ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ. КЛЕТОЧНЫЙ СИНТЕЗ Молекулярные аспекты из "Биохимия" Каждая клетка состоит из огромного числа атомов и молекул. Попробуем разобраться, насколько они универсальны и какие функции выполняют в клетках Оказалось, что из периодической системы элементов всего лишь шесть биоэлементов используются для построения подавляющего числа биологически значимых молекул углерод С, ьшслород О, водород Н, сера 8, азот N и фосфор Р. Еще 16 микроэлементов присутствуют в клетках в различных количествах и соотношениях. К ним относятся железо Ре, медь Си, цинк Zn, марганец Мп, кобальт Со, иод I, молибден Мо, ванадий V, никель N1, хром Сг, фтор Р, селен 8е, кремний 81, олово 8п, бор В, мышьяк Аз и пять ионов натрий Na , калий К , магний Mg , кальций Са , хлор С1 . Каков бы ни был принцип отбора атомов для процессов жизнедеятельности, он не связан с их распространенностью в природе. Например, из галогенов только хлор и иод выбраны природой, хотя фтор и бром обладают не меньшей доступностью. По-видимому, в основу отбора положен принцип пригодности и целесообразности. Например, шесть основных биоэлементов имеют набор свойств, достаточный для построения почти всех необходимых для клетки молекул. [c.6] Малые органические молекулы. Их условно можно разделить на четыре группы сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды. [c.7] Все сахара содержат гидроксильные, а также либо альдегидные, либо кетонные группировки. Взаимодействуя друг с другом, моносахара могут образовывать ДИ-, три- или олигосахариды. Сахара являются главным энергетическим субстратом клеток. Кроме того, они образуют связи с белками и липидами, а также являются строительными блоками при образовании более сложных биологических структур. Основными реакционноспособными группировками сахаров являются гидроксильные группы, участвующие, в частности, в образовании связей между мономерами. [c.7] Жирные кислоты содержат в своем составе углеводную цепь и гидрофильные карбоксильные группы, образующие амиды и эфиры. Как и углеводы, жирные кислоты являются источником энергии для организма. Но главное их значение связано с участием в образовании клеточных мембран. Свободные жирные кислоты обнаружены на границе раздела фаз липид—вода. Однако в организме чаще всего они этерифицированы или соединены с другими липидными структурами. В организме животных в наибольших количествах находятся пальмитиновая, олеиновая и стеариновая жирные кислоты. В растениях, кроме перечисленных, в больших количествах обнаружена также линолевая кислота. [c.7] Аминокислоты, находящиеся в биологических тканях, в основном используются для построения белковых макромолекул. Несмотря на различия в химическом строении, они содержат аминную и карбоксильную группы, соединенные с асимметричным атомом углерода. При помощи пептидных связей (гл. 2) они образуют длинные полипептидные цепи — составные части белков. [c.7] Нуклеотиды — трехкомпонентные структуры, состоящие из азотистых оснований, углевода и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания, в свою очередь, делятся на пуриновые и пиримидиновые, а сахар (пентоза) — на рибозу и дезоксирибозу. Нуклеотиды являются составными частями высокополимерных нуклеиновых кислот — носителей генетической информации в клетках. [c.7] Из огромного числа органических соединений природа выбрала лишь некоторые молекулы для участия в процессах жизнедеятельности. Случаен ли этот выбор или он продиктован необходимостью, целесообразностью Рассмотрим этот вопрос на конкретных примерах, на которые Д. Грин обратил внимание еще в 1968 г. [c.8] В качестве основного энергетического субстрата клетка использует в-глю-козу Почему именно ее, а не другое вещество По-видимому, существенное значение имеет тот факт, что в глюкозе заключено больщое количество энергии, она легко окисляется и хорощо растворяется в воде. Далее, щестиуглерод-ный моносахарид более стабилен, чем подобные молекулы с меньшим числом углеродных атомов и более реакционноспособен по сравнению с моносахаридами с большим числом углеродных атомов. Сравним О-глюкозу с близким по строению органическим веществом циклогексаном, также содержащим шестичленное углеродное кольцо. [c.8] Для циклогексана характерны как аксиальные, так и экваториальные атомы водорода, причем последние более выгодны. В глюкозе все атомы занимают экваториальное положение, что делает ее уникальной структурой, гораздо более стабильной по сравнению с родственными молекулами. По содержанию энергии жирные кислоты превосходят глюкозу в несколько раз, однако глюкоза, в отличие от жирных кислот, хорошо растворима в воде, легко доступна, и в этом ее неоценимое преимущество. [c.8] Ни одно вещество не может конкурировать с ней для построения крупных молекул путем конденсации. Выбор единственного, из многих подобных, вещества по критерию химических свойств для использования в биологических системах мы называем молекулярной целесообразностью живой материи. [c.9] Макромолекулы. Они имеют различную форму и строение, являясь неотъемлемой частью клеток, синтезируются из атомов и небольших молекул и играют основополагающую роль в процессах жизнедеятельности. Рассмотрим некоторые макромолекулы, которые определяют функции и метаболизм всех живых систем. [c.9] Нуклеиновые кислоты — информационные макромолекулы, состоящие из мононуклеотидов. В клетках содержится дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК — самая большая макромолекула в живых системах. Она состоит из многих тысяч пар нуклеотидов, соединенных друг с другом в определенной последовательности. Молекулы РНК по размеру много меньше, чем ДНК, однако их общее количество превышает ДНК. Для нуклеиновых кислот несвойственно многообразие функций, зато хранение и передача генетической информации является основой размножения и функционирования клеток. [c.9] напротив, обладают множеством функций. Они состоят из аминокислот, соединенных в генетически детерминированной последовательности, которая и определяет как структуру, так и функции данных макромолекул. Таким образом, белки являются тем инструментом, при помощи которого геном управляет всеми реакциями клеточного метаболизма. [c.9] Полисахариды — высокомолекулярные вещества, состоящие из повторяющихся структурных единиц. Отличаются друг от друга структурой моноса-харидных звеньев, молекулярной массой, а также гликозидных связей. Благодаря наличию большого числа полярных групп, полисахариды после набухания растворяются в воде и образуют коллоидные растворы. Они присутствуют почти во всех клетках и выполняют многообразные функции. Велика их роль в образовании биологических структур. Так, хитин образует панцири членистоногих, целлюлоза является основной структурой зеленых растений, мукополисахариды — важнейшие компоненты соединительной ткани. Гликоген в животных, а крахмал в растительных организмах являются важнейшими резервными полисахаридами. Их делят на гомо- и гетерополисахариды. Примером гомополисахаридов может служить крахмал, состоящий из остатков только одного типа (глюкозы), а примером гетерополисахаридов — гиалуроновая кислота, которая состоит из остатков глюкуроновой кислоты, чередующихся с -ацетилглюкозамином. [c.9] Можно без преувеличения говорить о центральной роли воды в процессах эволюции и жизнедеятельности. Свыше 90% всей массы клеток приходится на долю воды. Однако ее значимость не только в количественных характеристиках. В воде растворены многие биологические вещества, и, будучи растворителем, вода определяет их свойства, например реакционноспособность. В условиях Земли нет такого вещества, физические свойства которого были бы так идеаль-но приспособлены для нужд живых систем, как вода. Для молекул воды характерно сильное взаимное притяжение, обусловленное особенностями их строения (рис. 1.1). [c.10] Если молекулы или макромолекулы содержат заряженные группировки, то диполи воды образуют вокруг них гидратные оболочки. Такая вода называется связанной. Слой воды вокруг белка может достигать 1,5—2,0 нм, что существенно влияет на строение и свойства последнего. Таким образом, вода в организме присутствует в свободной и связанной формах. Большой интерес представляет структура воды при переходе в твердое состояние. В кристалле льда молекулы воды образуют гексагональную структуру. Предполагается, что именно льдообразная вода (рис, 1.2) поддерживает третичную структуру ряда макромолекул. Часть связанной воды локализована внутри надмолекулярных структур и также участвует в стабилизации конформации макромолекул. [c.10] Вода является идеальным растворителем для биологических структур по сравнению с другими жидкостями. Такие вещества, как моно- и полисахариды, спирты, альдегиды и кетоны, прекрасно растворяются в воде, но практически нерастворимы в органических растворителях. Это обусловлено высокой диэлектрической проницаемостью воды, состоящей из ассоциированных друг с другом диполей. Диэлектрическая постоянная для воды равна 80, а для органических растворителей — в 3—4 раза меньше. Это означает, что силы взаимодействия в веществах, растворенньгх в воде, во столько же раз меньше, чем в органических растворителях. [c.10] Биологическая роль воды не ограничивается растворением биологических структур. Вода в клетках и тканях выполняет также транспортную функцию, участвует в образовании высших структур биологических макромолекул, является донором электронов и протонов в энергетическом обмене. Ютеточный метаболизм зависит от баланса свободной и связанной воды. Нарушение этого соотношения приводит к тяжелым последствиям, вплоть до гибели клетки. [c.11] Вернуться к основной статье