Органические вещества клетки

Се­год­ня речь пой­дет о слож­ней­ших ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ни­ях, без ко­то­рых жизнь клет­ки, да и не толь­ко клет­ки, во­об­ще жизнь, была бы невоз­мож­ной. Это белки и нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты.

Итак, белки. Это слож­ные ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, вы­пол­ня­ю­щие в клет­ке важ­ные функ­ции. Из всех ор­га­ни­че­ских ве­ществ клет­ки 50–70 % при­хо­дит­ся на белки. Обо­лоч­ка клет­ки, все ее внут­рен­ние струк­ту­ры по­стро­е­ны с уча­сти­ем бел­ко­вых мо­ле­кул. Белки транс­пор­ти­ру­ют ве­ще­ства клет­ки, белки вы­пол­ня­ют роль ка­та­ли­за­то­ров, уско­ря­ю­щих хи­ми­че­ские ре­ак­ции, очень труд­но пред­ста­вить себе хоть ка­кой-то про­цесс в клет­ке, ко­то­рый бы об­хо­дил­ся без уча­стия бел­ков.

По сути, белки пред­став­ля­ют собой ги­гант­ские по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы, мо­но­ме­ра­ми ко­то­рых яв­ля­ют­ся ами­но­кис­ло­ты. В при­ро­де из­вест­но более 150 раз­лич­ных ами­но­кис­лот, но в по­стро­е­нии бел­ков живых ор­га­низ­мов участ­ву­ют толь­ко 20. Их так и на­зы­ва­ют – вол­шеб­ные ами­но­кис­ло­ты. Бла­го­да­ря осо­бен­но­стям сво­е­го хи­ми­че­ско­го стро­е­ния ами­но­кис­ло­ты со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом, об­ра­зуя пер­вич­ную струк­ту­ру белка. Уни­каль­ность или спе­ци­фич­ность белка опре­де­ля­ет­ся в первую оче­редь  по­сле­до­ва­тель­но­стью со­еди­не­ния ами­но­кис­лот. Но не толь­ко.

Ли­ней­ных бел­ков, в ко­то­рых ами­но­кис­ло­ты вы­стра­и­ва­лись бы в одну линию, в при­ро­де прак­ти­че­ски не су­ще­ству­ет. Бла­го­да­ря об­ра­зу­ю­щим­ся во­до­род­ным свя­зям между раз­ны­ми ча­стя­ми мо­ле­ку­лы белок при­об­ре­та­ет про­стран­ствен­ную или вто­рич­ную струк­ту­ру. Возь­мем белок ге­мо­гло­би­на.  Его вто­рич­ная струк­ту­ра – это спи­раль.  И эта спи­раль тоже может из­ги­бать­ся в про­стран­стве, фор­ми­руя таким об­ра­зом тре­тич­ную струк­ту­ру белка.  В ре­зуль­та­те та­ко­го мно­го­крат­но­го скру­чи­ва­ния длин­ная и тон­кая нить мо­ле­ку­лы белка ста­но­вит­ся ко­ро­че, толще и со­би­ра­ет­ся в ком­пакт­ный комок – гло­бу­лу. Белок вы­пол­ня­ет в клет­ке свои функ­ции, толь­ко на­хо­дясь в форме гло­бу­лы. У неко­то­рых бел­ков встре­ча­ет­ся еще более слож­ная форма – чет­вер­тич­ная струк­ту­ра. Таким об­ра­зом, свой­ства белка опре­де­ля­ют­ся не толь­ко по­сле­до­ва­тель­но­стью ами­но­кис­лот, но и его про­стран­ствен­ной струк­ту­рой – кор­фор­ма­ци­ей. 

Белки, вы­пол­ня­ю­щие функ­цию ка­та­ли­за­то­ров, уско­ря­ю­щих хи­ми­че­ские про­цес­сы в клет­ке, на­зы­ва­ют фер­мен­та­ми. Фер­мен­ты участ­ву­ют в пе­ре­но­се ато­мов и мо­ле­кул, в рас­щеп­ле­нии и по­стро­е­нии бел­ков, жиров, уг­ле­во­дов и всех дру­гих со­еди­не­ний, то есть в кле­точ­ном об­мене ве­ществ. Ни одна хи­ми­че­ская ре­ак­ция в живых клет­ках и тка­нях не об­хо­дит­ся без уча­стия фер­мен­тов.

Кроме ка­та­ли­ти­че­ской, на белки воз­ло­же­на не менее важ­ная за­щит­ная функ­ция. Поиск и фик­са­ция ток­си­нов, по­па­да­ю­щих в клет­ку, уни­что­же­ние чу­же­род­ных ор­га­низ­мов – бак­те­рий и ви­ру­сов – эту ра­бо­ту тоже вы­пол­ня­ют белки. А еще за бел­ка­ми за­креп­ле­на ре­гу­ля­тор­ная функ­ция, сиг­наль­ная, за­пас­ная, ре­зерв­ная и много дру­гих функ­ций, ко­то­рые мы раз­бе­рем позже.

А пока мы рас­смот­рим, по­жа­луй, самые уди­ви­тель­ные ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства, вхо­дя­щие в со­став клет­ки, – нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты.

Впер­вые нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты об­на­ру­жи­ли в ядрах кле­ток, от­сю­да и на­зва­ние. На ла­ты­ни «нук­ле­ус» зна­чит «ядро».  Су­ще­ству­ет два типа нук­ле­и­но­вых кис­лот: ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та, со­кра­щен­но РНК, и дез­ок­си­ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та, уже зна­ко­мая вам по со­вре­мен­ным де­тек­ти­вам, – это ДНК.  Нужно пой­мать пре­ступ­ни­ка – берем у него ана­лиз ДНК и все, спра­вед­ли­вость вос­тор­же­ство­ва­ла. По­че­му это воз­мож­но? По­то­му что струк­ту­ра каж­дой мо­ле­ку­лы ДНК уни­каль­на. И сей­час мы пой­мем по­че­му.

 

Мо­ле­ку­лы нук­ле­и­но­вых кис­лот – это очень длин­ные по­ли­мер­ные це­поч­ки, со­сто­я­щие из нук­лео­ти­дов. Нук­лео­тид – это со­еди­не­ние, со­сто­я­щее из азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния и свя­зан­но­го с ним мо­но­са­ха­ри­да – ри­бо­зы или дез­ок­си­ри­бо­зы, от­сю­да раз­ни­ца в на­зва­нии РНК и ДНК. Также в со­став нук­лео­ти­да вхо­дит оста­ток фос­фор­ной кис­ло­ты – от од­но­го до трех. Азо­ти­стые ос­но­ва­ния ДНК – это аде­нин, гу­а­нин, ци­то­зин и тимин. У РНК место ти­ми­на за­ни­ма­ет ура­цил.

По­че­му мы так по­дроб­но оста­нав­ли­ва­ем­ся на нук­ле­и­но­вых кис­ло­тах? По­то­му что мо­ле­ку­ла ДНК – важ­ней­шее ве­ще­ство клет­ки. Если срав­нить клет­ку с че­ло­ве­че­ским ор­га­низ­мом, то ДНК – это мозг клет­ки. В по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов мо­ле­ку­лы этой кис­ло­ты за­шиф­ро­ва­на вся на­след­ствен­ная ин­фор­ма­ция клет­ки и ор­га­низ­ма в целом. В клет­ках ор­га­низ­мов каж­до­го био­ло­ги­че­ско­го вида на­хо­дит­ся опре­де­лен­ное ко­ли­че­ство мо­ле­кул ДНК на клет­ку. По­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов в мо­ле­ку­ле ДНК все­гда стро­го ин­ди­ви­ду­аль­на и непо­вто­ри­ма не толь­ко для вида в целом, но и для каж­дой его особи. По­это­му мы с вами такие раз­ные. И имен­но по­это­му вы­чис­лить по ДНК пре­ступ­ни­ка так про­сто.

Мо­ле­ку­лы ДНК у всех эу­ка­ри­от на­хо­дят­ся в ядре клет­ки и в ор­га­но­и­дах – ми­то­хон­дри­ях и пла­сти­дах. У про­ка­ри­от оформ­лен­но­го ядра нет, по­это­му у них ДНК рспо­ла­га­ет­ся непо­сред­ствен­но в ци­то­плаз­ме.

У всех живых су­ществ мо­ле­ку­лы ДНК по­стро­е­ны по од­но­му и тому же прин­ци­пу. Они со­сто­ят из двух по­ли­нук­лео­тид­ных це­по­чек, скру­чен­ных в виде двой­ной спи­ра­ли в на­прав­ле­нии слева на­пра­во. При этом азо­ти­стые ос­но­ва­ния об­ра­ще­ны внутрь спи­ра­ли и скреп­ле­ны между собой во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. А дез­ок­си­ри­бо­зы и остат­ки фос­фор­ной кис­ло­ты оста­ют­ся на внеш­ней сто­роне двой­ной спи­ра­ли.

Эту мо­дель стро­е­ния ДНК от­кры­ли в 1953 году аме­ри­кан­ский био­хи­мик Джеймс Уот­сон и ан­глий­ский физик Френ­сис Крик, за что в 1962 году были удо­сто­е­ны Но­бе­лев­ской пре­мии. Они до­ка­за­ли, что мо­ле­ку­ла ДНК со­сто­ит из двух по­ли­нук­лео­тид­ных цепей. При этом нук­лео­ти­ды со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом не слу­чай­но, а из­би­ра­тель­но – па­ра­ми через азо­ти­стые ос­но­ва­ния. Аде­нин все­гда сты­ку­ет­ся с ти­ми­ном, а гу­а­нин с ци­то­зи­ном. Спо­соб­ность нук­лео­ти­дов к из­би­ра­тель­но­му со­еди­не­нию в пары на­зы­ва­ет­ся ком­пле­ме­тар­но­стью. На свой­стве ком­пле­мен­тар­но­сти ос­но­ва­на спо­соб­ность мо­ле­ку­лы ДНК удва­и­вать­ся. Про­цесс удво­е­ния ДНК на­зы­ва­ет­ся ре­пли­ка­ци­ей.

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

Ри­бо­ну­кле­и­но­вая кис­ло­та слу­жит по­сред­ни­ком между ДНК и син­те­зи­ру­е­мы­ми бел­ка­ми, участ­вуя в сбор­ке мо­но­ме­ров в по­ли­мер. По­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов со­от­вет­ству­ет по­сле­до­ва­тель­но­сти ами­но­кис­лот, из ко­то­рых стро­ит­ся белок. Таким об­ра­зом, ин­фор­ма­ция за­шиф­ро­ван­ная в ДНК, пе­ре­да­ет­ся на РНК, и на ней уже про­ис­хо­дит син­тез нуж­но­го белка.

Эта функ­ция пе­ре­но­са ин­фор­ма­ции за­креп­ле­на в клет­ке за ин­фор­ма­ци­он­ны­ми РНК. По­ми­мо этого су­ще­ству­ет еще два типа ри­бо­ну­кле­и­но­вой кис­ло­ты – это транс­порт­ные РНК и ри­бо­сом­ные РНК. Пер­вые пе­ре­но­сят ами­но­кис­ло­ты к месту син­те­за белка, вто­рые со­дер­жат­ся в мель­чай­ших ор­га­но­и­дах клет­ки – ри­бо­со­мах. Все эти РНК участ­ву­ют в син­те­зе бел­ков.

Если под­верг­нуть белок на­гре­ва­нию или хи­ми­че­ско­му воз­дей­ствию, то его кон­фор­ма­ция нач­нет из­ме­нять­ся. Это важ­ней­шее свой­ство бел­ков лежит в ос­но­ве раз­дра­жи­мо­сти живых си­стем, то есть спо­соб­но­сти живых кле­ток ре­а­ги­ро­вать на внеш­ние или внут­рен­ние раз­дра­жи­те­ли. При более силь­ном про­дол­жи­тель­ном воз­дей­ствии на белок он те­ря­ет свои свой­ства и рас­кру­чи­ва­ет­ся. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся де­на­ту­ра­ци­ей. Если де­на­ту­ра­ция за­тро­ну­ла толь­ко тре­тич­ную или вто­рич­ную струк­ту­ру, то она об­ра­ти­ма: бело может снова за­кру­тить­ся в спи­раль и уло­жить­ся в тре­тич­ную струк­ту­ру. Это яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся ре­на­ту­ра­ци­ей. При этом вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся и функ­ции белка.

Последнее изменение: Четверг, 29 Март 2018, 11:56