Молекулярна структура живого

Які хімічні елементи входять до складу живої клітини? Яку роль відіграють цукру і ліпіди? Як влаштовані білки і як їх молекули набувають певну просторову форму? Що таке ферменти і як вони розпізнають свої субстрати? Яку будову мають молекули РНК і ДНК? Які особливості молекули ДНК дозволяють їй грати роль носія генетичної інформації?

Урок-лекція

ЕЛЕМЕНТАРНОГО І МОЛЕКУЛЯРНИЙ СКЛАД ЖИВОГО. Знайомство з живими системами ми починаємо з молекулярно-генетичного рівня. Це рівень молекул, які складають структурну і функціональну основу клітин живих організмів.

Ретровірус. Дивовижні геометричні форми демонструють віруси!

Згадаймо, що з усіх відомих елементів, що входять в Періодичну систему Д. І. Менделєєва, в живій клітині виявлено близько 80. При цьому серед них немає жодного, який був би відсутній в неживій природі. Це є одним із доказів спільності живої та неживої природи.

Більше 90% маси клітини складають вуглець, водень, азот і кисень. У значно менших кількостях в клітці зустрічаються сірка, фосфор, калій, натрій, кальцій, магній, залізо і хлор. Всі інші елементи (цинк, мідь, йод, фтор, кобальт, марганець та ін.) Разом становлять не більше 0,02% маси клітини. Тому їх називають мікроелементами. Мікроелементи входять до складу гормонів, ферментів і вітамінів, т. Е. Сполук, що володіють високою біологічною активністю.

Наприклад, нестача в організмі йоду, необхідного для виробництва гормону щитовидної залози – тироксину, призводить до зменшення вироблення цього гормону і, як наслідок, до розвитку важких захворювань, у тому числі кретинізму.

Більшу частину вмісту клітини становить вода. Багато речовини надходять в клітку або виводяться з неї у вигляді водних розчинів, у водному середовищі протікає і більшість внутрішньоклітинних реакцій. Більше того, вода приймає і безпосередню участь у ряді хімічних реакцій, віддаючи утворюються сполуки іони Н + або ОН-. Завдяки своїй високій теплоємності вода стабілізує температуру всередині клітини, робить її менш залежною від коливань температури в навколишньому клітку середовищі.

Крім води, що становить 70% від обсягу клітини, до її складу входять органічні речовини – сполуки вуглецю. Серед них розрізняють невеликі молекули, що містять до 30 атомів вуглецю, і макромолекули. До перших відносять прості цукри (моносахариди), ліпіди, амінокислоти і нуклеотиди. Вони служать структурними компонентами для побудови макромолекул, а крім того, відіграють істотну роль у процесах обміну речовин і енергії живої клітини.

І все ж основа життя на рівні молекул – це білки і нуклеїнові кислоти, про які поговоримо більш докладно.

Амінокислот і білків. Білкам належить особлива роль у живій природі. Вони служать будівельним матеріалом клітини, і практично жоден з процесів, які протікають в клітинах, не обходиться без їхньої участі.

Молекула білка являє собою ланцюжок амінокислот, причому число ланок у такому ланцюжку може коливатися від десятка до декількох тисяч. Сусідні амінокислоти пов’язані один з одним особливим типом хімічного зв’язку, яка носить назву пептидной. Зв’язок цей утворюється в процесі синтезу білка, коли карбоксильная група однієї амінокислоти зв’язується з пов’язаною з нею аминогруппой інший амінокислоти (рис. 32).

Всі 20 видів амінокислот беруть участь у побудові білків. Однак порядок їх чергування в білкової ланцюжку самий різний, що створює можливість для величезної кількості поєднань, а отже, і для побудови численних типів білкових молекул. Слід зазначити, що тільки рослини здатні синтезувати всі 20 амінокислот, необхідних для побудови білків. Тварини ж отримують ряд амінокислот, званих незамінними, харчуючись рослинами.

Послідовність амінокислот у молекулі білка позначають як первинну структуру білка (рис. 33). Розрізняють і вторинну структуру білка, під якою розуміють характер просторового розташування окремих фрагментів ланцюга амінокислот. У вторинній структурі ділянки молекули білка мають форму спіралей або складчастих шарів. У їх формуванні важлива роль належить водневим зв’язкам, устанавливающимся між киснем і воднем пептидних зв’язків (-N-H … 0 = С-) різних амінокислот.

Під третинної структурою білка мається на увазі просторове розташування всієї амінокислотною ланцюга.

Третинна структура має пряме відношення до форми молекули білка, яка може бути ниткоподібної або округлої. В останньому випадку молекула згортається таким чином, що її гідрофобні ділянки опиняються всередині, а полярні гідрофільні групи – на поверхні. Настає внаслідок просторова структура носить назву глобула.

Нарешті, до складу деяких білків може входити декілька глобул, кожну з яких формує самостійна ланцюжок амінокислот. З’єднання декількох глобул в єдиний комплекс позначають терміном четвертичная структура білка. Наприклад, молекула білка гемоглобіну складається з чотирьох глобул, що містять небілкову частина – гем.

Молекула білка здатна самоорганізовуватися в складну просторову структуру, конфігурація якої специфічна і визначається послідовністю амінокислот, т. Е. Первинною структурою білка.

Самоорганізація – одне з унікальних властивостей білків, що лежить в основі багатьох виконуваних ними функцій. Зокрема, на специфічності просторової структури білкової молекули заснований механізм розпізнавання ферментами (біологічними каталізаторами) свого субстрату, тобто. Е. Молекули, яка після взаємодії з ферментом відчуває ті чи інші хімічні перетворення і перетворюється в продукт.

Як ферментів виступають білки, певну ділянку молекули яких утворює активний центр. Він пов’язує специфічний для даного ферменту субстрат і перетворює його в продукт. При цьому фермент здатний відрізняти свій субстрат завдяки особливій просторової конфігурації активного центру, специфічною для кожного ферменту. Можна уявити, що субстрат підходить до ферменту, як ключ до замка.

Ви переконалися, що в основі всіх властивостей білка лежить його первинна структура – послідовність амінокислот у молекулі. Її можна порівняти зі словом, яке написано алфавітом, що складається з 20 букв-амінокислот. А якщо є слова, то може існувати і шифр, за допомогою якого ці слова можуть бути закодовані. Яким чином? Відповісти на це питання допоможе знайомство з будовою нуклеїнових кислот.

Нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Нуклеотиди складаються з азотовмісного циклічного з’єднання (азотистого підстави), пятиуглеродного цукру і залишку фосфорної кислоти. З них побудовані макромолекули нуклеїнових кислот.

До складу молекул РНК (рибонуклеїнова кислота) входять нуклеотиди, побудовані на основі цукру рибози вмістом як азотистих основ аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц) і урацил (У). Нуклеотиди, складові молекулу ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота), містять дезоксирибозу, а замість урацилу – тимін (Т).

Зчеплення нуклеотидів між собою в молекулі ДНК (РНК) відбувається завдяки зв’язку фосфорного залишку одного нуклеотиду з дезоксирибозою (рибозой) іншого (рис. 34).

У ході досліджень складу молекул ДНК було з’ясовано, що в кожній з них число аденінових азотистих основ (А) дорівнює числу тимінових (Т), а число гуанінових (Г) – числу цитозинових (Ц). Це відкриття послужило передумовою для створення Дж. Уотсоном і Ф. Криком в 1953 р моделі молекули ДНК – знаменитої подвійної спіралі.

Відповідно до цієї моделі молекула ДНК складається з двох ланцюгів, які згорнуті у вигляді правозакрученной спіралі (рис. 35).
Кожна ланцюг містить послідовність нуклеотидів, суворо відповідну (комплементарную) послідовності іншого ланцюга. Це відповідність досягається наявністю водневих зв’язків між направленими назустріч один одному азотистими підставами двох ланцюгів – А і Т або Г і Ц.

Зв’язок між іншими парами азотистих основ неможлива, оскільки просторова структура молекул азотистих основ така, що тільки А і Т, так само як Г і Ц, можуть зблизитися один з одним на стільки, щоб утворити між собою водневі зв’язки.

Найважливіша особливість ДНК полягає в можливості її самоудвоения – реплікації, яка здійснюється за участю групи ферментів (рис. 36).
У визначених ділянках, у тому числі і на одному з кінців, двуцепочной спіральної молекули ДНК відбувається розрив водневих зв’язків між ланцюгами. Вони поділяються і розмотуються.

Цей процес поступово захоплює всю молекулу. У міру розбіжності ланцюгів материнської молекули на них, як на матриці, з наявних у навколишньому середовищі нуклеотидів шикуються дочірні ланцюга. Збірка нового ланцюга йде в точній відповідності з принципом комплементарності: проти кожного А встає Т, проти Г – Ц і т. Д. У підсумку виходять дві нові молекули ДНК, у кожної з яких один ланцюг залишилася від вихідної молекули ДНК, а друга – нова . При цьому дві утворюються при реплікації молекули ДНК ідентичні вихідної.

Здатність молекули ДНК до самокопірованія і лежить в основі передачі спадкової інформації живими організмами. Послідовність нуклеотидних основ у молекулі ДНК якраз і служить тим шифром, яким закодована інформація про білках, необхідних для функціонування організму.

На відміну від ДНК молекула РНК складається з однієї полінуклеотидних ланцюга. Існує кілька типів РНК, які виконують в клітці різні функції. РНК-копія ділянки ланцюга ДНК носить назву інформаційної або матричної РНК (мРНК) і відіграє роль посередника при передачі генетичної інформації від ДНК до структурам клітини, які синтезують білок, – рибосоми. Крім того, в клітці є рибосомні РНК (рРНК), які разом з білками формують рибосоми, транспортні РНК (тРНК), що транспортують амінокислоти до місця синтезу білка, і деякі інші.

Молекула ДНК складається з двох згорнутих у спіраль комплементарних ланцюгів нуклеотидів, які утримуються разом водневими зв’язками, що утворюють А-Т і Г-Ц пари основ. Послідовність нуклеотидів ланцюга ДНК служить шифром, який кодує генетичну інформацію. Розшифровка цієї інформації здійснюється за участю молекул РНК. Здатність ДНК до самокопірованія (реплікації) забезпечує можливість передачі генетичної інформації в живій природі.

Чому білки називають молекулами життя?
Яка роль просторових структур білків у процесах життєдіяльності клітини?
Який принцип лежить в основі процесів реплікації ДНК?

Посилання на основну публікацію