Развитие и перспективы биохимии

ДНК — самые  крупные биологические молекулы. Их длина составляет от 0,25 (у некоторых бактерий) до 40 мм (у человека). Это значительно больше самой крупной молекулы белка, которая в развернутом виде достигает длины не более 100—200 нм. Масса молекулы ДНК составляет 6x10^-12 г.

Диаметр молекулы ДНК 2 нм, шаг спирали 3,4 нм; каждый виток спирали содержит 10 пар нуклеотидов. Спиральная структура поддерживается многочисленными водородными связями, возникающими между комплементарными азотистыми основаниями, и гидрофобными взаимодействиями. Молекулы ДНК эука-риотических организмов линейны. У прокариот ДНК, напротив, замкнута в кольцо и не имеет ни 3-, ни 5-концов.

При изменении  условий ДНК, подобно белкам, может  под-. вергаться денатурации, которая  называется плавлением. При постепенном  возврате к нормальным условиям ДНК  ренатурирует.

Функцией  ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В ДНК любой клетки закодирована информация обо всех белках данного организма, о том, какие белки, в какой последовательности и в каком количестве будут синтезироваться. Последовательность аминокислот в белках записана в ДНК так называемым генетическим (триплетным) кодом.

Основным свойством ДНК является ее способность к репликации.

Репликация  — это процесс самоудвоения молекул ДНК, происходящий под контролем ферментов. Репликация осуществляется перед каждым делением ядра. Начинается она с того, что спираль ДНК временно раскручивается под действием фермента ДНК-полимеразы. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, по принципу комплементарности синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, которые есть в ядре (рис. 1.3).

Рис. 1.3.. Схема репликации ДНК

Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплементарной цепи (поэтому процесс удвоения молекул ДНК относится к реакциям матричного синтеза). В результате получается две молекулы ДНК, у каждой из которых ' одна цепь остается от родительской молекулы (половина), а другая — вновь синтезированная. Причем одна новая цепь синтезируются сплошной, а вторая — сначала в виде коротких фрагментов, которые затем сшиваются в длинную цепь специальным ферментом—ДНК-лигазой. В результате репликации две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

Биологический смысл репликации заключается в  точной передаче наследственной информации от материнской клетки к дочерним, что и происходит при делении  соматических клеток.

РНК. Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Однако имеется и ряд существенных отличий. В молекуле РНК вместо дезоксирибозы в состав нуклеотидов входит рибоза, вместо тимидилового нуклеотида (Т) — уридило-вый (У). Главное отличие от ДНК состоит в том, что молекула РНК представляет собой одну цепь. Однако ее нуклеотиды способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК, рРНК), но в этом случае речь идет о внутри-цепочечном соединении комплементарных нуклеотидов. Цепочки РНК значительно короче ДНК.

В клетке существует несколько видов РНК, которые  различаются по величине молекул, структуре, расположению в клетке и функциям:

1. Информационная (матричная) РНК(иРНК). Этот вид наиболее разнороден по размерам и структуре. иРНК представляет собой незамкнутую полинуклеотидную цепь. Она синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы, комплементарна участку ДНК, на котором происходит ее синтез. Несмотря на относительно низкое содержание (3—5% РНК клетки), она выполняет важнейшую функцию в клетке: служит в качестве матрицы для синтеза белков, передавая информацию об их структуре с молекул ДНК. Каждь|й белок клетки кодируется специфической иРНК, поэтому число их типов в клетке соответствует числу видов белков.
2. Рибосомная РНК (рРНК). Это одноцепочечные нуклеиновые кислоты, образующие в комплексе с белками рибосомы — орга-неллы, на которых происходит синтез белка. Рибосомные РНК синтезируются в ядре. Информация об их структуре закодирована в участках ДНК, которые расположены в области вторичной перетяжки хромосом. Рибосомные РНК составляют 80% всей РНК клетки, поскольку в клетке имеется огромное количество рибосом. Рибосомные РНК обладают сложной вторичной и третичной структурой, образуя петли на комплементарных участках, что приводит к самоорганизации этих молекул в сложное по форме тело. В состав рибосом входит три типа рРНК у прокариот и четыре типа рРНК у эукариот. 3. Транспортная (трансферная) РНК(тРНК). Молекула тРНК состоит в среднем из 80 нуклеотидов. Содержание тРНК в клетке — около 15% всей РНК. Функция тРНК — перенос аминокислот к месту синтеза белка. Число различных типов тРНК в клетке невелико (20—60). Все они имеют сходную пространственную организацию. Благодаря внутрицепочечкым водо-родным связям молекула тРНК приобретает характерную вторичную структуру, называемую клеверным листам. Трехмерная же модель тРНК выглядит несколько иначе. В тРНК выделяют четыре петли: акцепторную (служит местом присоединения аминокислоты), антикодоновую (узнает кодон в иРНК в процессе трансляции) и две боковые.

Особенности строения органических веществ

Точный молекулярный состав организмов до настоящего времени  полностью не известен. Это объясняется  невероятным числом и сложностью разных молекул даже в одноклеточном  организме, не говоря уже о сложных многоклеточных системах. Такое многообразие обусловлено свойствами атомов углерода и их способностью к структурным изменениям. Подавляющая часть молекул клетки, исключая воду, относится к углеродным соединениям, называемым органическими. Углерод, имея уникальные химические свойства, фундаментальные для жизни, составляет ее химическую основу. Благодаря малому размеру и наличию на внешней оболочке четырех электронов атом углерода может образовать четыре прочные ковалентные связи с другими атомами. Наиболее важное значение имеет способность атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи, кольца и, в конечном итоге, скелет больших и сложных органических молекул. К тому же углерод легко образует ковалентные связи с другими биогенными элементами (обычно с Н, N, Р, О и S). Именно этим объясняется астрономическое число разнообразных органических соединений, обеспечивающих существование живых организмов во всех их проявлениях. Разнообразие это проявляется в структуре и размерах молекул, в их химических свойствах, в степени насыщенности углеродного скелета, в различной форме молекул, определяемой углами внутримолекулярных связей.

Среди известных  органических веществ, обнаруженных в  живых организмах, можно выделить малые биологические молекулы (аминокислоты, гаицерол, холин, азотистые основания и т. д.) и биополимеры. Биологические полимеры — это высокомолекулярные (молекулярная масса 10³—10⁹ далыпон) органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев — мономеров. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза, гем и целлюлоза, пектиновые вещества, хитин и др.)- Мономерами для них служат соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.

Биополимеры составляют около 90% сухой массы клетки, при этом у животных количественно преобладают белки, у растений — полисахариды.

Углеводы

Общая характеристика. Углеводами называют вещества с общей формулой Сn (H₂ O) _m, где пит могут иметь разные значения. Само название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих вешеств в том же соотношении, что и в молекуле воды. Кроме углерода, водорода и кислорода, производные углеводов могут содержать и другие элементы, например азот.

Углеводы —  одна из основных групп органических веществ клеток. Они представляют собой первичные продукты фотосинтеза  и исходные продукты биосинтеза других органических веществ в растениях (органические кислоты, спирты, аминокислоты и др.), а также входят в состав клеток всех других организмов. В животной клетке содержится I—2% углеводов, в растительных в некоторых случаях — 85—90%.

Выделяют три  группы углеводов:

• моносахариды, или простые сахара;
• олигосахариды (греч. oligos — немногочисленный) — соединения, состоящие из 2—10 последовательно соединенных молекул простых Сахаров;
• полисахариды, состоящие более чем из 10 молекул простых Сахаров или их производных.

Моносахариды, Это  соединения, в основе которых лежит  не-разветвленная углеродная цепочка, в которой при одном из атомов углерода находится карбонильная группа (С=0), а при всех остальных — по одной гидроксильной группе. В зависимости от длины углеродного скелета (количества атомов углерода) моносахариды разделяют на триозы (С₃), гетрозы (С₄), пентозы (С₅), гексозы (С₆), гептозы (С₇). Примерами пентоз являются рибоза, дезоксирибоза, гексоз-глюкоза, фруктоза, галактоза.

Моносахариды  хорошо растворяются в воде, они  сладкие на вкус. В водном растворе моносахариды, начиная с пентоз, приобретают кольцевую форму.

Циклические структуры  пентоз и гексоз — их обычные  формы; в любой данный момент лишь небольшая часть молекул существует в виде «открытой цепи». В состав олиго- и полисахаридов также  входят циклические формы моносахаридов. Кроме Сахаров, у которых все атомы углерода связаны с атомами кислорода, есть частично восстановленные сахара, важнейшим из которых является дезоксирибоза.

Олигосахариды. При гидролизе олигосахариды  образуют несколько молекул простых  Сахаров. В олигосахаридах молекулы простых Сахаров соединены так называемыми гликозидными связями, соединяющими атом углерода одной молекулы через кислород с атомом углерода другой молекулы, например:

К наиболее важным олигосахаридам относятся мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар):

глюкоза + глюкоза = мальтоза; 
глюкоза + галактоза - лактоза; 
глюкоза + фруктоза = саxароза.

Эти сахара называют также дисахаридами. Мальтоза образуется из крахмала в процессе его расщепления под действием ферментов амилаз. Лактоза содержится только в молоке. Сахароза наиболее распространена в растениях.

По своим свойствам  дисахариды близки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды. Это  высокомолекулярные (до 10 000 000 Да) биополимеры, состоящие из большого числа мономеров  — простых Сахаров и их производных.

Полисахариды  могут состоять из моносахаридов  одного или разных типов. В первом случае они называются гомополисаха-риды (крахмал, целлюлоза, хитин и др.), во втором — гетеро-полисахариды (гепарин).

Полисахариды  могут иметь линейную, неразветвленную  структуру (целлюлоза) либо разветвленную (гликоген). Все полисахариды не растворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Некоторые из них способны набухать и ослизняться.

Наиболее важными  полисахаридами являются следующие.

Целлюлоза — линейный полисахарид, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных между собой водородными связями. Каждая цепь образована 3—10 тыс. остатков P-D-тюкозы. Такая структура препятствует проникновению воды, очень прочна на разрыв, что обеспечивает устойчивость оболочек клеток растений, в составе которых 26—^0% целлюлозы.

Целлюлоза служит пищей для многих животных, бактерий и грибов. Однако большинство животных, в том числе и человек, не могут усваивать целлюлозу, поскольку железы желудочно-кишечного тракта не образуют фермента целлюлазы, расщепляющей целлюлозу до глюкозы. В то же время целлюлозные волокна играют важную роль в питании, так как они придают пище грубую консистенцию, объемность и стимулируют перистальтику кишечника.

Крахмал (у растений) и гликоген (у животных, человека и грибов) являются основными запасными полисахаридами по ряду причин: будучи нерастворимыми в воде, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния, что важно при длительном нахождении их в живой клетке. Твердое, обезвоженное состояние полисахаридов способствует увеличению полезной массы продукта запаса за счет экономии объема, причем существенно уменьшается вероятность потребления этих продуктов болезнетворными бактериями, грибами и другими микроорганизмами. И наконец, при необходимости запасные полисахариды легко могут быть превращены в простые сахара путем гидролиза.

Хитин образован молекулами pVD-глюкозы, в которой гидро-ксильная группа при втором атоме углерода замещена азотсодержащей группой NHCOCH₃. Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки. Хитин — основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.