Понятие «жизни» и свойства живого

В составе большинства  исследованных белков всех живых  организмов было выявлено 20 аминокислот, участвующих в их построении.

При синтезе белковой молекулы разные аминокислоты присоединяются последовательно  друг к другу, образуя цепочку, или  полипептид (впоследствии она может  сворачиваться в спираль или  глобулу). Разнообразие белков определяется тем, какие аминокислоты, в каком  количестве и в каком порядке входят в полипептидную цепь. Две молекулы, одинаковые по числу и составу аминокислот, но отличающиеся по порядку их расположения, представляют два разных белка. Не только виды, но и особи одного вида отличаются по целому ряду белков (с чем, например, связан феномен несовместимости при пересадке тканей и органов от одного животного другому).

Понятия «белок» и «пептид» близки между собой, однако между  ними имеются и различия. Пептидами  обычно называют олигопептиды, т. е. те, чья цепь содержит наибольшее число аминокислотных остатков (10-15), а белками называют пептиды, содержащие большое число аминокислотных остатков (до нескольких тысяч) иимеющие определенную компактную пространственную структуру, так как длинная полипептидная цепь является энергетически невыгодным состоянием. Выделяются четыре уровня пространственной организации (структуры) белков. Все структуры формируются в каналах эндоплазматической сети. При воздействии неблагоприятных факторов среды (облучение, повышенная температура, химические вещества) структуры белка могут разрушаться — происходит денатурация. Если этот процесс не затрагивает первичной структуры, он обратим, и по окончании воздействия молекула самопроизвольно восстанавливается. Первичная же структура невосстановима, так как формируется только на рибосомах при участии сложнейшего механизма биосинтеза белков. В зависимости от пространственной структуры белки бывают фибриллярные (в виде волокон) — строительные белки и глобулярные (в виде шара) — ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.

Огромное разнообразие белков обеспечивает и множество функций, ими выполняемых, и многоообразие организмов.

Функции белков:

1)      защитная (интерферон усиленно синтезируется в организме при вирусной инфекции);

2)      структурная (коллаген входит в состав тканей, участвует в образовании рубца);

3)      двигательная (миозин участвует в сокращении мышц);

4)      запасная (альбумины яйца);

5)      транспортная (гемоглобин эритроцитов переносит питательные вещества и продукты обмена);

6)      рецепторная (белки-рецепторы обеспечивают узнавание клеткой веществ и других клеток);

7)      регуляторная (регуляторные белки определяют активность генов);

8)      белки-гормоны участвуют в гуморальной регуляции (инсулин регулирует уровень сахара в крови);

9)      белки-ферменты катализируют все химические реакции в организме;

10)    энергетическая (при распаде 1 г белка выделяется 17 кдж энергии).

Структуры белков

Первичная структура

Первичная структура — последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Первичную структуру белка, как правило, описывают, используя однобуквенные или трёхбуквенные обозначения для аминокислотных остатков.

Важными особенностями первичной  структуры являются консервативные мотивы — устойчивые сочетания аминокислотных остатков, выполняющие определённую функцию и встречающиеся во многих белках. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка. По степени гомологии (сходства) аминокислотных последовательностей белков разных организмов можно оценивать эволюционное расстояние между таксонами, к которым принадлежат эти организмы.

Первичную структуру белка можно  определить методами секвенирования белков или по первичной структуре его мРНК, используя таблицу генетического кода.

Вторичная структура

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями. Ниже приведены самые распространённые типы вторичной структуры белков:

• α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм (на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Хотя α-спираль может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. Спираль нарушают электростатические взаимодействия глутаминовой кислоты, лизина, аргинина. Расположенные близко друг к другу остатки аспарагина, серина, треонина и лейцина могут стерически мешать образованию спирали, остатки пролина вызывают изгиб цепи и тоже нарушают α-спирали;
• β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга (0,34 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка, а не близко расположенными, как имеет место в α-спирали. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны (антипараллельная ориентация). Для образования β-листов важны небольшие размеры боковых групп аминокислот, преобладают обычно глицин и аланин;
• π-спирали;
• 3₁₀-спирали;
• неупорядоченные фрагменты.

Третичная структура

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

• ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);
• ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;
• водородные связи;
• гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула сворачивается так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Исследования принципов укладки  белков показали, что между уровнем  вторичной структуры и атомарной  пространственной структурой удобно выделять ещё один уровень — мотив укладки (архитектура, структурный мотив). Мотив укладки определяется взаимным расположением элементов вторичной структуры (α-спиралей и β-тяжей) в пределах белкового домена — компактной глобулы, которая может существовать или сама по себе или входить в состав более крупного белка наряду с другими доменами. Рассмотрим для примера один из характерных мотивов строения белков. Изображённый на рисунке справа глобулярный белок, триозофосфатизомераза, имеет мотив укладки, который называется α/β-цилиндр: 8 параллельных β-тяжей формируют β-цилиндр внутри ещё одного цилиндра, сложенного из 8 α-спиралей. Такой мотив обнаруживается примерно в 10 % белков.

Известно, что мотивы укладки являются довольно консервативными и встречаются  в белках, которые не имеют ни функциональных, ни эволюционных связей. Определение мотивов укладки  лежит в основе физической, или  рациональной классификации белков (такой как CATH или SCOP)

Для определения пространственной структуры белка применяют методы рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса и некоторые  виды микроскопии.

Четвертичная  структура

Четвертичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.

6.Углеводы

Полисахариды - образованны многими  моносахаридами. Мономерами таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, целлюлоза  является глюкоза.

Углеводы играют роль основного  источника энергии в клетке. в процессе окисления 1 г углеводов освободждается 17,6 кДж. Крахмал у растений и гликоген у животных, откладывается в клетках, служат энергетическим резервом.

Углеводы - это органические соединения, в состав которых входят водород (Н), углерод (С) и кислород (О), причем количество атомов водорода в большинстве случаев вдвое превышает число атомов кислорода. Общая формула углеводов: Cn(H2O)n, где n не меньше трех. Углеводы образуются из воды (Н2О) и углекислого газа (СО2) в процессе фотосинтеза, происходящего в хлоропластах зеленых растений (у бактерий в процессе бактериального фотосинтеза или хемосинтеза). Обычно в клетке животных организмов содержится около 1 % углеводов (в клетках печени до 5 %), а в растительных клетках до 90 % (в клубнях картофеля).

Все углеводы подразделяют на 3 группы:

Моносахариды чаще содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода, столько же кислорода и вдвое  больше водорода (например, глюкоза - С6Н12О6). Пентозы (рибоза и дезоксирибоза) входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ. Гексозы (фруктоза и глюкоза) постоянно присутствуют в клетках плодов растений, придавая им сладкий вкус. Глюкоза содержится в крови и служит источником энергии для клеток и тканей животных;

Дисахариды объединяют в одной  молекуле два моносахарида. Пищевой  сахар (сахароза) состоит из молекул  глюкозы и фруктозы, молочный сахар (лактоза) включает глюкозу и галактозу.

Все моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды (крахмал, клетчатка, гликоген, хитин) образованы десятками и сотнями  мономерных единиц, которыми являются молекулы глюкозы. Полисахариды практически нерастворимы в воде и не обладают сладким вкусом. Основные полисахариды - крахмал (в растительных клетках) и гликоген (в клетках животных) откладываются в виде включений и служат запасными энергетическими веществами.

4. Функции углеводов

Углеводы выполняют две основные функции: энергетическую и строительную. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток (клетчатка), хитин - главный структурный компонент  наружного скелета членистоногих.

Углеводы выполняют следующие  функции:

 являются составными частями  ДНК, РНК и АТФ.

Энергетическая. Моно - и олигосахара являются важным источником энергии для любой клетки. Расщепляясь, они выделяют энергию, которая запасается в виде молекул АТФ, которые используется во многих процессах жизнедеятельности клетки и всего организма. Конечными продуктами расщепления всех углеводов являются углекислый газ и вода.

Запасательная. Моно- и олигосахара благодаря своей растворимости быстро усваиваются клеткой, легко мигрируют по организму, поэтому непригодны для длительного хранения. Роль запаса энергии играют огромные нерастворимые в воде молекулы полисахаров. У растений, например, это - крахмал, а у животных и грибов - гликоген. Для использования этих запасов организм должен сначала превратить полисахара в моносахара.

Строительная. Подавляющее большинство  растительных клеток имеют плотные  стенки из целлюлозы, обеспечивающей растениям  прочность, упругость и защиту от большой потери влаги.

Структурная. Моносахара могут соединяться с жирами, белками и другими веществами. Например, рибоза входит в состав всех молекул РНК, а дезоксирибоза - в ДНК.

Источниками углеводов в питании  служат главным образом продукты растительного происхождения - хлеб, крупы, картофель, овощи, фрукты, ягоды. Из продуктов животного происхождения  углеводы содержаться в молоке (молочный сахар). Пищевые продукты содержат различные  углеводы. Крупы, картофель содержат крахмал - сложное вещество (сложный  углевод), нерастворимое в воде, но расщепляющееся под действием пищеварительных  соков на более простые сахара. Во фруктах, ягодах и некоторых овощах углеводы содержаться в виде различных  более простых сахаров - фруктовый  сахар, свекловичный сахар, тростниковый сахар, виноградный сахар (глюкоза) и др. Эти вещества растворимы в  воде и хорошо усваиваются в организме. Растворимые в воде сахара быстро всасываются в кровь. Целесообразно  вводить не все углеводы в виде сахаров, а основную их массу вводить  в виде крахмала, которым богат, например, картофель. Это способствует постепенной  доставке сахара тканям. Непосредственно  в виде сахара рекомендуется вводить  лишь 20-25% от общего количества углеродов, содержащихся в суточном рационе  питания. В это число входит и  сахар, содержащийся в сладостях, кондитерских изделиях, фруктах и ягодах.

Если углеводы поступают с пищей  в достаточном количестве, они  откладываются главным образом  в печени и мышцах в виде особого  животного крахмала - гликогена. В  дальнейшем запас гликогена расщепляется в организме до глюкозы и, поступая в кровь и другие ткани, используются для нужд организма. При избыточном же питании углеводы переходят в организме в жир. К углеводам обычно относят и клетчатку (оболочку растительных клеток), которая мало используется организмом человека, но необходима для правильных процессов пищеварения.

7.Жиры, их строение и роль в клетке.

Жиры вместе с другими  жироподобными веществами |и носят к группе липидов (греч. lipos — жир). По химической структуре жиры представляют собой сложные соединения трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Они неполярны, практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных жидкостях, таких как бензин, эфир, ацетон. Содержание в клетках жира обычно невелико — 5—10% от сухого вещества. Однако в клетках некоторых тканей животных (подкожной клетчатке, сальниках) их содержание может достигать до 90%. Функции жиров: 1. Энергетическая функция. При окислении жиров образуется большое количество энергии, которая расходуется на процессы жизнедеятельности. При окислении 1 г жира освобождается 38,9 кДж энергии. 2. Структурная функция. Липиды принимают участие в построении мембран клеток всех органов и тканей. 3. Запасная функция. Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом. Жиры накапливаются в семенах растений (подсолнечник, горчица), откладываются под кожей у животных. 4. Функция терморегуляции. Жиры плохо проводят тепло. У некоторых животных, откладываясь под кожей (у китов, ластоногих), толстый слой подкожного жира защищает их от переохлаждения. 5.  Жиры могут служить источником эндогенной воды При окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды. Благо даря этому многие пустынные животные могут длительное время обходиться без воды (верблюды, тушканчики). 
8.ДНК. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ.