АСЕЕВ В.В.

Курс «Молекулярные основы процессов жизнедеятельности»

Развитие биологии в последние десятилетия определяется в основном успехами в изучении молекулярных и клеточных механизмов процессов жизнедеятельности. Школьная программа в значительной степени ориентирована на традиционные направления биологии. Уровень преподавания современных достижений биологии страдает от недостаточной подготовки учителей. Цель предлагаемого курса – предоставить школьному учителю возможность познакомиться с современными представлениями о молекулярных механизмах наиболее важных процессов функционирования живых клеток, причем получить необходимый материал в компактной и доступной форме.
Предлагаемый курс состоит из трех частей. В первой рассматриваются строение наиболее важных биополимеров (углеводов, белков и нуклеиновых кислот), особенности их пространственной структуры и физико-химические механизмы их взаимодействия. Особое внимание уделяется кооперативным взаимодействиям и взаимно комплементарным структурам как основе образования и функционирования клеточных компонентов. Вторая часть посвящена процессам функционирования белков. В ней рассматриваются вопросы образования белковых структур за счет специфических межмолекулярных взаимодействий, структурные перестройки белков при связывании малых молекул как основа движения, узнавания и передачи сигнала, молекулярные механизмы и особенности ферментативного катализа. Третья часть, наибольшая по объему, содержит описание основных процессов, происходящих при биосинтезе молекул полимеров, имеющих уникальную нерегулярную структуру – белков и нуклеиновых кислот. В основе этих процессов лежит матричный синтез по принципу комплементарности. Рассмотрено понятие генетического кода и его основные свойства. Значительное место в этой части занимает рассмотрение структуры рибосом и механизмов происходящих на них процессов биосинтеза белка. В этой части также рассматривается формирование из макромолекул отдельных клеточных структур (хроматина, рибосом) и компонентов клеточных структур.

УЧЕБНЫЙ ПЛАН КУРСА

Лекция № 1. Основные виды биополимеров

Для того, чтобы понять, как устроены и как функционируют живые организмы, необходимо прежде всего знать, из каких веществ они построены, как эти вещества образуются и как молекулы этих веществ объединяются, чтобы образовать те или иные части живого организма. Эти вопросы изучает биохимия, область биологии, наиболее бурно развивающаяся в настоящее время. Подробное изучение биохимии невозможно без знания химии, особенно органической и физической, и не входит в задачи школьного курса биологии. Мы рассмотрим здесь лишь наиболее важные группы высокомолекулярных веществ, входящих в состав живого, их функции в живых организмах и основные пути биосинтеза этих веществ.

Органические соединения, входящие в состав живого, исключительно многообразны, а многие из них очень сложны. Даже в таких простых существах, как бактерии, содержится более 5 тыс. органических веществ, из них около 4 тыс. составляют различные белки и нуклеиновые кислоты. В сложных многоклеточных организмах количество этих веществ на два порядка больше.

Все органические вещества могут быть разделены на две группы: низкомолекулярные вещества и полимеры. Размеры низкомолекулярных веществ обычно составляют десятки и сотни дальтон, тогда как полимеры достигают массы в миллионы и даже миллиарды дальтон. Однако такие вещества построены из многократно повторяющихся единиц – мономеров, разнообразие которых не очень велико, что значительно упрощает их образование в клетке.

Количество мономеров в молекуле полимера может варьировать от нескольких штук до десятков миллионов. Например, глутатион – пептид, играющий важную роль в окислительно-восстановительных процессах, – состоит всего из трех аминокислот, а молекула ДНК, образующая единственную хромосому бактерий, построена из более чем 3 млн нуклеотидов.

Полимер может состоять из одинаковых мономеров. Такие полимеры называют гомополимерами. К ним относятся, например, крахмал и целлюлоза. Однако большая часть биологических полимеров построена из нескольких типов мономеров. Они носят название гетерополимеров.

Мономеры, входящие в состав гетерополимеров, относятся, как правило, к одному классу веществ и соединяются одинаковыми связями. Примерами гетерополимеров могут служить гиалуроновая кислота, состоящая их мономеров двух типов, и белки, построенные из мономеров более чем 20 различных типов.

Важнейшей характеристикой гетерополимеров является порядок расположения мономеров. Простейшие гетерополимеры состоят из повторяющихся единиц, образованных несколькими мономерами. Если обозначить мономеры буквами A, B и C, то из них может быть образовано большое число различных гетерополимеров, например: ABABABAB, ABCABCABC, AABCAABCAABC, ABBCCABBCCABBCC. В первом полимере повторяющееся звено AB, во втором – ABC, в третьем – AABC, в четвертом – ABBCС. Полимеры, состоящие из повторяющихся звеньев, называются регулярными.

Регулярных полимеров довольно много среди полисахаридов. Так, уже упоминавшаяся гиалуроновая кислота состоит из чередующихся остатков двух типов – ацетилглюкозамина и глюкуроновой кислоты.

Гораздо чаще в живых организмах встречаются нерегулярные гетерополимеры, в которых мономеры не образуют повторяющихся единиц. Для каждого такого полимера характерна своя уникальная последовательность мономеров. Это делает возможным существование огромного многообразия таких соединений. Если в полимер входит M видов мономеров, а степень полимерности равна N, то количество возможных вариантов гетерополимера равно MN.

Мономеры в биополимерах соединяются, как правило, одинаковыми связями. Чаще всего такое соединение происходит за счет отнятия OH-группы от одного мономера и протона от второго. Такие связи могут разрываться с присоединением воды (реакция гидролиза), что используется в живых организма для уничтожения ненужных полимеров.

При таком связывании мономеры неэквивалентны, поэтому у связей, а следовательно и у полимеров, возникает направление. Часто говорят о начале и конце молекулы, при этом началом принято считать тот конец полимера, с которого начинается его синтез в клетке.

Важно заметить, что образование полимеров в живых клетках идет по другому пути и не связано с выделением воды, что делает возможным синтез полимеров в водной среде живой клетки. Наиболее часто в биополимерах встречаются сложноэфирная, гликозидная (ацетальная) и пептидная (амидная) связи.

Еще одной характеристикой полимеров является их разветвленность. Если каждый мономер образует две связи с соседними мономерами, то получается линейный полимер. Такими полимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, многие полисахариды. Если же к мономеру присоединяется три или более других мономера, то образуется разветвленная структура. Примерами разветвленных полисахаридов являются крахмал и гликоген.

Разветвление обычно происходит лишь на небольшой части мономеров, поэтому разветвленные полимеры могут различаться по частоте ветвления. Длина ответвлений также может быть разной: от одного до десятков и сотен мономеров. Встречаются полимеры, в которых основная цепь состоит из мономеров одного типа, а боковые – из мономеров другого типа.

Мономерами, из которых построены биополимеры, являются, как правило, обычные для живых организмов низкомолекулярные вещества. Поэтому часто мономеры и образующиеся из них полимеры объединяют в отдельные классы биологических веществ. Наиболее важными являются четыре таких класса: 1) углеводы; 2) липиды; 3) аминокислоты и белки; 4) нуклеотиды и нуклеиновые кислоты. Рассмотрим особенности строения этих классов соединений.

Углеводы представляют собой соединения с общей формулой C_nH_2mO_m или C_n(H₂O)_m, т.е. как бы состоящих из углерода и воды.

Содержание углеводов в живых клетках различно. В животных клетках содержание углеводов колеблется от 1 до 5%. В растениях содержание углеводов заметно выше – до 70% в некоторых запасающих органах, например, в клубнях картофеля. Кроме высокого содержания углеводов, для растений характерно и большее их разнообразие.

Углеводы делятся на две группы: простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы, или полисахариды. Простые углеводы представляют собой многоатомные спирты, содержащие гидроксильную группу у каждого атома углерода, кроме одного, несущего альдо- или кетогруппу. Эта группа обычно взаимодействует с одной из спиртовых групп молекулы, образуя циклическую форму (см. рисунок).

Моносахариды, обычно встречающиеся в живых организмах, содержат 5 или 6 атомов углерода. Моносахариды хорошо растворимы в воде, образуют кристаллы и имеют сладкий вкус. Многообразие моносахаридов связано в основном с оптической изомерией, или стереоизомерией. Так, глюкоза, манноза и галактоза содержат одни и те же атомы и группы атомов, связанные в одинаковом порядке, но по-разному расположенные в пространстве. Наиболее распространенными моносахаридами являются глюкоза и фруктоза.

Молекулы моносахаридов могут образовывать связи между собой с потерей молекулы воды. В результате образуются полисахариды. Полисахариды нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Так как к одному остатку моносахарида может быть присоединено несколько других остатков, полисахариды могут иметь разветвленную структуру. В живых организмах наиболее широко распространены полимеры глюкозы – крахмал, гликоген и целлюлоза.

Целлюлоза представляет собой линейный полимер, содержащий примерно 10 тыс. остатков глюкозы. Молекулы целлюлозы располагаются параллельно друг другу и образуют между собой множество водородных связей. Так формируются прочные пучки молекул – мицеллы, которые объединяются в микрофибриллы. Такое строение придает целлюлозе высокую механическую прочность. Целлюлоза встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок. В форме целлюлозы у растений находится до 50% углеводов.

Близок по строению к целлюлозе хитин. В нем мономерной единицей является N-ацетилглюкозамин – производное глюкозы, в котором один гидроксил заменен на аминогруппу, к которой присоединяется остаток уксусной кислоты. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует наружный скелет у членистоногих.

Крахмал, как и целлюлоза, состоит только из остатков глюкозы. В состав крахмала входит два типа полимеров: линейный, называемый амилозой, и разветвленный – амилопектин. Амилоза отличается от целлюлозы типом связи между остатками глюкозы, поэтому она не образует мицелл и не отличается механической прочностью. Амилоза может связывать йод, образуя соединение, окрашенное в синий цвет. Молекулы амилозы и амилопектина содержат несколько тысяч остатков глюкозы.

Крахмал служит основным запасным веществом у растений. У животных и грибов эту функцию выполняет гликоген – полисахарид, похожий на амилопектин, но отличающийся большей разветвленностью. Крахмал и гликоген накапливаются в клетках в виде гранул.

У животных встречаются также внеклеточные регулярные гетерополисахариды, такие как гиалуроновая кислота, хондроитины, дерматаны и гепарины. Они составляют значительную часть хрящей, сухожилий и других видов соединительной ткани.

Липидами называются вещества биологического происхождения, растворимые в органических растворителях и не растворимые в воде. В связи со столь расплывчатым определением, в эту группу входят вещества, довольно сильно различающиеся по химическим свойствам. Наиболее важны три группы этих веществ: триглицериды, фосфолипиды и стероиды.
Первая группа представляет собой сложные эфиры жирных кислот и глицерина. Глицерин является трехатомным спиртом. Триглицерид образуется, если к каждой спиртовой группе глицерина присоединяется молекула жирной кислоты. Жирные кислоты состоят из длинного углеводородного радикала и присоединенной к его концу карбоксильной группы. Таким образом, триглицериды можно рассматривать как пример жирных кислот, соединенных глицериновым мостиком.
Фосфолипиды в основном представлены фосфоглицеридами. Они похожи на триглицериды, но вместо одной из жирных кислот содержат фосфорную кислоту. К остатку фосфорной кислоты могут присоединяться различные группы, например, этаноламин или холин.
Стероиды представляют собой систему конденсированных неароматических колец с различными боковыми группами. Их молекулы – довольно жесткие и почти плоские.

Аминокислоты – соединения, содержащие кислотную карбоксильную группу и основную аминогруппу. В живых организмах обнаружено несколько сотен различных аминокислот, однако большинство из них встречается лишь в некоторых видах растений и не входит в состав белков.
В белках встречается 20–30 видов аминокислот. При биосинтезе в белок включается 20 видов аминокислот, а остальные образуются в результате химических модификаций в составе белка.
В белках встречаются только альфа-аминокислоты, т.е. такие, в которых обе группы – карбоксильная и аминогруппа – находятся у одного и того же концевого атома углерода. К этому же атому углерода присоединен атом водорода и радикал, специфический для каждой аминокислоты. Таким образом, этот атом углерода имеет четыре разных заместителя и поэтому является асимметрическим. Это означает, что возможны два разных способа размещения заместителей в пространстве, которые являются зеркально симметричными и ни при каких вращениях молекулы не могут быть совмещены. Этим двум способам размещения заместителей соответствуют два стереоизомера аминокислоты, L- и D-формы, отличающиеся оптической активностью, т.е. способностью поворачивать плоскость поляризации поляризованного света. В белках все аминокислоты относятся к L-ряду. Однако в клеточных стенках бактерий и в некоторых антибиотиках можно обнаружить как L-, так и D-аминокислоты.
Связь между аминокислотами в белках осуществляется через аминогруппу одной аминокислоты и карбоксильную группу другой. Такая связь является частным случаем амидной связи и называется пептидной. В полученном при связывании двух аминокислот соединении – дипептиде – на одном конце находится свободная аминогруппа, а на другом – свободная карбоксильная группа. К этим группам таким же образом могут присоединяться следующие аминокислоты. Это позволяет неограниченно увеличивать длину полимера, называемого полипептидом. Конец полипептида, содержащий аминогруппу, называется N-концом, а содержащий карбоксильную группу – С-концом.

Наличие большого числа мономеров и большая длина полимера приводят к возможности образования огромного количество различных полипептидов. Так, из 20 аминокислот может получиться 20² = 400 различных дипептидов, 20³ = 8000 трипептидов и т.д. Поскольку средний белок содержит несколько сотен мономеров, разнообразие белков практически не ограничено. Если рассматривать полимер из 100 аминокислот, то возможно 20¹⁰⁰ х10¹³⁰ видов полимеров. Если взять по одной молекуле каждого вида полимера, то их суммарная масса составит 10¹¹⁰ т, что значительно больше массы видимой части Вселенной.

По-видимому, все возможные полипептиды такой длины на Земле не могли образоваться за всю ее историю. Однако даже реально существующее в настоящее время многообразие белков крайне велико. Одноименные белки в разных видах организмов обычно отличаются друг от друга хотя бы по одной аминокислоте в последовательности. По современным оценкам каждый вид имеет от 4 до 60 тыс. различных белков. Если принять среднее значение 30 тыс. и общее число видов около 2 млн, то на Земле существует около 60 млрд различных белков.

Вопросы и задания для самостоятельной работы

1. Что такое полимеры?
2. Какие бывают типы полимеров?
3. Чем отличаются регулярные полимеры от нерегулярных?
4. В чем основные различия в структуре целлюлозы и гликогена?
5. Сколько видов аминокислот встречается в белках?
6. Чем обусловлено многообразие белков?

Продолжение