§ 6 Белки и нуклеиновые кислоты

Из всех органических веществ основную массу в клетке (50-70%) состав­ляют белки. Оболочка клетки и все ее внутренние структуры построены с учас­тием молекул белков.

Белки — это сложные органические вещества, выполняющие в клетке важные функции. Они представляют собой гигантские полимерные молекулы, мономерами которых являются аминокислоты.

В природе известно более 150 различных аминокислот, но в построении белков живых организмов обычно участвуют только 20. Благодаря особенно­стям своего химического строения аминокислоты способны соединяться друг с другом, образуя так называемую первичную структуру белка. Уникальность (специфичность) белка определяется именно последовательностью соединения определенных аминокислот.

Молекулы белков могут образовывать не только первичную структуру, но и вторичную, третичную и четвертичную. Рассмотрим возможные структуры белков на примере гемоглобина (рис. 7). Длинная нить последовательно присоединенных друг к другу аминокислот представляет первичную структуру молекулы белка (она отображает его химическую формулу). Обычно эта длин­ная нить туго скручивается в спираль, витки которой прочно соединены между собой водородными связями. Спирально скрученная нить молекулы — это вторичная структура молекулы белка. Такой белок уже трудно растянуть. Свернутая в спираль молекула белка затем скручивается в еще более плотную конфигурацию — третичную структуру. В результате такого многократного скручивания длинная и тонкая нить молекулы белка становится короче, толще и собирается в компактный комок — глобулу. Только глобулярный белок выпол­няет в клетке свои функции. У некоторых белков встречается еще более сложная форма — четвертичная структура.

Если нарушить структуру белка, например нагреванием или химическим воздей­ствием, то он теряет свои качества и раскручивается. Этот процесс называется денатурацией. Если денатурация затронула только третичную или вторичную структу­ру, то она обратима: белок может снова закрутиться в спираль и уложиться в третич­ную структуру (явление ренатурации). При этом восстанавливаются функции данно­го белка. Это важнейшее свойство белков лежит в основе раздражимости живых систем, т. е. способности живых клеток реагировать на внешние или внутренние раз­дражители.

Многие белки выполняют роль катализаторов, которые ускоряют хими­ческие реакции, проходящие в клетке, и упорядочивают протекающие в ней процессы. Их называют ферментами. Ферменты участвуют в переносе атомов и молекул, в расщеплении и построении белков, жиров, углеводов и всех других соединений (т. е. в клеточном обмене веществ). Ни одна химическая реак­ция в живых клетках и тканях не обходится без участия ферментов.

Белки выполняют в клетке множество функций: ферментативную, транспортную, структурную, защитную и другие. Без белков жизнь клет­ки невозможна.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в ядрах клеток, в свя­зи с чем и получили свое название (лат. nucleus — «ядро»). Есть два вида нуклеи­новых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК) и рибо­нуклеиновая кислота (РНК). Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой очень длинные полимерные цепочки (тяжи), мономерами которых являются нуклеотиды (рис. 8, а). Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и остатков фосфор­ной кислоты (от одного до трех). Азотистыми основаниями у ДНК являются аденин, гуанин, цитозин и тимин (рис. 8, б). У РНК место тимина занима­ет урацил.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — важнейшее вещество в живой клетке. Молекула ДНК является носителем наследственной информации клетки и организма в целом. В клетках организмов каждого биологического вида определенное количество молекул ДНК на клетку. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК всегда строго индивидуальна и неповторима для каж­дого биологического вида.

Молекулы ДНК у всех эукариот находятся в ядре клетки и в органоидах — митохондриях и пластидах. У прокариот ядра нет, поэтому у них ДНК распола­гается в цитоплазме.

У всех живых существ молекулы ДНК построены по одному и тому же типу. Они состоят из двух полинуклеотидных цепочек, скрученных в виде двой­ной спирали в направлении слева направо (рис. 8, в). При этом азотистые основания обращены внутрь спирали и скреплены между собой водородными связями (наподобие застежки «молния»), а дезоксирибозы и остатки фосфор­ной кислоты находятся на внешней стороне двойной спирали.

Последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК опре­деляет наследственную информацию клетки.

Структуру молекулы ДНК раскрыли в 1953 г. американский биохимик Д. Уотсон и английский физик Ф. Крик. За это открытие ученые были удостое­ны в 1962 г. Нобелевской премии. Они доказали, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. При этом нуклеотиды (мономеры) соединяются друг с другом не случайно, а избирательно и парами посредством соединения азотистых оснований. Аденин (А) всегда стыкуется с тимином (Т), а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Эта двойная цепь туго закручена в спираль. Способность нуклеотидов к избирательному соединению в пары называется комплементарностью (лат. complementus — «дополнение»). Схематически расположение нуклеотидов в молекуле ДНК можно изобразить так:

На свойстве комплементарности основана способность молекулы ДНК удваиваться. Процесс удвоения ДНК называется репликацией (лат. replicatio — «повторение»).

Репликация происходит следующим образом. При участии специальных клеточных механизмов (ферментов) двойная спираль ДНК раскручивается, нити расходятся (наподобие того, как расстегивается «молния»), и постепенно к каждой из двух цепо­чек достраивается комплементарная ей половина из соответствующих нуклеотидов. В результате вместо одной молекулы ДНК образуются две новые одинаковые моле­кулы. При этом каждая вновь образованная двухцепочная молекула ДНК состоит из одной «старой» цепочки нуклеотидов и одной «новой». Поскольку ДНК является основным носителем информации, то ее способность к удвоению позволяет при делении клетки передавать эту наследственную информацию во вновь образующи­еся дочерние клетки.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) похожа по строению на ДНК, но ее моле­кулы состоят только из одной цепочки. Среди азотистых оснований в нуклеотидах вместо тимина (Т) присутствует урацил (У) и вместо дезоксирибозы — угле­вод (рибоза). Молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме и некоторых орга­ноидах клетки.

Значение молекулы РНК в жизни клетки огромно. Она служит посредни­ком между ДНК и синтезируемыми белками, участвуя в процессе сборки моно­меров в полимер.

По выполняемым функциям различают соответствующие типы РНК. Информационные РНК (иРНК) содержат информацию о первичной структу­ре белков. Транспортные РНК (тРНК) переносят аминокислоты к месту синте­за белка. Рибосомные РНК (рРНК) содержатся в мельчайших органоидах клет­ки — рибосомах. Все эти РНК участвуют в синтезе белков.

Нуклеиновые кислоты играют важнейшую биологическую роль в клет­ке: молекулы ДНК хранят наследственную информацию, а молекулы РНК участвуют в процессах, связанных с передачей генетической ин­формации от ДНК к белку.

Нуклеиновые кислоты являются обязательными компонентами не толь­ко всех живых клеток, но и вирусов.

1. Какие функции в клетке выполняют белки? нуклеиновые кислоты? 2*. Поясните, по каким основаниям определяется близость (родство) организмов и их видов.

3*. Назовите в каждой строке лишний термин.

• Белки, ДНК, РНК, нуклеотиды.

• Мономеры, полимеры, молекула, глобула.