Биохимические составляющие живого вещества

4. Нуклеиновые  кислоты

Нуклеиновые кислоты образуют самые крупные молекулы, синтезируемые живыми организмами. Они существуют в виде полимерных макромолекул, участвующих в хранении и передаче наследственной информации.Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет структуру белков;рибонуклеиновая кислота (РНК) ответственна за создание белков. В управленческой структуре на «фабрике жизни» ДНК представляет законодательную власть, а РНК — исполнительную.

В качестве мономеров нуклеиновые кислоты содержат элементы аминокислот. Мономерные звенья цепи нуклеиновых кислот называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержащего основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и одной или нескольких фосфатных групп, соединенных ковалентными связями с пентозой, которая также ковалентно связана с одним из возможных азотсодержащих оснований (рис. 1.3.).

Рис. 1.3. Строение нуклеотида — мономера нуклеиновых кислот.

Такими основаниями являются цитонин (Ц), тимин (Т), аденин (А) и гуанин (Г). В любой молекуле ДНК образуются звенья, вкоторых молекулы азотистых оснований состоят из пар Ц — Г и А — Т и образуют как бы закрученную «винтовую лестницу со ступеньками» из пар перечисленных нуклеотидов. Сами нуклеотиды содержат атомы кислорода, углерода, азота и фосфора. Пары цитонин — гуанин и аденин — тимин являются термодинамически более стабильными, чем другие основания, что важно для стабильности жизни. Такая структура образует знаменитую двойную спираль ДНК, расшифрованную американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским физикомФ. Криком (р. 1916) в 1953 г. Спираль ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой (рис. 12.5). Расположение этих четырех типов пар в молекуле ДНК дает указание молекуле РНК, как надо строить белок. Установлено, что в живом организме эти цепи могут состоять из миллионов пар в ряду и свернуты в клубки, подобно белковым молекулам. Подсчитано, что число возможных вариантов комбинаций пар огромно: из четырех звеньев количество вариантов составляет около 100 миллионов. Такое разнообразие строения молекул ДНК обеспечивает и разнообразие живых организмов. Моносахарид в виде пентозы или гексозы(6-атомныйсахар) может входить в состав нуклеотида в видеβ—D-рибозы иβ—D-дезоксирибозы.Поэтому нуклеотиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеотидами и являются мономерными звеньями в молекуле РНК, а содержащие дезоксирибозу, — дезоксирибонуклеотидами и образуют молекулы ДНК.

Нуклеотиды, полимеризуясь в молекулу нуклеиновых кислот, присоединяются друг к другу так, что фосфатная группа каждого следующего нуклеотида связана с сахаром предыдущего нуклеотида, в результате чего образуется длинная цепь, называемая сахарофосфатным остовом молекулы (рис. 1.4.).

 

 

 Основания располагаются по  одну сторону от этого остатка. Поскольку молекула ДНК состоит  из двух цепей, ее можно сравнить  также с 

веревочной лестницей, где роль «веревок» играют сахаро-фосфатныеостовы, а «перекладин» — основания, расположенные перпендикулярно оси спирали. Молекулы РНК бывают трех типов: матричная или информационная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). Молекула мРНК является копией{транскриптом) соответствующей ДНК. Этот транскрипт служит матрицей для синтеза белка. Каждые три пары последовательных оснований мРНК (они называютсякодоном) дают один аминокислотный остаток. Молекулы тРНК в процессе синтеза белка переносят специфичные аминокислотные остатки к определенному участку мРНК. рРНК образует рибосому. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК и РНК определяет порядок расположения аминокислот и их воспроизведение в первичных структурах белков. Таким образом, через молекулы ДНК и РНК передается информация о наследственных свойствах биологических структур и реализуется механизм наследственности.

5. Углеводы6

Углеводы (состоящие из углерода и воды) — это большая группа природных органических соединений Сm(Н2O)n, гдет иn могут быть разными. Химические свойства углеводов определяются гидроксильной группойОН-,они первичные продукты фотосинтеза и основные исходные продукты биосинтеза других веществ в растениях. Роль мономеров в углеводах играютмоносахариды: глюкоза и фруктоза. В состав простых сахаров входят атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1:2:1

(например, С6 Н12 Об):

Моносахариды обеспечивают организм необходимой энергией, причем сахара — это источник быстро получаемой энергии, потому что они легко переходят в форму, пригодную для удовлетворения энергетических потребностей организма. Простые сахара могут соединяться с образованием более крупных молекул дисахаридов и полисахаридов. Дисахариды подразделяются на тростниковый сахар (сахароза), солодовый сахар (мальтоза) и молочный сахар (лактоза); они образуются соответственно

врастениях тростника, свеклы, солода или в молоке. Извлеченная из тростника или свеклы сахароза называется сахаром.

Из моносахаридных звеньев образуются разветвленные полимерные цепи, не растворимые в воде и не сладкие на вкус. Они называются полисахаридами. Так, полисахарид животного происхождения гликоген является полимером глюкозы, которая запасается в печени организма. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала, например

вкартофеле. Растения синтезируют также другой полимер глюкозы — целлюлозу. Гликоген, крахмал и глюкоза построены из мономеров глюкозы, но с разными химическими связями. Волокна из целлюлозы желудок человека не переваривает, но они играют важную роль в рационе нашей пищи, так как придают ей объемность и грубую консистенцию, стимулирующие перистальтику желудка.

Крахмал и гликоген для растений и животных являются пищей и играют роль поставщика и резерва энергии. Целлюлозу наряду с пищей для бактерий, грибов и некоторых видов жвачных животных используют в природе и технике как строительный материал: из нее состоят бумага и хлопчатобумажные ткани и до 40% клеточных стенок растений. Каждый из углеводов имеет определенный химический состав и структуру.

В живых клетках простые сахара расщепляются до диоксида углерода (СO2) и воды с выделением энергии, запасенной в молекулах сахара, которую клетки используют для самых разнообразных своих потребностей: синтеза белка, активного транспорта белков, выведения отходов, процессов клеточного дыхания и обмена, сокращения мышц, деления клеток, различных биохимических реакций и др. Источником энергии для всех этих видов биологической активности служат органические молекулы, в которых запасена химическая энергия, выделяемая при разрыве химических связей.

7Во всех организмах содержится нуклеотид аденозитрифосфат (АТФ), который образуется, в частности, при расщеплении сахара (рис. 1.5.).

 

 

 

 АТФ состоит из трех фосфатных  групп и остатков азотистого  основания (аденина) и остатка сахара (рибозы). При разрыве каждой из  двух химических связей, обозначенной  волнистой линией на рисунке, выделяется много энергии. Каждая  из фосфатных групп может быть  отщеплена путем растворения  в воде, образования ортофосфата  или неорганического фосфата  ФH и аденозиндифосфата АДФ:

АТФ ->АДФ + ФH + энергия.

Процесс идет постадийно с выделением свободной энергии:

АТФ + Н2О-> АДФ + ФH + Н+,∆G =-30кДж/моль;

АДФ + Н2О-> АМФ + ФH + Н+,∆G = -30кДж/моль;

АМФ + Н2О-> аденозин + ФH + Н+,∆G = -13кДж/моль,

где Н+ — положительный ион водорода,∆G — изменение свободной энергии, выделяемой при отрыве концевой фосфатной группы. Обычно клетки извлекают энергию из АТФ во время клеточного дыхания, отщепляя от его молекулы только одну фосфатную группу. Процесс получения свободной энергии схематически показан на рис. 12.8, а процесс образования самой молекулы АТФ —

Рис. 1.6. Схема получения свободной энергии с участием АТФ.

 

 

Рис. 1.7. Схема образования молекулы АТФ

В работе П. Кемп и К. Армc роль АТФ в получении и обмене энергии в клетке сравнивают с ролью денег в нашей жизни. Клетка нуждается в АТФ так же, как и мы в наличных деньгах для платы за наши покупки и удовольствия, клетка с избыточным количеством АТФ может синтезировать питательные вещества (например, те же сахара), вкладывая эти «сбережения» энергии в банк, т.е. в АТФ, которые затем можно пустить в дело в виде «живых» денег для удовлетворения своих нужд.8

 

Рис. 1.8. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в энергетических процессах живого организма.

 

 

Процесс превращения энергии в фосфатной связи определяется процессами осмоса и связан с энергией переноса электронов, а фосфагены — молекулы, аккумулирующие энергию, были обнаружены во всех живых организмах, от бактерий до животных. Американский биохимик Ф. Липман рассматривал их функции также как некую универсальную энергетическую «валюту» в биологических системах и сравнивал роль фосфора с током в своеобразном метаболическом генераторе (рис. 12.10). Фосфагены, как и гликогены, отличаются от других возможных аккумуляторов энергии тем, что они способны быстро удовлетворять энергетические потребности организма.

 

6. Липиды

Липиды — водонерастворимые органические углеводородные вещества, или содержащие их — присутствуют во всех живых клетках и тканях. Они очень разнообразны по составу и структуре, но обладают одним общим свойством: их молекулы неполярны. Поэтому они растворимы в неполярных жидкостях, например в эфире, но нерастворимы в воде. Нерастворимость в воде делает липиды важнейшим компонентом мембран, разделяющих в живых организмах, и в частности в клетках, отсеки, заполненные водным раствором. Кроме АТФ сахаров — липиды — главная форма хранения энергии в животном организме, так как липиды, в отличие от углеводов в виде сахаров, могут сохраняться в концентрированном виде без воды.

Любое избыточное количество сахара, съеденное человеком и не израсходованное им сразу 9же на энергетические потребности, быстро превращается в жир. Чтобы иметь оптимальные размеры тела, надо тратить энергию, двигаться, работать, а не накапливать свой жир про запас! А бегунам на длинные дистанции (марафонцам), наоборот, для пополнения запаса энергии во время бега дают глюкозу. На представлениях об углеводах и липидах созданы некоторые лекарства и народные средства. Так, диабетикам полезны фрукты, которые наряду с сахаром содержат клетчатку и не повышают сахар крови, а рекламируемый «поглотитель жира» содержит вещества, связывающие излишек липидов в соединения, которые затем удаляются из организма.

По своим функциональным качествам липиды разделяются на три группы:

•структурные и рецепторные элементы мембран и клеточных поверхностей;

•«депо» энергии;

•передатчики биологических сигналов.

 

Рис. 1.9. Структура ненасыщенных (а) и насыщенных (б) жирных кислот.

Рис. 1.10. Растворение ионного конца жирной кислоты в воде.

 

Для первых двух основными компонентами являются жирные кислоты, в третью группу входятвитамины истероидные гормоны.10

Жирные кислоты содержат молекулы с длинной цепью из атомов углерода и водорода с карбоксильной группой (—COOH)на одном из концов. В насыщенной жирной кислоте нет ненасыщенных связей между атомами углерода, а в ненасыщенной они есть (рис. 12.11), т.е. ненасыщенные кислоты содержат двойные и (реже) тройные связи. Карбоксильный конец любой молекулы жирной кислоты полярен и поэтому растворим в воде. Это связано с тем, что карбоксильная группа (ионный конец) диссоциирует, а сама длинная углеводородная цепь нерастворима в воде. Благодаря этой особенности молекулы жирных кислот располагаются на поверхностях раздела между водой и неполярными органическими веществами, например маслом, и ориентируются так, что их ионные концы обращены к воде (рис. 12.12). Известный всем эффект действия мыла на жир состоит в том, что мыло, содержащее модифицированные жирные кислоты, очищает загрязненные поверхности, удаляя с них капельки масла или жира. Молекулы мыла окружают такую капельку, и их углеводородные цепи растворяются в масле (рис. 1.11).

Водорастворимые карбоксильные группы выходят наружу, т.е. находятся в воде. В результате этого процесса капля растворяется в воде, отделяется от загрязненной поверхности и всплывает.

Триацилглицеролы содержат молекулы, которые образованы в результате присоединения трех остатков жирных кислот к одной молекуле трехатомного спирта. К этой группе относятся масла (жидкие) и жиры (твердые). В маслах больше ненасыщенных жирных кислот, чем в жирах. В организмах животных, обитающих в холодном климате, например рыб арктических морей, содержится больше ненасыщенных триацилглицеролов, чем у обитателей теплого климата. Биологи отмечают, что благодаря этому тело этих рыб остается более гибким и при низких температурах. Согласно биохимии это связано со стойкостью к расщеплению насыщенных жирных кислот. К двойной связи атомов углерода ненасыщенной кислоты может присоединиться дополнительная пара атомов водорода.

Кроме того, что жиры обеспечивают до 30% энергопотребности организма, они играют важную роль в организме. Накапливаясь в жировых тканях, окружающих внутренние органы, жиры обеспечивают механическую защиту и теплоизоляцию организма, а также образуют мягкую упругую подкладку в тех местах, которые подвергаются механическому воздействию. С жирами в организм человека поступают вещества, обладающие высокой биологической активностью, — витамины A, D, Е, К, лецитин и другие стерины, регулирующие жировой и холестериновый обмен.

В молекулах фосфолипидов один или два остатка жирных кислот заменены группами, содержащими фосфор, иногда азот. Фосфолипиды являются важными компонентами многих мембран.Стероиды — это липиды, состоящие из четырех колец, к которым присоединены различные боковые группы. К ним относится ряд гормонов.Гормоны — вещества, производимые специальными тканями высших живых организмов и передающие специфичные химические сигналы. Их функция состоит в передаче информации отклеток-датчиков,находящихся в непосредственном контакте с окружающей средой. Гормоны легко распространяются по всему организму и когда освобождаются вырабатывающей их тканью, то все органы и ткани, способные реагировать на них, делают это почти одновременно. Благодаря такой согласованной реакции все части организма приходят в состояние, наиболее соответствующее условиям внешней среды.