Естествознание
10 класс

§ 30. Молекулярная структура живого

Смотри в корень!
Козьма Прутков

Какие химические элементы входят в состав живой клетки? Какую роль играют сахара и липиды? Как устроены белки и как их молекулы приобретают определенную пространственную форму? Что такое ферменты и как они распознают свои субстраты? Какое строение имеют молекулы РНК и ДНК? Какие особенности молекулы ДНК позволяют ей играть роль носителя генетической информации?

Урок-лекция

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ И 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.

Ретровирус. Удивительные геометрические формы демонстрируют вирусы!

Вспомним, что из всех известных элементов, входящих в Периодическую систему Д. И. Менделеева, в живой клетке обнаружено около 80. При этом среди них нет ни одного, который отсутствовал бы в неживой природе. Это служит одним из доказательств общности живой и неживой природы.

Более 90% 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, иод, фтор, кобальт, марганец и др.) вместе составляют не более 0,02% 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 иода, 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 Н+ или ОН-. 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 структурными компонентами для построения макромолекул, а кроме того, играют существенную роль в процессах обмена веществ и энергии живой клетки.

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.

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 синтеза белка, когда карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с примыкающей к ней аминогруппой другой аминокислоты (рис. 32).

Рис. 32. Пептидная связь

Все 20 видов аминокислот участвуют в построении белков. 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 (рис. 33). Различают и вторичную структуру белка, под которой понимают характер пространственного расположения отдельных фрагментов цепи аминокислот. Во вторичной структуре участки молекулы белка имеют форму спиралей или складчатых слоев. В их формировании важная роль принадлежит водородным связям, устанавливающимся между кислородом и водородом пептидных связей (—N—H...0=С—) разных аминокислот.

Рис. 33. Структура белка

Под третичной структурой белка подразумевается пространственное расположение всей аминокислотной цепи.

Третичная структура имеет прямое отношение к форме молекулы белка, которая может быть нитевидной или округлой. 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 глобула.

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, содержащих небелковую часть — гем.

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

Самоорганизация — одно из уникальных свойств белков, лежащее в основе многих 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.

В качестве ферментов выступают белки, определенный участок молекулы которых образует активный центр. Он связывает специфичный для данного фермента субстрат и преобразует его в продукт. При этом фермент способен отличать свой субстрат благодаря особой пространственной конфигурации активного центра, специфичной для каждого фермента. Можно представить, что субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку.

Вы убедились, что в основе всех свойств белка лежит его первичная структура — последовательность аминокислот в молекуле. Ее можно сравнить со словом, которое написано алфавитом, состоящим из 20 букв-аминокислот. А если есть слова, то может существовать и шифр, при помощи которого эти слова могут быть закодированы. Каким образом? Ответить на этот вопрос поможет знакомство со строением нуклеиновых кислот.

НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Нуклеотиды состоят из азотсодержащего циклического соединения (азотистого основания), пятиуглеродного сахара и остатка фосфорной кислоты. Из них 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 нуклеотида с дезоксирибозой (рибозой) другого (рис. 34).

Рис. 34. Состав цепи и строение молекулы ДНК

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) — числу цитозиновых (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 (рис. 35).

Рис. 35. Модель структуры ДНК

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 на столько, чтобы образовать между собой водородные связи.

Важнейшая особенность ДНК заключается в возможности ее самоудвоения — репликации, которая осуществляется при участии группы ферментов (рис. 36).

Рис. 36. Схема репликации ДНК

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. Последовательность нуклеотидных оснований в молекуле ДНК как раз и служит тем шифром, которым закодирована информация о белках, необходимых для функционирования организма.

В отличие от ДНК молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи. Существует несколько типов РНК, которые выполняют в клетке разные функции. РНК-копия участка цепи ДНК носит название информационной или матричной РНК (мРНК) и играет роль посредника при передаче генетической информации от ДНК к структурам клетки, синтезирующим белок, — рибосомам. Кроме того, в клетке имеются рибосомные РНК (рРНК), которые вместе с белками формируют рибосомы, транспортные РНК (тРНК), транспортирующие аминокислоты к месту синтеза белка, и некоторые другие.

Молекула ДНК состоит из двух свернутых в спираль комплементарных цепей нуклеотидов, которые удерживаются вместе водородными связями, образующими А—Т и Г—Ц пары оснований. Последовательность нуклеотидов цепи ДНК служит шифром, который кодирует генетическую информацию. Расшифровка этой информации осуществляется при участии молекул РНК. Способность ДНК к самокопированию (репликации) обеспечивает возможность передачи генетической информации в живой природе.

  • Почему белки называют молекулами жизни?
  • Какова роль пространственных структур белков в процессах жизнедеятельности клетки?
  • Какой принцип лежит в основе процессов репликации ДНК?

Рейтинг@Mail.ru