Страница 6 из 84
По мнению ряда ученых, многообразные и специфические свойства белков свидетельствует о том, что появление жизни было сознательным актом Творца, а вовсе не результатом случайного перебора возможных комбинаций молекул в материалистической модели самозарождения жизни.
1. Что происходит с белками при варке яиц и скисании молока?
2. Опишите девять основных функций белков.
3. Какие особенности строения белков-ферментов позволяют им выполнять каталитическую функцию?
4. Опишите механизм иммунитета.
§ 5. Биополимеры. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК
Нуклеиновые (<лат. nucleus ядро) кислоты были открыты в 1868 г. швейцарским биохимиком Ф. Мишером при исследовании ядер лейкоцитов человека. Их биологическое значение огромно. В нуклеиновых кислотах хранится наследственная информация всего организма. Они необходимы как для поддержания жизни, так и для ее воспроизведения.
Существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Основное количество ДНК хранится в клеточных ядрах в составе хромосом (<греч. chroma цвет + soma тело). Митохондрии и хлоропласты
Двойная
спираль
ДНК
Направление
считывания
содержат небольшие кольцевые молекулы ДНК, несущие информацию о строении и функционировании этих органелл. Пространственная структура ДНК была выявлена в 1953 г. английским физиком Ф. Криком и американским биологом Дж. Уотсоном.
ДНК состоит из двух параллельных полимерных цепей, скрученных в двойную правозакрученную спираль (одна вокруг другой и обе вокруг общей оси). Каждая цепь ДНК — полимер, мономерами которого ЯВЛЯЮТСЯ нуклеотиды. Полимер- о ная цепочка (полинуклеотид) может содержать до JI 100 млн нуклеотидов (у человека — 6х109пар). В составе нуклеотида — одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) или цитозин (Ц), а также моносахарид дезоксирибоза И остаток фосфорной КИСЛОТЫ. Урацил (У)
НС
NH
•N-4
Н
НСЧ
О
II
,С,
Н3С
ч
HN-
С
С'
II
С^
СН
О
Гуанин (Г)
Цитозин (Ц)
'N Н
Аденин (А)
N
I
НС
С
NH„
НС .С. С с
N mln' "N
О
II
'с^%н I
Н
Тимин (Т)
СН II / НС
НС^ N
NH„
N'
Н
N
Участок двойной спирали молекулы ДНК
Четыре вида нуклеотидов различаются только азотистыми основаниями. В полинуклеотидной цепи ДНК молекулы дезок-сирибозы связаны прочными ковалентными связями с остатками фосфорной кислоты соседних нуклеотидов. Две цепи ДНК связываются друг с другом посредством водородных связей между азотистыми основаниями.
Особенности строения молекул азотистых оснований дают следующую закономерность: основание А связывается только с Т, а Г — только с Ц. Такой порядок соединения энергетически выгоден, поскольку обеспечивает наибольшее количество водородных связей и параллельность цепей ДНК. Нуклеотиды как
Четыре нуклеотида, входящие в состав молекулы ДНК
Точка начала репликации
Репликон
Вилка репликации
Две дочерние молекулы ДНК
Репликация ДНК у эукариот начинается сразу во многих точках
бы дополняют друг друга, образуя так называемые комплементарные пары А—Т и Г—Ц (<лат. complementum пополнение).
Поскольку цепи ДНК с одной стороны заканчиваются фосфатом, с другой — ОН-группой, то говорят, что цепи полярны. Полярность цепей противоположна, поэтому их называют антипа-раллельными. Считывание информации (транскрипция, см. § 17) происходит в противоположных направлениях — с каждой цепи в направлении от 5 '-Р-конца к 3' -ОН-концу (цифры указывают номер атома углерода в дезоксирибозе, к которому присоединена ОН-группа или фосфат на концах цепей, рис. на с. 18).
Если известен порядок следования нуклеотидов в одной цепи ДНК, то по принципу комплементарности можно установить порядок нуклеотидов в другой цепи. Комплементарность цепей позволяет ДНК реплицироваться (<лат. replicatio повторение) в две идентичные дочерние молекулы. Процесс удвоения составляет молекулярную основу размножения всех организмов.
Репликация ДНК в клетках эукариот начинается сразу во многих точках (у прокариот — в одной), образуя тысячи «глазков». ДНК-полимераза в комплексе с другими ферментами (более 15) разрушает слабые водородные связи между цепями ДНК и, раскручивая молекулу, удваивает ее по принципу комплемен-тарности. Такие ферментные комплексы (реплисомы) расходятся от точек начала репликации в противоположных направлениях.
,!ВВ?Штв о
5 '
3
Фрагменты Оказаки
и 5 '
3'
В
Вилка репликации.
Нижняя нить (лидирующая) удлиняется непрерывно, а верхняя (запаздывающая) — участками, образуя так называемые фрагменты Оказаки, которые затем сшиваются в единую цепь. Скорость движения вилки у прокариот достигает 1 000 нуклеотидов/с
10 нм
сч
30 нм
300 нм
p'Sr;Л
ДНК, навиваясь на комплекс из 8 молекул белков-гистонов (по 1,75 оборота), спираль образует нукле-осомы («бусинки на нити»), в каждой — около 150 пар нуклеотидов
При помощи других гистонов ну-клеосомы формируют спиральную нить — фибриллу (6 нуклеосом на один оборот спирали)
Специальные белки сшивают нити фибрилл с образованием петель, по 150 — 500 нуклеосом в каждой
Петли укладываются в стопки
700 нм
1400 нм
Хромосома на одной из стадий деления клетки (в метафазе) состоит из двух идентичных хроматид, содержащих по одной молекуле ДНК, в каждой у млекопитающих — около 3000 петель
Упаковка ДНК в хромосоме (указан размер по вертикали)
Полимераза способна присоединять нуклеотиды только в направлении считывания, поэтому одна из цепей (лидирующая) удлиняется непрерывно, а другая — прерывисто: по мере смещения вилки репликации полимераза начинает синтезировать новый фрагмент, всегда в направлении 5 ' ^ 3 '.
Установив структуру ДНК, Ф. Крик и Дж. Уотсон предположили, что наследственная информация закодирована последовательностью нуклеотидов, в которой каждому гену соответствует свой участок нуклеотидной цепи. Позже это предположение подтвердилось, выяснился также механизм очень плотной упаковки спирали ДНК в ядре с образованием хромосомы. ДНК человека общей длиной 1,8 м содержится в ядре диаметром 6х1О-0 м.
В структуре ДНК можно, таким образом, выделить два основополагающих свойства, благодаря которым ДНК является материальной основой наследственности:
— в чередовании четырех нуклеотидов ДНК закодирована вся наследственная информация организма;
— принцип комплементарности оснований лежит в основе важнейших генетических процессов: воспроизведения (репликации) ДНК в ряду поколений, транскрипции (считывания наследственной информации) и трансляции (синтеза белков в соответствии с этой информацией), репарации (устранения нарушений в структуре ДНК), кроссинговера (дает новые комбинации генов в потомстве, обеспечивая необходимое разнообразие генетического материала). В следующих параграфах мы остановимся на этих свойствах ДНК более подробно.
Особенности строения ДНК озадачивали многих ученых: могла ли она возникнуть сама по себе? Нобелевский лауреат Ф. Крик заявил, что «нет никакой вероятности самопроизвольного возникновения жизни из химических элементов Земли».
Рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекулы РНК большинства организмов представляют собой одиночную цепь нуклеотидов, сходную по строению с отдельной цепью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой моносахарид — рибозу, а вместо тимина — урацил. В некоторых патогенных для человека вирусах носителем генетической информации является двухцепочечная РНК, устроенная подобно ДНК (реовирусы).
Наследственную информацию, хранящуюся в ДНК, реализуют именно РНК. Их молекулы синтезируются на соответствующих участках одной из цепей ДНК по принципу компле-ментарности. РНК переносят информацию о строении белков от хромосом к месту синтеза и непосредственно участвуют в сборке белков.
Общая масса РНК в клетках превышает количество ДНК и варьирует в зависимости от стадии жизненного цикла клетки. Заметно большее количество РНК содержат клетки, интенсивно синтезирующие белки.
Различают три основных типа РНК.
Матричные РНК (мРНК) служат матрицей для синтеза белков. Они содержат информацию (другое их название — «информационные РНК», иРНК) о первичной структуре синтезируемых клеткой белков и переносят ее из ядра в цитоплазму к рибосомам, синтезирующим белки из аминокислот. Матричные РНК включают 100—10 ООО нуклеотидов и составляют до 5% всей РНК клетки.
Рибосомные РНК (рРНК) входят в состав рибосом, определяют их устройство и функционирование, они содержат 3—5 тыс. нуклеотидов. На долю рРНК приходится 85 % РНК клетки.