- Частка пар Гуанін≡Цитозин (% G≡C, 3 Н-зв’язки) / стабільність: 10 … 90 % (стандарт: 50 %)
- Кількість витків спіралі біополімеру N_вит: 2 … 6 витків (стандарт: 4 витків)
- Температура розчину t (вище Tₘ, теплова денатурація): 20 … 95 °C (стандарт: 37 °C)