3. Органические вещества клетки

Органические соединения составляют в среднем 20–30 % массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры — белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул — гормонов, витаминов, ферментов, АТФ и многие другие.

Белки – это высокомолекулярные биополимеры. В их состав входят углерод, кислород, водород, азот; некоторые белки содержат серу. Мономер – аминокислота. В состав белков входит 20 различных аминокислот. Общая формула аминокислот имеет вид:

Молекула каждой аминокислоты состоит из двух частей, одна из которых одинаковая у всех аминокислот и в ее состав входит аминогруппа (NH₂) и карбоксильная группа (COOH), а другая составляющая – различна и называется радикалом (R). Через общую группировку происходит сцепление аминокислот при образовании белкового полимера. Между соединившимися аминокислотами возникает связь –HN–CO–, называемая пептидной, а образовавшееся соединение – пептидом. Из двух аминокислот образуется дипептид (димер);

из трех – трипептид (триммер). Молекула, состоящая из более трех аминокислот, называется полипептидом (полимером).

С химической точки зрения и белки и пептиды – это цепочки соединенных вместе аминокислот. И если такая цепочка соединенных аминокислот очень длинная (больше 100 аминокислот), то это уже белок. В цепочке пептидов аминокислоты условно можно сравнить с буквами в алфавите – в зависимости от того, в какой последовательности стоят буквы, получаем нужное слово. Достаточно изменить одну букву в слове, и смысл изменится. Также происходит и с аминокислотами: в зависимости от того какие аминокислоты и в какой последовательности входят в цепочку соединения, получается определенный белок. Если изменить последовательность соединения или одну из молекул аминокислот, то перед нами окажется новый белок.

Определение аминокислотной последовательности первого белка – инсулина принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию в 1958 г.

Белки различаются по аминокислотному составу, по числу аминокислотных звеньев, по их порядку расположения в цепи. В цитоплазме находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд пополняется аминокислотами, постоянно поступающими в клетку вследствие расщепления ферментами запасных белков и белков пищи.

Все белки обладают одним из четырех уровнем организации (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Структура молекулы белка:

а – первичная (фрагмент полипептидной цепи); б – вторичная (фрагмент спирали, точками показаны водородные связи, R1, R2 – различные радикалы); в – третичная и г – четвертичная спирали

Первичный уровень – линейная последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидную цепь.

Вторичный уровень – полипептидная цепь, закрученная в спираль. Правозакрученная α-спираль возникает в результате образования водородных связей между кислородом С=О групп и водородами N-H групп, между первым и третьим аминокислотными звеньями (глобин). Складчатая β-спираль возникает в результате образования водородных связей между параллельно ориентированными участками полипептидной молекулы (кератин волос). Трехчленная спираль – спиралевидная структура результат переплетения трех полипептидных связей (коллаген).

Третичный уровень – полипептидные цепи в результате пространственной укладки образуют глобулу (клубок), которая характерна для большинства белков и поддерживается ионными, водородными связями, дисульфидными мостиками (–S–S–), гидрофобными взаимодействиями, возникающими между радикалами. Все глобулярные белки – ферменты, антитела, гормоны.

Четвертичный уровень не является универсальным и характерен для немногих белков. На этом уровне организации белки состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле дисульфидными мостиками, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Например, молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых связана с одной группой гемма, удерживающего кислород.

Правильное сворачивание полипептидных цепей и формирование пространственной структуры белков в клетках эукариот идет с участием специфических белков, называемых шаперонами.

Для белков с третичным и четвертичным уровнями организации характерно явление временной или постоянной утраты функциональной активности; это явление получило название денатурация (рис. 3.2). При денатурации происходит переход на более низкий уровень организации, например на вторичный. Денатурация бывает обратимая и необратимая, причем факторы, вызывающие ее, разнообразны – действие химических реагентов, изменения рН, температуры и давления. Примером является злокачественная гипертермия, – угрожающее жизни повышение температуры тела (44 °С) – возникающая у особо чувствительных лиц при применении ингаляционного наркоза во время хирургических вмешательств и приводящая к необратимой денатурации белков, и затем к смерти больного.

Рис. 3.2. Денатурация белка

Однако, при обратимой денатурации возможен переход белка в исходное состояние, называемый ренатурацией. Немалая роль в этом принадлежит шаперонам с молекулярной массой около 60 кДа, 70 кДа и 90 кДа их называют белкам теплового шока (англ. HSP, Heat shock proteins) и обозначают Hsp60, Hsp70 и Hsp90. Данные белки синтезируются клетками в ответ на тепловой шок и принимают участие в предотвращении денатурации белков, в восстановлении их до первоначального состояния. Белки теплового шока обнаружены в клетках практически всех живых организмов – от бактерий до человека.

Огромное разнообразие белков обеспечивает и множество выполняемых ими функций.

Каталитическая или ферментативная функция. Белки-ферменты катализируют биохимические реакции в организме. Ни один процесс в клетке не происходит без участия ферментов (редупликация ДНК, синтез РНК, белков, АТФ, фотосинтез, дыхание и др.).

Транспортная функция. Ее выполняют белки плазмы крови, например, гемоглобин выполняет газотранспортную функцию, многие альбумины и глобулины плазмы транспортируют витамины, лекарственные препараты, ионы металлов; белок ферритин транспортирует железо. На мембране клеток локализовано большое количество белков-переносчиков, которые транспортируют в клетку и из нее ионы калия, натрия, кальция, аминокислоты, глюкозу и т. д.

Структурная функция. Структурные белки участвуют в образовании всех мембранных и немембранных органелл, цитоскелета, некоторых внеклеточных структур.

Двигательная функция. Эту функцию осуществляют белки актин и миозин, создавая в клетке актомиозиновую систему. Особенно хорошо она развита в клетках поперечно исчерченной мускулатуры.

Рецепторная функция. Выполняется белковыми молекулами, которые локализованы в наружной мембране клеток. Они могут соединяться с сигнальными молекулами и изменять свою структуру, передавать сигнал в клетку.

Защитная функция. Осуществляется иммуноглобулинами или антителами, которые препятствуют внедрению в организм любых антигенов. Белки системы свертывания крови препятствуют внезапным кровопотерям.

Регуляторная функция. Большое количество гормонов имеют пептидную природу, например гормоны гипофиза и гормоны поджелудочной железы, или инсулин. Многие белки в плазме крови способны определять и регулировать ее физико-химические свойства, поддерживать постоянное рН. Все эти свойства определяет наличие белков альбуминов в плазме.

Контактная функция. Белки, входящие в состав наружных мембран клеток при взаимодействии друг с другом обеспечивают формирование межклеточных контактов, к таким белкам относятся, например, кадгерины.

Токсическая функция. Многие пептиды и белки входят в состав различных ядов, например ферменты фосфолипазы встречаются в составе ядов змей (кобра) и токсине холерного вибриона.

Депонирующая функция. У животных белки практически не запасаются, они могут накапливаться только в яйцеклетках в виде фосфопротеинов. У растений белки могут запасаться в виде гранул, основной их запас создается в семенах.

Энергетическая функция. При сжигании 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии.

Липиды. К липидам относятся жиры и жироподобные вещества, которые нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине). Содержание липидов в клетках составляет до 5 %, однако в жировой ткани их количество иногда может достигать 90 %. Наиболее распространены нейтральные жиры, стероиды (половые гормоны, холестерол, кортикостероиды, витамин D), воск, фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины, пигменты (каротиноиды, гемоглобин, хлорофилл и другие).

По химической структуре нейтральные жиры представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот; их общая формула имеет вид

,

где R – углеводородные радикалы.

Все жирные кислоты делятся на насыщенные (не содержащие двойные связи) и ненасыщенные (непредельные, содержащие двойные связи). К насыщенным кислотам относятся пальмитиновая и стеариновая, а к ненасыщенным – олеиновая и линолевая. Свойства жиров определяются составом и соотношением жирных кислот. Растительные жиры (масла) богаты непредельными жирными кислотами, поэтому они легкоплавкие, жидкие. Животные жиры при комнатной температуре твердые, что связано с содержанием насыщенных жирных кислот.

Биологически важными жироподобными веществами являются фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Общая формула фосфолипидов следующая:

,

где R – насыщенная жирная кислота; R^/ – ненасыщенная жирная кислота; R^// – холин [HOCH₂CH₂N⁺(CH3)₃]OH^–.

Фосфолипиды присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя, главным образом, в формировании фосфолипидного бислоя клеточных мембран. Большое значение имеют гликолипиды. В состав их молекул, наряду с многоатомным спиртом и высшими жирными кислотами, входят также углеводы; локализованы они преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны. Один из простейших гликолипидов входит в состав миелина – компонента оболочки нервных волокон.

Липопротеины – липидные молекулы, связанные с белками; их достаточно много в мембранах. В составе липопротеинов могут быть свободные жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфолипиды, холестерины.

Жироподобное вещество – холестерин – имеет чрезвычайно важное значение, как компонент биологических мембран, играет особую роль в регуляции текучести плазмолеммы, кроме того холестерин (холестерол) участвует в синтезе желчных кислот, витамина D3, образовании половых гормонов, некоторых гормонов надпочечников, нормализует деятельность нервной системы.

Различают липопротеины высокой плотности (ЛПВП) и липопротеины низкой плотности (ЛПНП). Первые обладают максимальной среди липопротеинов плотностью из-за высокого уровня белка относительно липидов. Частицы ЛПВП — наиболее мелкие среди липопротеинов диаметром 8–11 нм, частицы ЛПНП имеют диаметр 7–25 нм.

Класс ЛПВП — липопротеины плазмы крови, обладают выраженными антиатерогенными свойствами. Так как высокая концентрация ЛПВП существенно снижает риск атеросклероза и сердечно-сосудистых заболеваний, холестерин ЛПВП иногда называют «хорошим холестерином» (альфа-холестерином) в отличие от «плохого холестерина» ЛПНП (бета-холестерина), который, наоборот, увеличивает риск развития атеросклероза; ЛПНП переносят в организме холестерин, и их повышенный уровень может вызывать жировые отложения в стенках сосудов (как правило, в артериях). Уровень холестерина ЛПНП коррелирует с высоким риском развития атеросклероза и таких его проявлений, как инфаркт миокарда, инсульт и окклюзия периферических артерий. Стоит отметить, что мелкие ЛПНП — более атерогенны, чем более крупные.

Наследственной формой заболевания с высоким уровнем ЛПНП является наследственная гиперхолестеринемия, которая характеризуется отложением соединений холестерина (эфиров холестирина) в организме человека, в частности в сухожилиях.

К функциям липидов относятся:

1. Структурная. Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании и нормальном функционировании клеточных мембран.

2. Энергетическая. При окислении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж теплоты. Липиды обеспечивают 25–30 % всей энергии, необходимой организму.

3. Защитная. Подкожная жировая клетчатка защищает мышцы и внутренние органы от механического воздействия. Капсулы на внутренних органах препятствуют трению внутренних органов при движении.

4. Терморегуляционная. Слои жира в подкожной жировой клетчатке являются хорошим изолятором.

5. Липиды – источник эндогенной воды. Окисление 100 г жира дает примерно 105–107 г воды, которая очень важна для некоторых обитателей пустынь, в частности для верблюдов, способных обходиться без воды в течение 10–12 сут: жир, запасенный в горбе, используется именно в этих целях. Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные, впадающие в спячку, получают в результате окисления жира.

6. Регуляторная. Например, холестерол у млекопитающих регулирует жидкостность мембран, а также работу многих насосов и переносчиков белка. Витамины препятствуют самоокислению мембранных липидов. Из ненасыщенных жирных кислот в клетках человека, животных синтезируется простагландин, регулирующий сокращение мускулатуры внутренних органов, функцию различных отделов мозга, например, центров терморегуляции. Повышение температуры тела при различных заболеваниях связано с усилением синтеза простагландинов и возбуждением центра терморегуляции.

7. Синтетическая. Многие липиды – предшественники в биосинтезе гормонов, например половых (эстрадиола, тестостерона).

8. Сигнальная. Многие жирорастворимые витамины и стероидные гормоны участвуют в передаче нервного импульса в мышечном сокращении, в создании межклеточных контактов, в иммунохимических процессах.

Углеводы. Углеводами называют органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород, водород. В животной клетке углеводы обычно находятся в количестве, не превышающем 2–5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание достигает 90 % (клубни картофеля, семена и др.). Все углеводы подразделяются на моно-, олиго- и полисахариды.

Моносахариды – мономеры углеводов, простые сахара. В зависимости от числа углеводных атомов в их молекуле различают: триозы (глицеральдегид), тетрозы (эритроза), пентозы (рибозы, дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот, АТФ), гексозы (глюкоза, галактоза, фруктоза). Общую формулу моносахаридов можно написать как С_n(Н₂О)_m.

Глюкоза – виноградный сахар, ее общая формула С₆Н₁₂О₆:

.

В свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах, входит в состав важнейших поли- и дисахаридов. Глюкоза является основным и наиболее универсальным источником энергии для обеспечения метаболических процессов. Способностью усваивать глюкозу обладают все клетки организма. Снижение содержания глюкозы в крови человека влечет немедленное нарушение жизнедеятельности всех клеток, в том числе, нервных и мышечных, сопровождающееся обмороком или даже смертью. Уровень глюкозы в крови – биологическая константа (в норме поддерживается на уровне 4,45–6,05 ммоль/л), показатель гомеостаза (постоянство внутренней среды), он регулируется гормонами (инсулин, глюкагон). Глюкоза входит в структуры почти всех клеток органов и тканей, регулируя осмотическое давление (осморегуляция).

Фруктоза также широко распространена в природе:

.

Строение глюкозы и фруктозы различно, но молекулярные формулы совпадают – С₆H₁₂O₆. Путь распада фруктозы в организме короче, чем глюкозы, что имеет важное значение при питании больного сахарным диабетом, когда глюкоза очень слабо усваивается клетками.

Олигосахариды — углеводы, содержащие от 2-х до 10-ти моносахаридных остатков (от греч. ὀλίγος – немногий):

.

Олигосахариды, состоящие из одинаковых моносахаридных остатков, называют гомоолигосахаридами, а из разных – гетероолигосахаридами. Олигосахаридами, наиболее часто встречающимися в живых организмах, являются сахароза, лактоза, мальтоза. Сахароза имеет важное значение в жизни человека и животных и является одним из источников глюкозы.

Лактоза (молочный сахар) – также дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы:

.

Лактоза в больших количествах содержится в молоке. Расщепляющий лактозу фермент имеется у всех детей, однако он исчезает у взрослых людей некоторых этнических групп, например, жителей Юго-Восточной Азии.

Полисахариды – сложные высокомолекулярные углеводы, образованные сотнями и тысячами молекул моносахаридов. Типичные резервные полисахариды – крахмал, гликоген. Фрагмент молекулы крахмала имеет вид

.

К структурным полисахаридам относят клетчатку (целлюлозу). Гликоген – полисахарид, в виде которого углеводы запасаются в организме животных, грибов. В значительных количествах накапливается в клетках печени, мышцах, сердце и других органах; является важным поставщиком глюкозы в кровь. Целлюлоза – главный компонент структурной основы растений.

Крахмал состоит из 2-х полисахаридов – амилозы и амилопектина, образованных остатками глюкозы. Экспериментально доказано, что химическая формула крахмала (C₆H₁₀O₅)_n. Установлено, что крахмал состоит не только из линейных молекул, но и из молекул разветвленной структуры. Этим объясняется зернистое строение крахмала, который накапливается в виде зерен, главным образом, в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях. Крахмал – белый порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде он набухает, превращаясь в клейстер.

Сложные углеводы образуются при взаимодействии углеводов с белками, липидами, образуя при этом гликопротеины, гликолипиды; например – муреин, представляющий собой пространственную сетку из полисахаридных и полипептидных цепей. Муреин содержится в клеточных стенках бактерий. Первый антибиотик, введенный в клиническую практику – пенициллин, ингибирует синтез муреина бактериями, что приводит к их гибели. Антигены групп крови АВ0 являются гликолипидами, различающимися всего лишь одним моносахаридным остатком. На наружной мембране животных клеток углеводные части гликопротеинов и гликолипидов образуют гликокаликс – углеводную оболочку, окружающую клетку.

В живых организмах углеводы выполняют разнообразные функции.

Структурная и опорная функции. Углеводы участвуют в построении различных опорных структур. Так, целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных стенок растений. Полисахарид гиалуроновая кислота находится в межклеточном веществе, а также в хрящах человека и животных. Хорошо связываясь с водой (сильно выражена гидрофильность), набухший полисахарид выдерживает большие механические нагрузки.

Пластическая функция. Углеводы входят в состав сложных молекул (например, пентозы (рибоза и дезоксирибоза) участвуют в построении АТФ, ДНК и РНК).

Энергетическая функция. Углеводы служат источником энергии: при окислении 1 г углеводов выделяются 4,1 ккал и 0,4 г воды.

Запасающая функция. Углеводы выступают в качестве запасных питательных веществ: гликогена – у животных и человека, крахмала – у растений.

Осмотическая функция. Углеводы участвуют в регуляции осмотического давления в организме.

Рецепторная функция. Олигосахариды входят в состав воспринимающей части многих клеточных рецепторов.

К заболеваниям, связанным с углеводами, относят сахарный диабет, гликогенозы, мукополисахаридозы и др. При мукополисахаридозе ферменты, необходимые для разрушения гликолипидов, отсутствуют, либо дефектны, что приводит к избыточному накоплению в клетке гликолипидов и ее гибели. У больных мукополисахаридозом, отмечаются низкий рост, патологии строения костей, сетчатки глаза, кишечника, умственная отсталость и др. В связи с неуклонным прогрессированием заболевания нередко наступает летальный исход, больные доживают до 10–15 лет.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты (лат. nucleus – ядро) впервые были обнаружены в ядре клетки – сложные природные высокомолекулярные биополимеры, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, состоящие из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема строения нуклеотида

В природе существуют два типа нуклеиновых кислот, отличающихся по составу, строению и функциям: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, РНК – рибонуклеиновая кислота.

В составе нуклеотида ДНК пятиуглеродный сахар представлен дезоксирибозой

а в нуклеотиде РНК – рибозой.

Азотистые основания представлены производными пурина, пиримидина. Пуриновые основания:

А – аденин;

(хим.формула) (Верстальщику заверастать по-очереди формулы, стоящие внизу)

Г – гуанин.

(хим.формула)

Пиримидиновые основания:

Ц – цитозин;

(хим.формула)

Т – тимин;

(хим.формула)

У – урацил.

(хим.формула)

Тимин отличается от урацила наличием метильной группы (–СН₃). В составе нуклеотида ДНК содержится одно из четырёх азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин или тимин). В нуклеотиде РНК азотистое основание представлено аденином, гуанином, цитозином или урацилом.

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Модель пространственного строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты ДНК (рис. 3.4) в виде двойной спирали была предложена Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Для построения этой модели ученые использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа.

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые молекулы ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочную спираль). Диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами – 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров, ее молекулярный вес — десятки и сотни миллионов.(в чём измеряются?) Суммарная длина ДНК ядра клетки человека около 2 м.

Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид), состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и фосфорной кислоты (рис. 3.5). Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Р ис. 3.4. Схематическое изображение цепей ДНК

Рис. 3.5. Дезоксирибонуклеотид

Между 3'-углеродом остатка дезоксирибозы (см. рис. 3.5) одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь. Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой — 3'-углеродом (3'-концом). Напротив одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: напротив аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а напротив гуанина – всегда цитозин; между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности. Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к принципу комплементарности после работ Э. Чаргаффа. Изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, он установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа»). Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой. Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой.

В эукариотической клетке молекулы ДНК находятся в ядре, где вместе с белками образуют линейные структуры – хромосомы. Также ДНК имеются в митохондриях и пластидах, где их молекулы образуют кольцевые структуры.

В прокариотической клетке ДНК располагается в ядерной области – нуклеоиде (одна кольцевая молекула) и в цитоплазме (плазмиды – маленькие кольцевые молекулы ДНК).

Главное свойство молекулы ДНК – репликация или самоудвоение (рис. 3.6). Репликация происходит в синтетическом периоде жизненного цикла клетки; она позволяет сохранить постоянство структуры ДНК. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая – вновь синтезированной. Данный способ синтеза называется полуконсервативным.

Если под воздействием различных факторов в процессе репликации в молекуле ДНК изменяется число или порядок следования нуклеотидов, то возникают мутации.

Молекула ДНК способна «исправлять» возникающие в ее цепях изменения, т. е. восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов. Такое свойство ДНК называется репарацией.

Рис. 3.6. Схема удвоения ДНК

Функциями ДНК являются хранение и передача наследственной информации. Информацию ДНК хранит в виде последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу. В ней зашифрована информация о последовательности аминокислот в молекуле белка. Участок молекулы ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называют геном.

Рибонуклеиновая кислота. В отличие от ДНК, молекула РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение составляют некоторые РНК-содержащие вирусы, они имеют двухцепочную структуру) (рис. 3.7).

Мономер РНК – нуклеотид (рибонуклеотид), состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (рибозы) и фосфорной кислоты.

Рис. 3.7. Сравнение фрагмента молекул ДНК и РНК:

1 – азотистые основания; 2 – пары оснований; 3 –сахарофосфатный остов

Выделяют три вида РНК, которые представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеющие специфическую пространственную конформацию и участвующие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Итак, в зависимости от выполняемых функций РНК бывают трех видов.

Информационные или матричные РНК (иРНК или мРНК) разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). Фрагмент молекулы иРНК:

На долю иРНК приходится до 5 % от общего содержания РНК в клетке; иРНК образуется в ходе транскрипции, осуществляемой специальными ферментами — РНК-полимеразами. По строению иРНК комплементарна участку молекулы ДНК, с которого считывалась информация. Затем мРНК принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом.

Транспортные РНК (тРНК) содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25000–30000 кДа. На долю тРНК приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК — транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. У любой тРНК есть акцепторный стебель, антикодон (рис. 3.8), представляющий собой триплет (тринуклеотид), участок в тРНК, который спаривается с кодоном мРНК и обеспечивает включение соответствующего аминокислотного остатка в белок в процессе трансляции. Кодо́н (кодирующий тринуклеотид) — единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном.

Рис. 3.8. Строение тРНК

Аминокислота присоединяется к 3'-концу акцепторного стебля. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рибосомные РНК (рРНК) содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса 1 000 000 – 1 500 000 Да. На долю рРНК приходится 80–85 % от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органеллы, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник энергии в живых клетках, содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ, в среднем, составляет 0,04 % от сырой массы клетки и наибольшее её количество (0,2–0,5 %) содержится в скелетных мышцах.

Состоит АТФ из остатков: азотистого основания (аденина); моносахарида (рибозы); трех остатков фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам:

Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом, во время отщепления концевого остатка фосфорной кислоты, АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту) (рис. 3.9), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты – в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту).

Рис. 3.9. Структура АТФ. Превращение АТФ в АДФ

Выход свободной энергии при отщеплении остатков фосфорной кислоты составляет около 40 кДж/моль. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими) и обозначаются знаком «~».

Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).

Также АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии; АМФ входит в состав всех РНК.

Схема гидролиза АТФ:

АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄ + 40 кДж;

АДФ + Н₂О = АМФ + Н₃РО₄ + 40 кДж.

Помимо мононуклеотидов, важную роль в обмене веществ играют динуклеотиды НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), относящиеся к группе коферментов (органические молекулы, сохраняющие связь с ферментом только в ходе реакции), имеющие в своем составе два азотистых основания (аденин и амид никотиновой кислоты), два остатка рибозы и два остатка фосфорной кислоты.

Если АТФ – универсальный источник энергии, то НАД⁺ и НАДФ⁺ являются универсальными акцепторами (лат. acceptor – приемник) энергии, а их восстановленные формы (НАД∙Н и НАДФ∙Н) – универсальными донорами восстановительных эквивалентов (двух электронов и одного протона). Атом азота, входящий в состав остатка амида никотиновой кислоты, четырехвалентен и несет положительный заряд (НАД⁺). Такое азотистое основание легко присоединяет два электрона и один протон (т.е. восстанавливается) в тех реакциях, в которых от субстрата отрываются два атома водорода (второй протон уходит в раствор):

Субстрат – Н₂ + НАД⁺ → субстрат + НАДН + Н⁺ .

Присоединение фосфатной группы к остатку рибозы в молекуле НАД⁺ выглядит так:

Присоединение двух электронов и одного протона (аниона Н^–) к НАД⁺:

В обратных реакциях ферменты, окисляя НАД∙Н или НАДФ∙Н, восстанавливают субстраты, присоединяя к ним атомы водорода (второй протон приходит из раствора).

Окисление различных субстратов в процессе энергетического обмена приводит к накоплению атомов водорода в виде НАД∙Н (реакции цикла Кребса, окисление жирных кислот и т. д.), который может использоваться в различных реакциях биосинтеза, окисляться в дыхательной цепи митохондрий; освобожденная при этом энергия запасается в виде АТФ.

Образование НАДФ∙Н происходит при окислительном расщеплении углеводов, у растений – при фотосинтезе, а также НАДФ∙Н используется для получения энергии в дыхательной цепи митохондрии.