Из всех полимерных веществ, существующих в природе и созданных человеком, самые важные - белки и нуклеиновые кислоты.
Белки выполняют все жизненно важные функции в организме. Они являются катализаторами, управляющими всей химией живого организма, всеми биохимическими процессами. Они переносят кислород и запасают его, обеспечивая дыхание. Они служат основой движений внутри организма и движения организма как целого. Они защищают организм от болезней. Они являются главными структурными элементами тканей.
Короче говоря, белки умеют всё. Одного они, правда, не умеют - самовоспроизводиться. Для синтеза новых белков нужны другие полимеры - нуклеиновые кислоты.
Функциональность биополимеров непосредственно связана с их конформационными свойствами. Синтетические полимеры за редким исключением образуют статистические клубки в растворе. Биополимеры образуют глобулы. Глобула радикально отличается от клубка - глобула не рыхлое, а компактное образование, подобное твердому телу. Белковая глобула, построенная из цепи двадцати разных аминокислот, является по выражению Шредингера апериодическим кристаллом.
Замечательной физической особенностью аминокислот является их хиральность (за исключением глицина). Ниже приведены две формы аланина, l - левая и d - правая.
COOH COOH
¦ ¦
C—H H—C
/ /
Н3C NH2 H2N CH3
l - форма d - форма
Эти две конфигурации нельзя совместить никаким поворотом, как правую и левую руки.
Весьма важно и интересно то, что все белки построены только из левых аминокислот.
Из Волькенштейна: “Маленькая Алиса разговаривает со своей кошкой: “Как бы тебе понравилось жить в зазеркальном доме, Кисанька? Не знаю, давали ли бы тебе там молоко? А может быть, зеркальное молоко не годится для питья?”
Алиса угадала, зеркальное молоко действительно совершенно не питательно. Почему же права маленькая Алиса?
Белки, поступающие в организм с пищей, расщепляются на аминокислоты. Из аминокислот строятся новые белки, свойственные данному организму. Но строятся они только из левых аминокислот. Следовательно, зеркально отраженное молоко ему ни к чему. Правые аминокислоты не годятся для синтеза белка.
В определенном белке аминокислотные остатки расположены в строго определенной последовательности. В этом смысле белок подобен тексту, напечатанному 20-буквенным алфавитом.
Содержание текста зависит от последовательности букв. Физико-химические и, следовательно, биологические свойства белка определяются его первичной структурой - последовательностью аминокислотных остатков в белковой цепи.
В любых текстах встречаются опечатки. Они могут кардинально изменить смысл написанного. В одном немецком издании произведения Ницше “Так говорил Заратустра” вместо слова Incest (кровосмешение) было напечатано слово Insect (насекомое). Получилось, что Заратустра родился от насекомого.
Известны “опечатки” и в белковом тексте. Они изменяют биологические свойства белка и приводят к различным, в том числе очень тяжелым последствиям для организма.
Глобулярную структуру имеют белки, существующие и функционирующие в растворе в виде отдельных молекул. Белки, образующие различные ткани в организме, чаще всего имеют форму волокон, то есть фибриллярны (паутина, шелк, шерсть, коллаген).
Белки могут соединяться с дополнительным компонентом и в этом случае они называются протеидами: металлопротеиды (в нитрогеназе, обеспечивающей фиксацию азота в клубеньковых бактериях, присутствует молибден), фосфопротеиды, хромопротеиды (гемоглобин), липопротеиды (с жироподобным компонентом), гликопротеиды (углеводный компонент), нуклеопротеиды (с нуклеиновыми кислотами).
Нуклеиновые кислоты - самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их мономерами являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех молекул: фосфорной кислоты, сахара (рибозы или дезоксирибозы) и гетероциклического азотистого основания. Нуклеотиды ДНК содержат сахар - дезоксирибозу и одно из четырёх азотистых основания - аденин, гуанин, цитозин или тимин. Нуклеотиды РНК содержат сахар - рибозу и одно из четырех азотистых оснований - аденин, урацил, тимин или цитозин.
Схема строения нуклеотида: фосфорная кислота - сахар - азотистое основание.
Молекула РНК является одинарной цепочкой нуклеотидов, а молекула ДНК - двойной. У большинства организмов ДНК является носителем генетической информации (кодирует структуру белков), а РНК принимает участие в синтезе белков. У некоторых вирусов (например, онкогенных) нет ДНК, а носителем генетической информации у них является РНК.
Структура молекулы ДНК:
Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С -
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
А Т Ц Г Т Г А
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
Т А Г Ц А Ц Т
¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
- С - Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С - Ф - С – Ф
Матричный синтез
На молекулярно-генетическом уровне в пределах клетки осуществляются процессы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. Генетическая информация заключается в кодировании структуры белков - последовательности аминокислот в их молекулах. Эта информация “записана” последовательностью нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот.
Воспроизведение генетической информации осуществляется путем удвоения - редупликации молекул ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную цепочку нуклеотидов. Нуклеотиды двух цепей соединены строго определенным способом, образуя пары А-Т и Ц-Г. В результате цепи ДНК оказываются комплементарными или дополнительными. Редупликация молекул ДНК выражается в расхождении ее цепей и синтезе на них, как на матрицах, новых цепей. В силу принципа комплементарности новые молекулы ДНК оказываются идентичными исходной молекуле.
|
Исходная молекула ДНК |
Расхождение цепей ДНК |
Синтез дочерних комплементарных цепей ДНК |
||
|
А – Т |
А - |
- Т |
А – Т |
А – Т |
|
Т – А |
Т - |
- А |
Т – А |
Т – А |
|
А – Т |
А - |
- Т |
А – Т |
А – Т |
|
Г – Ц |
Г - |
- Ц |
Г – Ц |
Г – Ц |
|
Ц – Г |
Ц - |
- Г |
Ц – Г |
Ц – Г |
|
Ц - Г |
Ц - |
- Г |
Ц – Г |
Ц – Г |
В способности молекул ДНК к самоудвоению заключена удивительная тайна наследственности - сходство родителей и детей: дети сходны с родителями потому, что получают от них копии их ДНК (генов).
Реализация генетической информации в клетке протекает в два этапа:
транскрипция генетической информации - синтез молекул информационной РНК на одной из цепей ДНК получил такое название в связи с тем, что последовательность АТЦГ в молекулах ДНК превращается в последовательность АУЦГ в молекулах РНК;
трансляция генетической информации, которая заключается в том, что последовательность нуклеотидов информационной РНК превращается в последовательность аминокислот в молекуле белка.
ДНК ®транскрипция ®и-РНК ® трансляция ® белки
Набор синтезируемых в клетке белков определяет все ее признаки и свойства.
Углеводы. В углеводах роль мономеров играют простые сахара - моносахариды (глюкоза и фруктоза). Соединяясь попарно друг с другом, они образуют дисахариды - сахарозу (тростниковый сахар), мальтозу (солодовый сахар) и лактозу (молочный сахар). Из многих моносахаридных звеньев образованы полимеры - полисахариды: гликоген (печень и мышцы), крахмал (картофель), целлюлоза (древесина).
Липиды и жиры. Жиры служат запасными веществами. Липидами называют жироподобные вещества. Жиры состоят из одной молекулы глицерина и трех молекул жирных кислот, которые содержат 16 или 18 атомов углерода (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и др.) Фосфолипиды содержат фосфат, гликолипиды содержат в молекуле сахар. Это структурные элементы биологических мембран.
Энергетика химических процессов
Химические реакции непрерывно происходят как вокруг нас в природе, так и в клетках нашего организма. Некоторыми химическими реакциями человек овладел на ранних стадиях развития культуры, но научное понимание химических превращений - это успех последних столетий.
От чего зависит возможность протекания химической реакции, химического превращения, перестройки химических связей? Принципиальный ответ на этот вопрос дает физика. Реакция пойдет, если при этом уменьшится энергия веществ и (или) увеличится энтропия. При сгорании углеводорода энергия уменьшается, ее избыток выделяется в виде тепла и света. А энтропия увеличивается, так как малые молекулы H2O и CO2 менее упорядочены, чем большая молекула углеводорода, скажем, бутана.
Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии.
При химической реакции происходит переход вещества с более высокого уровня свободной энергии на более низкий. Реакция идет по той же причине, по которой камень падает сверху вниз.
Второе условие: реагенты должны обладать некоторой избыточной энергией для реакции - энергией активации. Реакция означает переход системы через активационный барьер.
Рассмотрим смесь двух газов: H2+ J2. Чтобы эти молекулы взаимодействовали друг с другом, они должны столкнуться. Столкнувшиеся молекулы должны образовать группировку, которая менее устойчива, чем исходные молекулы или получающиеся молекулы HJ. Менее устойчивая - значит обладающая большей свободной энергией.
Получается, что исходное и конечное состояние нашей системы разделены перевалом, барьером, для преодоления которого необходим добавочный запас энергии. Высота барьера характеризует энергию активации процесса. А неустойчивая группировка атомов, находящаяся на вершине барьера, называется активированным комплексом. Энергия активации есть энергия, необходимая для превращения реагирующих веществ в активированный комплекс.
Скорость реакции зависит от высоты барьера, от энергии активации. Чем выше барьер, тем медленнее идет процесс, несмотря на то, что он термодинамически выгоден. Если барьер очень высок, то реакция может не идти вовсе.
Скорость реакции возрастает с ростом температуры. Чем выше температура, тем выше запас тепловой энергии у молекул и тем больше вероятность накопления на молекуле энергии равной или большей энергии активации.
Присутствие катализаторов ускоряет реакцию, хотя сам катализатор выходит из реакции без изменений. Катализатор влияет не на разность свободных энергий начального и конечного состояний реагирующей системы, но лишь на высоту барьера, разделяющего эти состояния. Роль катализатора состоит в понижении энергии активации и в соответствующем ускорении реакции.
Каталитические реакции необычайно важны в науке и технике. Подавляющее большинство технологических процессов проводится с участием катализаторов.
Сказанное чрезвычайно важно для биологии, так как все биохимические процессы - каталитические. Роль катализаторов играют специфические белки - ферменты.
Молекулы субстрата, на которые действует фермент, попадают в полость, имеющуюся в белковой глобуле, и связываются с ее активным центром - группой аминокислотных остатков, удаленных друг от друга по цепи, но близко расположенных в глобуле. Несмотря на свое компактное строение, глобула сохраняет некоторую конформационную гибкость - в активном центре происходят повороты звеньев вокруг единичных связей. В результате структура глобулы подстраивается к структуре субстрата, обеспечивая оптимальное взаимодействие. Образуется комплекс фермент-субстрат, в котором и происходит превращение субстрата в продукт, уходящий далее из активного центра. Процессы в центре всегда многостадийны, причем на каждой стадии изменяется конформация белковой цепи.
Фермент обеспечивает снижение энергии активации процесса в результате конформационных движений.
Ферменты катализируют все без исключения биохимические реакции. Это замечательные катализаторы - они работают в водной среде в мягких условиях, обладают высокой избирательностью. Очень малые различия в структуре молекул, несущественные в обычной химии, оказываются в биохимии определяющими. Химические процессы в живой системе весьма индивидуализированы.
Среди множества ферментов имеются ферменты, обеспечивающие обратные связи в химических реакциях. Эти ферменты называются аллостерическими.
Представим себе некоторую цепь биохимических превращений:
A ® B ® C ® D ® E ® F
Каждое превращение катализируется собственным ферментом, а конечный продукт F подавляет действие фермента, катализирующего реакцию A ® B. Тем самым реализуется обратная связь, приостанавливающая весь процесс, если продукт F образовался в слишком большом количестве.
Установлено, что аллостерические ферменты обладают четвертичной структурой. Это означает, что их молекулы построены из нескольких глобул, каждая из которых имеет свой активный центр. Глобулы взаимодействуют, и поведение данного активного центра зависит от состояния других активных центров. Таким образом, белок, имеющий четвертичную структуру, обладает кооперативными свойствами. Таким белком является, в частности, гемоглобин.
Гемоглобин не фермент, он служит для переноса молекулярного кислорода. Молекула гемоглобина состоит из четырех глобул, в каждой из них имеется центр связывания кислорода - группа гема.
Каждая свободно идущая химическая реакция (например, H2+J2 «2HJ) достигает в конце концов состояния равновесия (термодинамическое равновесие), когда скорость прямой реакции и скорость обратной реакции равны. Такое состояние достигается в замкнутой системе.
Катализатор (фермент) не оказывает влияния на положение равновесия; он влияет только на время, необходимое для достижения равновесия.
Если, однако, на одной стороне в реакцию постоянно вступают новые количества исходных веществ, а на другой стороне удаляются продукты реакции, то мы имеем открытую химическую систему. В этом случае может быть динамическое равновесие, когда при постоянном потоке веществ, участвующих в реакции, установятся их стационарные концентрации. Это независимое от времени состояние называется стационарным состоянием.
Проявления жизни многогранны, но живой организм всегда представляет собой систему химических соединений, находящуюся в динамическом стационарном состоянии, где одни вещества превращаются в другие (Ичас, 1994). Совокупность всех этих превращений называют обменом веществ (метаболизмом). Определенные вещества поступают в систему извне, претерпевают в ней превращения и в конце концов ее покидают.
Для поддержания стационарного состояния нужно, чтобы в системе происходили лишь вполне определенные взаимодействия веществ. Все процессы метаболизма контролируются генотипом организма.
Поскольку для синтеза многих химических компонентов организма требуется энергия, необходим ее приток извне. Поэтому управление химическими реакциями и их энергообеспечение тесно взаимосвязаны.
Зарождение жизни
На протяжении многих веков ученые считали возможным самозарождение живого из неживой материи. Многие полагали, что такое самозарождение протекает и в настоящее время.
Итальянский врач Франческо Реди в 1668 году провел эксперимент, отвергавший идею самозарождения живого из неживой материи. Считалось, что мухи в гниющем мясе возникают в результате самозарождения. Реди положил мясо в сосуд и закрыл его марлей. Личинки мух в нем не появились, но мясо протухло. Возникло предположение, что самозарождение свойственно бактериям. Однако позже этот вопрос разрешил Луи Пастер (1822-1895), показав, что бактерии в питательном бульоне не появляются, если к нему закрыть доступ уже существующим в окружающей среде микробам. Опыты Пастера помогли разработать средства борьбы с бактериальными инфекциями и подарили человечеству процесс пастеризации.
В 1855 году немецкий врач Рудольф Вирхов сформулировал одно из основных положений клеточной теории: “Всякая клетка происходит из клетки путем деления”.
Таким образом, Вирхов и Пастер показали, что каждая клетка происходит от ранее существовавшей клетки. Никогда еще живое не казалось столь резко отделенным от неживого. Эти открытия укрепляли позиции витализма.
Решение проблемы происхождения жизни в общих чертах принес XX век.
Наиболее значительный вклад здесь внесли советский биохимик А.И.Опарин (1924) и английский биохимик Джон Холдейн (1929). Они выдвинули и обосновали гипотезу, согласно которой возникновение жизни на Земле было результатом предшествовавшей химической эволюции, которая протекала в условиях, резко отличавшихся от современных. Американский химик Стенли Миллер (1953) экспериментально доказал справедливость гипотезы Опарина-Холдейна, осуществив синтез сложных органических веществ из неорганических в лабораторных условиях.
Первичная атмосфера Земли была восстановительной и включала в свой состав, в частности, водород, метан, аммиак, воду. Источниками энергии для образования органических веществ служили ультрафиолетовое излучение Солнца, радиоактивное излучение Земли, электрические разряды в атмосфере и тепло вулканов.
Миллер пропускал тихие электрические разряды через смеси метана, аммиака, водорода и паров воды. При этом были получены аминокислоты и другие органические соединения.
В аналогичных опытах из HCN были получены пурины и пиримидины – исходные вещества для получения нуклеотидов и нуклеиновых кислот, а также порфирины – которые входят в состав хлорофилла и гемоглобинов.
Аденин и гуанин образуются из цианистого водорода (HCN) при ультрафиолетовом облучении. Из формальдегида (H2CO) образуются сахара, в том числе рибоза и дезоксирибоза. Нуклеозидтрифосфаты (АТФ) синтезируются при ультрафиолетовом облучении раствора аденина, рибозы и фосфорной кислоты. Многими проведенными к настоящему времени опытами доказано, что мономеры информационных макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) могли синтезироваться в первичной атмосфере Земли.
Первой стадией добиологической эволюции был синтез мономерных органических соединений в условиях, далеких от равновесия. Следующая стадия должна была состоять в полимеризации и поликонденсации мономеров, в образовании полипептидных и полинуклеотидных цепей.
Переход к биологической эволюции был связан, очевидно, с возникновением генетического кода и протоклеток, близких по структуре к самым простым ныне существующим бактериям брожения.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему