Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980

Как молекулы соединяются друг с другом
Упаковка макромолекул
Олигомеры с кубической симметрией (многогранники)

Если симметричные структуры имеют более одной оси симметрии, порядок которых выше двух, то говорят, что имеет место кубическая симметрия. Наиболее простым примером такой структуры является тетраэдр; у него 4 оси симметрии 3-го порядка, проходящих через вершины и центры граней, и 3 оси симметрии 2-го порядка, проходящих через середины шести ребер. Поскольку белковые субъединицы всегда асимметричны, тетрамерный белок не может обладать кубической симметрией1. Однако гетерологический гример с осью симметрии 3-го порядка может образовывать грань тетраэдра, содержащего всего 12 асимметричных субъединиц (рис. 4-10). Вокруг каждой вершины образуется второй тип гетерологического тримера с участием bk-контактов, а пары субъединиц у оси второго порядка образуют изологический cl- контакт [43].

В результате взаимодействия 24 субъединиц может образоваться куб, в котором через центры граней проходят 3 оси симметрии 4-го порядка, через вершины — 4 оси 3-го порядка, а через ребра — 6 осей 2-го порядка (рис. 8-17). Самой большой структурой, обладающей кубической симметрией, которую можно построить, является икосаэдр (двадцатигранник) — симметричная фигура с 20 треугольными гранями. Для ее построения требуется шестьдесят субъединиц, которые образуют в каждой из вершин гетерологические пентамеры. Как и в случае тетраэдра, каждая грань содержит гетерологический тример, а в результате взаимодействий поперек ребер образуются изологические димеры.

РИС. 4-10. Расположение субъединиц по типу кубической симметрии. Тетраэдр, построенный из 12 идентичных, асимметрично расположенных субъединиц. Указаны оси симметрии 3-го и 2-го порядка. Участки связывания обозначены теми же буквами, что и на рис. 4-9. (См. также рис. 8-17.)

¹ Как мы уже видели, тетрамерные белки обладают диэдрической симметрией. Таким образом, многие публикуемые в текущей литературе теоретические схемы, предсказывающие поведение четырех субъединиц исходя из их тетраэдрического расположения, не совсем верны.

Дополнение 4-В

Вирусыа-в

Нуклеопротеидные частицы, известные под названием вирусов, «атакуют» самые разные живые организмы — от мельчайшей микоплазмы до человека. Они не обладают собственным метаболизмом и «оживают», лишь когда содержащаяся в них нуклеиновая кислота проникает в живую клетку. Вирусы привлекают к себе большое внимание не только в связи с тем, что они являются болезнетворными агентами, но также и потому, что широко используются в молекулярно-биологических исследованиях. Зрелая вирусная частица, или вирион, состоит из одной или нескольких молекул нуклеиновых кислот и белковой оболочки — капсида, которая имеет обычно спиральную или икосаэдрическую форму. Капсид построен из «морфологических субъединиц», или капсомеров, иногда хорошо различимых под электронным микроскопом. Капсомеры в свою очередь состоят из большого числа белковых субъединиц меньшего размера. Некоторые крупные вирусные частицы имеют мембраноподобную оболочку. Другие, например Т-четные бактериофаги, инфицирующие Е. coli, весьма необычны по форме (дополнение 4-Д).

Геном большинства вирусов представлен или двухцепочечной ДНК, или одноцепочечной РНК, однако у некоторых мелких вирусов ДНК одноцепочечная, а другие содержат двухцепочечную РНК. Число нуклеотидов в вирусном геноме варьирует от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч, а число генов — от 3 до 200 и более. Иногда молекулы нуклеиновой кислоты в вирионе имеют форму замкнутого кольца, в других случаях они линейны.

В приведенной ниже таблице охарактеризованы некоторые известные нам типы вирусов и ряд отдельных вирусов. Форма вирусных частиц обозначена буквами И (икосаэдр), С (спираль) и Сл (более сложная). Для некоторых спиральных вирусов и вирусов с более сложным строением приведена длина частиц в нм. Указана также длина молекулы нуклеиновой кислоты в тысячах оснований (для одноцепочечных ДНК или РНК) или в тысячах нуклеотидных пар (для двухцепочечных нуклеиновых кислот). Число генов, содержащихся в вирусной частице, иногда несколько превышает это число.

Среди множества очень мелких вирусов имеются спиральные бактериофаги, например fd, fl и М-13 (рис. 4-8), которые напоминают пили бактерий. Эти вирусы, содержащие молекулы одноцепочечной кольцевой ДНК с мол. весом ~2∙10⁶, прикрепляются к половым пилям бактерий «мужского пола» (например, Е. coli) и могут вводить через них свою ДНК внутрь бактерии (гл. 15, разд. А.1). Бактериофаг —X174 представляет собой икосаэдрический ДНК-содержащий вирус диаметром 25 нм, что всего в три раза толще самой тонкой клеточной мембраны^г. Его одноцепочечная ДНК состоит только из ~5000 нуклеотидов; число генов, по-видимому, не превышает 9г. Интересно, что такой мельчайший вирус способен нарушать нормальный метаболический контроль в бактериальной клетке и направленно изменять ее метаболизм в сторону синтеза новых вирусных частиц. Ясно, что при этом вирус использует не только свои собственные гены, но также многие гены и другие компоненты инфицируемой им клетки.

Таблица к дополнению 4-В

Большая группа вирусов животных, парвовирусы, сходна по размерам и строению с бактериофагом —X174. Некоторые из вирусов этой группы не способны размножаться в клетке, если эта клетка не инфицирована аденовирусом, частица которого имеет больший размер.

Среди икосаэдрических вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК, имеются так называемые паповавирусы, отдельные виды которых вызывают появление бородавок и даже злокачественных опухолей. Наиболее хорошо изучен биохимиками обезьяний вирус 40 (SV40), способный вызывать опухоли и у некоторых других видов. Еще одним опухолевым вирусом является вирус полиомы мыши. Несколько большие размеры имеют папилломавирусы; один представитель этой группы вызывает появление бородавок у человека. Еще большие размеры (диаметр 70 нм) имеют аденовирусы; из них 32 вида вызывают различные инфекционные заболевания у человека. Герпесвирусы — очень крупные вирусы, окруженные липидсодержащей мембраной, а самыми крупными из икосаэдрических вирусов являются вирусы, вызывающие полиэдрозы у насекомых. Один из них, поражающий мух Tipula, имеет диаметр 130 нм. Другой группой крупных ДНК-содержащих вирусов являются бактериофаги с отростками (к их числу относятся, в частности, Т-четные фаги; дополнение 4-Д).

Самыми мелкими из РНК-содержащих вирусов являются бактериофаги R17, MS2 и Qß, нуклеиновые кислоты которых содержат 3500—4500 нуклеотидов и имеют всего три гена. Их нуклеотидная последовательность полностью расшифрована (гл. 15, разд. В.2.И)¹.

Несколько крупнее пикорнавирусы (от англ. «PicoRNA», указывающего на очень малое содержание РНК). Среди этих мелких икосаэдрических вирусов диаметром 15—30 нм имеется немало таких, которые вызывают инфекционные заболевания у человека. К ним относятся, в частности, энтеровирусы — группа, включающая полиовирусы, вирусы Коксаки и некоторые из ЕСНО-вирусов. В другую группу пикорнавирусов входят риновирусы, характерные для обычных простудных заболеваний. В настоящее время известно уже ~200 различных типов таких вирусов. Многие РНК-содержащие вирусы поражают растения; примером может служить вирус желтой мозаики турнепса (диаметр вириона 28— 30 нм).

Крупные вирусы диаметром 80—100 нм, имеющие по 8— 10 выступов в вершинах икосаэдра, вызывают грипп, свинку и некоторые другие острые инфекции. Внутренняя структура таких вирусов, по-видимому, очень сложна. РНК составляет только 1 % от массы всего вируса и состоит из нескольких фрагментов относительно небольшого молекулярного веса С — 0,5∙10⁶).

¹ Недавно расшифрована нуклеотидная последовательность ДНК бактериофага —X174 и вируса SV40, а также некоторых других вирусов. — Прим. перев.

Лучше всего изучен спиральный РНК-содержащий вирус табачной мозаики (разд. Г.2)^д. Более сложное строение имеют вирусы, у которых вирионы напоминают по форме пулю; примером может служить вирус бешенства — его диаметр равен 65—90 нм, а длина— 120—500 нм. Нуклеопротеид внутри частицы у таких вирусов уложен в виде спирали.

Геном некоторых вирусов, например реовирусов, представлен довольно редко встречающейся в природе двухцепочечной РНК. В инфицированной клетке РНК реовируса фрагментируется примерно на 10 сегментов.

Некоторые болезни растений, включая веретеновидность клубней картофеля, вызываются очень маленькими свернутыми молекулами РНК с мол. весом 120 000 или даже меньшее. Белок, кодируемый такой РНК, должен был бы содержать не более 100 аминокислотных остатков. Поэтому мало вероятно, что вирус (или, как его часто называют, вироид) является носителем гена, детерминирующего какой-либо белок. Какой бы ни была вносимая вироидом генетическая информация, она заставляет растительную клетку воспроизводить большое число копий молекулы РНК, которые затем могут переноситься на другие растения тлями или человеком через сельскохозяйственные инструменты.

^а Horne R. W., Seс. Am, 208, 48—56 (Jan. 1963).

^б Maramorosch K., Kurstak E. (eds), Comparative Virology, Academic Press, New York, 1971.

^в Knight С. A., Chemistry of Viruses, 2nd ed., Springer Publ., New York, 1975.

^г Benbow R. M, Mayol R. F., Picchi J. C., Sinsheimer R. L, J Virol, 10, 99—114 (1972)

^д Fraenkel-Conrat H., Sсi. Am., 211, 47—54 (Oct. 1964).

^e Marx J. L., Science, 178, 734 (1972).