Молекулярная структура живого

Элементарный молекулярный состав живого. Знакомство с живыми системами мы начинаем с молекулярно-генетического уровня. Это уровень молекул, которые составляют структурную и функциональную основу клеток живых организмов – элементарных «кирпичиков» жизни. Именно элементарный и молекулярный состав клеток, применительно к живому, и является тем «корнем», к которому советует внимательно присмотреться Козьма Прутков. Как космические тела, так и живые организмы не содержат ни одного химического элемента, которого не было бы на Земле, что доказывает единство элементарного состава Природы.

Вспомним, что из всех известных 104 элементов, входящих в Периодическую систему Д. И. Менделеева, в живой клетке обнаружено около 80.

Более 90% от массы клетки составляют углерод, водород, азот и кислород. В значительно меньших количествах в клетке встречаются сера, фосфор, калий, натрий, кальций, магний, железо и хлор. Все остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор, кобальт, марганец и др.) вместе составляют не более 0.02% от массы клетки. Поэтому их называют микроэлементами. Микроэлементы входят в состав гормонов, ферментов и витаминов, т. е. соединений, обладающих высокой биологической активностью. Например, недостаток в организме йода, необходимого для производства гормона щитовидной железы – тироксина, приводит к уменьшению выработки этого гормона и, как следствие, к развитию тяжелых заболеваний, в том числе кретинизма.

Большую часть содержимого клетки составляет вода. Многие вещества поступают в клетку или выводятся из нее в виде водных растворов, в водной среде протекает и большинство внутриклеточных реакций. Более того, вода принимает и непосредственное участие в ряде химических реакций, отдавая образующимся соединениям ионы H⁺ или OH‾. Благодаря своей высокой теплоемкости вода стабилизирует температуру внутри клетки, делает ее менее зависимой от колебаний температуры в окружающей клетку среде.

Кроме воды, составляющей 70% от объема клетки, в ее состав входят органические вещества – соединения углерода. Среди них различают небольшие молекулы, содержащие до 30 атомов углерода, и макромолекулы. К первым относят простые сахара (моносахариды), липиды, аминокислоты и нуклеотиды. Они служат «кирпичиками» для построения макромолекул, а, кроме того, играют существенную роль в процессах обмена веществ и энергии живой клетки.

При объединении простых сахаров образуются сложные сахара – полисахариды: целлюлоза, например, формирует стенки растительных клеток; хитин выполняет ту же функцию у грибов и входит в состав покровов членистоногих. Полисахариды, построенные из простого сахара глюкозы, служат основными энергозапасающими веществами клеток (в растительных клетках – это крахмал, а в животных – гликоген).

Молекулы сахаров выполняют еще одну важную функцию. Каждая клетка имеет на поверхности характерный набор сахаров, что позволяет распознавать клеткам друг друга (например, при различении проникших в организм микроорганизмов и запуске реакций иммунного ответа). Можно в этой связи провести аналогию с отпечатками пальцев, которые так же индивидуальны для каждого человека.

Обязательно в живой клетке присутствуют и липиды – производные жирных кислот, спиртов или альдегидов. Фосфолипиды служат главным материалом для построения окружающей клетку мембраны. Велика роль липидов (особенно жиров) и как запасных питательных веществ – по своей энергетической ценности жиры превосходят полисахариды.

И все же основа жизни на уровне молекул – это белки и нуклеиновые кислоты, о которых поговорим более подробно.

Аминокислоты и белки.

Белкам принадлежит особая роль в живой природе. Они служат строительным материалом клетки и практически ни один из процессов, которые протекают в клетках, не обходится без их участия. Поэтому определение Ф. Энгельса: «жизнь – есть форма существования белковых тел», хотя и недостаточное, но зерно истины содержит. В чем же состоит уникальность белков?

Молекула белка представляет собой цепочку аминокислот, причем число звеньев в такой цепочке может колебаться от десятка до нескольких тысяч. Соседние аминокислоты связаны друг с другом особым типом химической связи, которая носит название пептидной. Связь эта образуется в процессе синтезе белка, когда карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с примыкающей к ней аминогруппой другой.

Аминокислот, участвующих в построении белков, всего 20. Однако порядок их чередования в белковой цепочке самый разный, что создает возможность для огромного количества сочетаний, а, следовательно, и для построения многочисленных типов белковых молекул. Следует отметить, что только растения способны синтезировать все 20 аминокислот, необходимых для построения белков. Животные же получают ряд аминокислот, называемых «незаменимыми», питаясь растениями.

Последовательность аминокислот в молекуле белка обозначают как первичную структуру белка. Различают и вторичную структуру белка, под которой понимают характер пространственного

расположения отдельных фрагментов цепи аминокислот.

Во вторичной структуре выделяют спиральные или складчатые структуры. В их формировании важная роль принадлежит водородным связям,
устанавливающимся между кислородом и водородом пептидных связей
(─N─ H ∙∙∙ O=C─) разных аминокислот.

Под третичной структурой белка подразумевается пространственное расположение всей аминокислотной цепи.

Третичная структура имеет прямое отношение к форме молекулы белка, которая может быть нитевидной (фибриллярные белки), либо округлой (глобулярные белки). В последнем случае молекула свертывается таким образом, что ее гидрофобные участки оказываются внутри, а полярные гидрофильные группы – на поверхности. Образующаяся в результате пространственная структура носит название глобулы.

Наконец, в состав некоторых белков может входить несколько глобул, каждую из которых формирует самостоятельная цепочка аминокислот. Соединение нескольких глобул в единый комплекс обозначают термином четвертичная структура белка. Например, молекула белка гемоглобина состоит из четырех глобул, четвертичной структурой обладают многие ферменты.

Итак, молекула белка способна самоорганизовываться в сложную пространственную структуру, конфигурация которой специфична и определяется последовательностью аминокислот, т. е. первичной структурой белка.

Это одно из уникальных свойств белков, лежащее в основе многих из выполняемых ими функций. В частности, на специфичности пространственной структуры белковой молекулы основан механизм распознавания ферментами (биологическими катализаторами) своего субстрата, т. е., молекулы, которая после взаимодействия с ферментом испытывает те или иные химические преобразования и превращается в продукт.

Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Нуклеотиды состоят из азотсодержащего циклического соединения (азотистого основания), пятиуглеродного сахара и остатка фосфорной кислоты. Они служат кирпичиками, из которых построены макромолекулы нуклеиновых кислот.

В состав молекул РНК (рибонуклеиновая кислота) входят нуклеотиды, построенные на основе сахара рибозы и содержащие в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и урацил (У). Нуклеотиды, составляющие молекулу ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), содержат дезоксирибозу, а вместо урацила – тимин (Т).

Сцепление нуклеотидов между собой в молекуле ДНК (РНК) происходит благодаря связи фосфорного остатка одного мономера с дезоксирибозой (рибозой) другого (рис. 56).

В ходе исследований состава молекул ДНК было выяснено, что в каждой из них число адениновых азотистых оснований (А) равно числу тиминовых (Т), а число гуаниновых (Г) – циатозиновым (Ц). Это открытие послужило предпосылкой для создания Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. модели молекулы ДНК – знаменитой двойной спирали.

Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух цепей, которые свернуты в виде правозакрученной спирали.

Каждая цепь содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую (комплементарную) последовательности другой цепи. Это соответствие достигается наличием водородных связей между направленными навстречу друг другу азотистыми основаниями двух цепей – А и Т или Г и Ц.

Связь между другими парами азотистых оснований невозможна, поскольку пространственная структура молекул азотистых оснований такова, что только А и Т, так же как Г и Ц, могут сблизиться друг с другом настолько, чтобы образовать между собой водородные связи.

Важнейшая особенность ДНК заключается в возможности ее самоудвоения – репликации, которая осуществляется при участии группы ферментов.

В определенных участках, в том числе и на одном из концов, двуцепочной спиральной молекулы ДНК происходит разрыв водородных связей между цепями. Они разделяются и разматываются. Этот процесс постепенно захватывает всю молекулу. По мере расхождения цепей материнской молекулы, на них, как на матрице, из имеющихся в окружающей среде нуклеотидов выстраиваются дочерние цепи. Сборка новой цепи идет в точном соответствии с принципом комплементарности: против каждого А встает Т, против
Г – Ц и т. д. В итоге получаются две новые молекулы ДНК, у каждой из которых одна цепь осталась от исходной молекулы ДНК, а вторая – новая. При этом две образующиеся при репликации молекулы ДНК идентичны исходной.

Способность молекулы ДНК к самокопированию и лежит в основе передачи наследственной информации живыми организмами.

Образ Жизни Синтез белков в организме происходит из аминокислот, которые человек получает с пищей. Пища должна содержать в достаточном количестве белки, как животного, так и растительного происхождения. Например, безбелковая, или только белковая диета может нарушить обмен веществ в организме.