Биохимия жизни

Основа жизни – биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Белки – высокомолекулярные полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.

Рис.18.3. Пример строения аминокислоты – цистеина

Мономерами для строения являются 20 разных аминокислот, каждая из которых имеет особое строение, свойства и название. Молекула аминокислот состоит из двух частей, одна часть из которых у всех одинакова. В нее входят аминогруппа NH₂ и кислотная карбоксильная группа (СООН). В качестве примера запишем структуру одной из аминокислот – цистеина. Другая часть – радикал, она у аминокислот различная. Сцепление аминокислот при образовании белкового полимера осуществляется через общую часть. Аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксилом соседней. От аминогруппы отщепляется атом водорода Н, а от карбоксила – ОН. За счет освободившихся связей молекулы аминокислот срастаются, а отделившиеся молекулы образуют воду Н+ОН=Н₂О. Такая связь аминокислот называется пептидной.

Природный белок содержит десятки, сотни аминокислотных звеньев, а их масса составляет сотни тысяч атомных единиц массы и иногда достигают даже миллиона. Такие соединения называют макромолекулами.

В структуре белка различается несколько уровней организации. Первичная структура – цепь аминокислотных звеньев с прочными ковалентными связями молекул. Вторичная структура, в которой молекула белка закручена по винтовой линии – пространственная спираль, витки которой расположены достаточно близко. Между атомами и аминокислотными радикалами возникает притяжение в результате водородных связей, и хотя они слабее ковалентных при их многократном повторении обеспечивается прочное сцепление витков макромолекулы. Пространственная спираль при своей укладке формирует третичную структуру. Молекула белка сворачивается сложным причудливым образом, но вполне определенно и для каждого из белков строго специфично. Белковые макромолекулы, соединяясь друг с другом, могут образовывать громадные агрегаты в виде гемоглобина – комплекса из четырех макромолекул. Именно в таком состоянии гемоглобин может соединять и транспортировать кислород. Такие полимерные образования белка называют четверичными структурами.

Функционирование белков лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организмов:

– белки представляют собой строительный материал живого;

– они являются катализаторами биохимических реакций, причем каждая реакция катализируется своим особым ферментом;

– особые сократительные белки обеспечивают все функции движений, на которые способны клетки и организмы;

– транспортная функция белков заключена в переносе ионов, липидов, сахаров или кислорода гемоглобином;

– специальные белки – антитела связывают и обезвреживают чужеродные вещества, выполняя защитные функции;

– они осуществляют преобразования и утилизацию энергии, поступающей в организм с питанием;

– регуляторные белки ответственны за биосинтез белков и нуклеиновых кислот, к ним относятся и гормоны, выделяемые эндокринными железами;

– рецепторные белки осуществляют информационные функции.

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации в живых организмах.

Они играют центральную роль в синтезе белков, обеспечивая воспроизводство белков той же структуры и состава, которые имеются у материнской клетки. Мономеры нуклеиновых кислот – нуклетиды. Различают два типа нуклеиновых кислот: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота и РНК – рибонуклеиновая кислота.

Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных одна вокруг другой цепей, достигающих по длине сотых и даже десятых долей миллиметра. Это в сотни и тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы. В состав ДНК входят четыре типа нуклеотидов, каждый из которых представляет собой химическое соединение трех веществ: азотистого основания, углевода (дезоксирибоза) и фосфорной кислоты. Последние компоненты у нуклеотидов одинаковы. Они отличаются только азотистыми основаниями: аденин (А), гуанин (Г), и тимин (Т) и цитозин (Ц). Соответственно и нуклеотиды называются адениловый, гуаниловый, тимидиловый и цитидиловый. Сцепление их в цепь происходит через фосфорную кислоту и дезоксирибозу. При образовании ДНК высвобождаются молекулы воды, а остатки нуклеотидов соединяются прочной ковалентной связью. Цепь содержит десятки тысяч нуклеотидов, поэтому число возможных вариаций из четырех элементов очень велико. Структурная двойная спираль имеет достаточно важную закономерность. Напротив аденилового нуклеотида обязательно расположен тимидиловый, напротив гуанидового – только цитидиловый. Пространственная форма азотистых оснований позволяет сближаться друг с другом в сторого определенных сочетаниях: Т – А,

Рис. 18.7 Схема соединения спиральной двухзвенной цепи

Г – Ц. Такие пары нуклеотидов называются дополнительными, а свойство избирательного взаимодействия – комплементарностью (дополнительность). В результате вместо одной молекулы (см. рисунок) ДНК возникают две молекулы такого же состава. Такой процесс носит название репликации удвоения. Молекулы РНК в зависимости от выполняемых ими функций по-разному именуются.

Транспортные (т–РНК) переносят аминокислоты к месту синтеза белка. Информационные или матричные (м–РНК) переносят информацию о структуре белка, который должен синтезироваться. Рибосомные (р–РНК) содержатся в рибосомах.

Монополимерами РНК являются четыре нуклеотида, состоящих из остатков азотистого соединения, рибозы и фосфорной кислоты. Три нуклеотида имеют те же азотистые основания: аденин, гуанин и цитозин. Четвертый нуклеотид называется уридиловым (У). Он содержит урацил, близкий по строению к тимину. Нуклеотиды РНК также сцепляются друг с другом ковалентной связью между рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой соседнего.

В ДНК содержится и хранится информация о структуре белков в отрезке называемом геном.

Генетический код – система «записи» наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот.

Сущность кода состоит в том, что каждой аминокислоте соответствует свой участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Синтез белка происходит в рибосомах, куда направляется точная копия информации о структуре белка через т– РНК, которая синтезируется на ДНК в точности повторяя последовательность нуклеотидов в одной из цепей гена. Этот процесс называется транскрипцией – переписыванием. При этом происходит создание новой молекулы РНК на основе принципа комплементарности.

Матричный синтез белка происходит в рибосомах. При этом в каждую рибосому непрерывным потоком идут молекулы т–РНК с прикрепленными к ним аминокислотами. Рибосома движется вдоль цепи молекулы м–РНК. т–РНК задевают своим кодовым концом место контакта рибосомы в матричной РНК. Отщепление аминокислоты произойдет, если код т– РНК окажется комплементарным к данному участку м–РНК. Свободная т–РНК выбрасывается в окружающую среду, а освобожденная аминокислота соединяется с предшествующей аминокислотой.