Углеводы – большая группа органических соединений, входящих в состав живых клеток. Термин «углеводы» был предложен отечественным ученым К.Шмидтом в 1844 году. В нем отражены представления от группе веществ, молекула которых отвечает общей формуле Сn(Н2О)n – углерод и вода.
Углеводы принято делить на три группы: моносахариды (глюкоза, фруктоза, манноза), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).
Функции углеводов:
· моносахариды, первичные продукты фотосинтеза, служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ;
· углеводы – основной источник энергии для организма, так как при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира в том же объеме кислорода;
· защитная – слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов и их производных; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами, слизь защищает организм от проникновения болезнетворных бактерий;
· структурная и опорная функции: сложные полисахариды и их производные входят в состав плазматической мембраны, оболочек растительных и бактериальных клеток, наружного скелета членистоногих.
Лекция 4. Нуклеиновые кислоты.
Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены швейцарским биохимиком И.Ф. Мишером в 1868 г. в лейкоцитах гноя и сперматозоидах лосося. Термин «нуклеиновые кислоты» предложен в 1889 г. Нуклеиновые кислоты, или полинуклеотиды, – это фосфорсодержащие биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты.
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Молекулы ДНК – самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид. Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Они отличаются друг от друга азотистыми основаниями.
Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина. В названии каждого нуклеотида отражено наименование азотистого основания. Различают следующие нуклеотиды: цитидиловый (Ц), тимидиловый (Т), адениловый (А) и гуаниловый (Г).
Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего. Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити. Обе нити закручены вокруг общей оси. Диаметр спирали 2 нм, длина шага 3,4 нм. В каждый виток спирали входит 10 пар нуклеотидов. Две нити молекулы удерживаются рядом водородными связями, которые возникают между их комплементарными (взаимодополняемыми) азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. Между аденином и тимином возникают 2 водородные связи, между гуанином и цитозином – 3.
ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует линейные структуры – хромосомы. ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы образуют кольцевые структуры. В клетках доядерных организмов также присутствует кольцевая ДНК.
Важнейшее свойство ДНК заключается в том, что она способна к самокопированию (матричному синтезу). Это происходит в определенном периоде жизненного цикла клетки, называемом синтетическим. ДНК способна к удвоению (редупликации), при этом происходит раскручивание спирали и сборка новой молекулы по принципу комплементарности. Водородные связи, соединяющие комплементарные основания двойной спирали ДНК, последовательно разрушаются. Каждая из старых нитей служит матрицей для образования новой нити. В результате образуются 2 молекулы. Процесс катализируется специальными ферментами. Во время самокопирования ДНК разрыв водородных связей приводит к разъединению комплементарных полинуклеотидных нитей. Затем на каждой из них, как на матрице, достраивается дочерняя нить из находящихся в окружающей среде нуклеотидов при строгом соблюдении принципа комплементарности: к аденину присоединяется тимин, к гуанину – цитозин. В результате самовоспроизведения из одной молекулы ДНК образуются две с идентичной последовательностью оснований. Способ репродукции ДНК, при котором одна из нитей целиком переходит от материнской молекулы к дочерней, тогда как другая вновь синтезируется, называется полуконсервативным, то есть сохраняющим половину молекулы – одну из комплементарных нитей.
Редупликация позволяет сохранить постоянство структуры ДНК. Если под воздействием различных факторов в процессе репликации в молекуле ДНК происходят изменения в числе или порядке следования нуклеотидов, возникают мутации.
Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам. Возможность передачи наследственной информации от клетки к клетке обеспечивается способностью хромосом к разделению на хроматиды с последующей редупликацией молекулы ДНК.
В ДНК заключена вся информация о структуре и деятельности клеток, о признаках каждой клетки и организма в целом. Эта информация называется генетической. В молекуле ДНК закодирована генетическая информация о последовательности аминокислот в молекуле белка. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называется ген. Передача и реализация информации осуществляется в клетке при участии рибонуклеиновых кислот.
Рибонуклеиновая кислота
Рибонуклеиновые кислоты бывают нескольких видов. Есть рибосомальная, транспортная и информационная РНК. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты. Молекулы РНК – одноцепочковые.
Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. р-РНК составляет 80% от всей РНК в клетке. На рибосомах осуществляется синтез белка.
Информационная РНК (и-РНК) составляет от 1 до 10% от всей РНК в клетке. По строению и-РНК комплементарна участку молекулы ДНК, несущему информацию о синтезе определенного белка. Длина и-РНК зависит от длины участка ДНК, с которого считывалась информация. и-РНК переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму.
Транспортная РНК (т-РНК) составляет около 10% всей РНК. Она имеет короткую цепь нуклеотидов и находится в цитоплазме. т-РНК присоединяет определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка. т-РНК имеет форму трилистника. На одном конце находится триплет нуклеотидов (антикодон), кодирующий определенную аминокислоту. На другом конце имеется триплет нуклеотидов, к которому присоединяется аминокислота.
При комплементарности триплета т-РНК (антикодона) и триплета и-РНК (кодона), аминокислота занимает определенное место в молекуле белка.
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.
Сравнительная ценность для клетки ДНК и белков неодинакова. На матрице ДНК может быть синтезировано множество молекул РНК, которые, в свою очередь, становятся матрицами для синтеза множества белков. В то же время удвоение в клеточном ядре молекул ДНК служит сигналом подготовки клетки к делению. В случае агрессивных внешних воздействий (радиация, химические вещества) множество белковых молекул в клетках могут погибнуть. Однако сама клетка не погибнет, если останутся неповрежденными молекулы ДНК. Если же повреждается ДНК и утрачивается способность к редупликации, то клетка обречена на гибель. Поэтому во всех живых клетках существуют ферментные системы репарации, защищающие ДНК путем ремонта и тем самым восстанавливающие ее функции. Для белков таких систем нет. Ферменты репарации также кодируются самой ДНК.
Белки и нуклеиновые кислоты выполняют разные функции, однако свойства этих основных компонентов – субстрата живой материи поразительно дополняют друг друга, и их раздельное существование в биологических системах невозможно.