Страница 6 из 16
В каких организмах запасающую энергетическую функцию выполняет гликоген, а в каких — крахмал? 3. Сходны ли по химическому строению с пищевым сахаром древесина и панцирь членистоногих? 4. Почему организм запасает энергию в двух формах — в виде углеводов и жиров? 5. Каковы основные функции липидов? § 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 существ, так и для ее воспроизведения. Существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибо-нуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
; Основное количество ДНК хранится в клеточных ядрах. Митохондрии и хлоропласты содержат небольшие кольцевые молекулы ДНК, несущие информацию о строении этих органоидов. Пространственная структура ДНК была выявлена в 1953 г. английским физиком Ф. Криком и американским биологом Дж. Уотсоном, работавшими в области молекулярной биологии. ДНК состоит из двух параллельных молекулярных нитей, скрученных в двойную правую спираль.
Ширина спирали всего 2 нм при длине более 100 000 нм. Соединяясь со специальными белками — гистонами, двойная спираль ДНК навивается на гистон, образуя сложную пространственную структуру – суперспираль. Молекула ДНК при этом укорачивается, утолщается и становится хорошо различимой в световой микроскоп. Эту суперспираль, упакованную сложным образом, и называют хромосомой.
Упаковка ДНК в ядре очень плотная, 46 хромосом человека общей длиной ДНК 1,8 м (6x109 пар нуклеотидов) содержатся в ядре диаметром 6х10-6 м . Каждая нить ДНК – полимер, мономером которого являются нуклеотиды. Полимерная цепочка может содержать до 100 млн. нуклеотидов. В состав нуклеотида входит одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г)
, а также моносахарид дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Четыре вида нуклеотидов различаются только азотистыми основаниями. В полинуклеотидной цепи ДНК молекулы дезоксирибозы связаны прочными ковалентными связями с остатками фосфорной кислоты соседних нуклеотидов. Две нити ДНК связываются друг с другом посредством водородных связей между азотистыми основаниями.
В соответствии со строением молекул азотистых оснований наблюдается следующая закономерность: А связывается только с Т, а Г – только с Ц. Такой порядок соединения энергетически выгоден, поскольку обеспечивает наибольшее количество водородных связей и параллельность нитей ДНК (поскольку направления считывания противоположны, нити называют антипараллельными).
Нуклеотиды как бы дополняют друг друга, образуя так называемые комплементарные пары А-Т и Г-Ц (<лат. complementum средство пополнения). Если известен порядок следования нуклеотидов в одной нити ДНК, то по принципу комплементарности можно установить порядок нуклеотидов в другой нити. На каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов.
Комплементарность цепочек ДНК позволяет молекуле удваиваться (реплицироваться) в две абсолютно идентичные дочерние молекулы. ДНК Двойная спираль ДНК, накручиваясь на белки-гистоны, образует суперспираль-хромосому Гистоны Фрагмент двойной спирали ДНК Фермент ДНК-полимераза легко разрушает слабые водородные связи между витками спирали ДНК и, раскручивая молекулу, удваивает ее по принципу комплементарности.
Над репликацией каждой ДНК работает сразу несколько полимераз. В спирали ДНК миллионы витков, для разъединения дочерних макромолекул специальные ферменты «разрезают» ДНК на фрагменты и после раскручивания снова «сшивают». Установив структуру ДНК, Ф. Крик и Дж. Уотсон предположили, что наследственная информация закодирована последовательностью нуклеотидов, в которой каждому гену соответствует своя нуклеотидная цепочка.
Особенности строения ДНК озадачивали многих ученых. Один из открывателей двойной спирали ДНК нобелевский лауреат Ф. Крик заявил, что «нет никакой вероятности самопроизвольного возникновения жизни из химических элементов Земли». Чудесные свойства ДНК побуждают нас задуматься о Творце. Рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекулы РНК большинства организмов представляют собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК.
Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой моносахарид – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил. Репликация (удвоение) ДНК происходит по принципу комплементарности. Процесс удвоения составляет молекулярную основу Размножения всех организмов Некоторые вирусы (реовирусы) для хранения информации используют двухцепочечную РНК, устроенную подобно ДНК.
В этих вирусах РНК выполняет функции хромосом. Наследственную информацию, хранящуюся в ДНК, реализуют именно РНК. Их молекулы синтезируются на соответствующих участках одной из нитей ДНК по принципу комплементарности. 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 варьируется в зависимости от стадии жизненного цикла клетки.
Заметно большее количество РНК содержат клетки, интенсивно синтезирующие белки. Различают три типа РНК: Информационные РНК (иРНК) содержат информацию о первичной структуре синтезируемых клеткой белков и переносят ее из ядра в цитоплазму к рибосомам, синтезирующим белки из аминокислот. Поскольку иРНК служат матрицей для синтеза белков, их еще называют матричными.
Это самые большие РНК, они могут включать до 30 тыс. нуклеотидов. Рибосомальные РНК (рРНК) определяют устройство и функционирование рибосом. Эти РНК не слишком велики, они содержат 3-5 тыс. нуклеотидов, но их очень много: рРНК составляют существенную часть рибосомы. На их долю приходится 90% общего количества РНК. Транспортные РНК (тРНК)
самые маленькие, в их состав входит всего около 80 нуклеотидов. Основная часть тРНК находится в цитоплазме, где они и выполняют свою функцию: связывать и доставлять аминокислоты к рибосомам в процессе синтеза белков. 1. Каковы функции ДНК? 2. Опишите строение молекулы ДНК. 3.
Как происходит удвоение ДНК и в чем главное значение этого процесса? 4. Откуда появляются в клетке РНК, какова их функция? § 6. Аденозинтрифосфорная кислота – АТФ. Другие соединения Энергия, поступающая в организм с пищей, запасается в виде химических связей синтезируемых клеткой молекул органических соединений.
Как мы уже знаем, универсальным источником энергии в клетке являются углеводы и липиды. Энергия, выделяющаяся при их расщеплении, аккумулируется в молекулах АТФ. Использование АТФ позволяет организму легко и быстро высвобождать и запасать значительные количества энергии. По строению АТФ сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.
Клетки не в состоянии содержать кислоты в заметных количествах, а только их соли. Поэтому фосфорная кислота входит в АТФ в виде остатка (вместо ОН-группы кислоты имеется отрицательно заряженный атом кислорода). Под действием ферментов молекула АТФ легко подвергается гидролизу, то есть присоединяет молекулу воды и расщепляется с образованием аденозиндифосфорной кислоты (АДФ)
: АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 Отщепление еще одного остатка фосфорной кислоты превращает АДФ в аденозинмонофосфорную кислоту АМФ: АДФ + Н2О АДФ + Н3РО4 Эти реакции обратимы, то есть АМФ может переходить в АДФ и далее в АТФ, аккумулируя энергию. Разрушение обычной пептидной связи высвобождает лишь 12 кДж/моль энергии. А связи, которыми присоединены остатки фосфорной кислоты, высокоэнергетичны (их еще называют макроэргическими)
: при разрушении каждой из них выделяется 40 кДж/моль энергии. Поэтому АТФ играет в клетках центральную роль универсального биологического аккумулятора энергии. Молекулы АТФ синтезируются в митохондриях и хлоропластах (лишь незначительное их количество синтезируется в цитоплазме), а затем поступают к различным органоидам клетки, обеспечивая энергией все процессы жизнедеятельности.
За счет энергии АТФ происходит деление клетки, активный перенос веществ через клеточные мембраны, поддержание мембранного электрического потенциала в процессе передачи нервных импульсов, а также биосинтез высокомолекулярных соединений и физическая работа. При усиленной нагрузке (например, в беге на короткие дистанции) мышцы работают исключительно за счет запаса АТФ.