Биополимер

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ.

Вода составе нуклеозидов встречаются два вида азотистых оснований, которые являются производными двух типов гетероциклов: пуринов и пиримидинов. Наиболее просто устроены пиримидиновые основания.

  1. урацил (У, U) в урациле добавляется две функциональных карбонильных групп в 4 и 2 положении.

т. к. в урациле присутствуют электроотрицательный кислород, то это приводит к смешению электронной плотности Од-, Нд+. Может реагировать с водой, образуя водородные связи.

  1. тимин (Т).

  1. цитозин (С, Ц).

Все пиримидиновые основания могут образовывать водородные связи с водой, т.к. они имеют электроотрицательные атомы, которые способно сдвигать электронную плотность на себя.

пиримидиновые азотистые основания образуются за счет присоединения к пиримидину О2, СН3 и NH2 групп.

Пуриновые основания являются производными пурина, которое состоит из 2 гетероциклов.

  1. аденин (А)

  2. гуанин (Г, G).

Поскольку в азотистых основаниях присутствуют электроотрицательные атомы, то происходит смещение электронной плотности, в результате чего они могут реагировать с водой и образовывать водородные связи, а также реагировать друг с другом. Устойчивые соединения образуют пиримидиновые основания с пуриновыми. Специфичным взаимодействием между определенными пуринами и пиримидинами получило название правило комплементарности, по этому правилу аденин соединяется с тимином или урацилом двумя водородными связями, а гуанин с цитозином – тремя связями. Правило комплиментарности является ведущим правилом в матричных процессах. Азотистые основания выполняет в клетке метаболическую функцию, т.е. входят в состав нуклеозидов.

ФУНКЦИИ НУКЛЕОТИДОВ.

1. метаболическая – нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот.

2. энергетическая – в качестве источника энергии используются НТФ и в частности АТФ и ГТФ, т.к. они содержат макроэргические связи.

3. регуляторная:

а) нуклеозид трифосфат является донором фосфатной группы и с помощью специальных ферментов, например фосфокиназы можно переносить фосфатную группу на молекулу и тем самым изменять ее конформацию и активировать их. Это особенно важно в синтезе биополимеров. Фосфорилирования необходимо, для того чтобы проходили реакции полимеризации.

б) некоторые ферменты обладают АТФ-азной активностью и способны расщеплять молекулы АТФ и ГТФ и вследствие чего изменять свою конформации, а значит активность.

в) АТФ и ГТФ могут связываться с ферментами без гидролиза и белки меняют свою конформацию и свою активность. Такие белки называются АТФ-связывающими иГТФ-связывающими белками. АТФ-связывающим белком является актин, ГТФ-связывающим белком является тубулин.

г) регуляторную функцию могут выполнять циклические НМФ, которые образуются за счет действия определенных ферментов. ЦАМФ образуется за счет действия аденилатциклазы, ЦГМФ образуется за счет действия гуанилатциклазы, которые отрывают два фосфатных остатка и в результате чего через фосфатную группу образуется цикл.

цНМФ

Эти молекулы являются сигнальными молекулами в системе вторичных посредников.

д) некоторые пурины могут служить сигнальными молекулами и выполнять функции нейромедиаторов в нервных синапсах.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

Это биополимеры мономерами, которых являются нуклеотиды, образуются за счет реакции поликонденсации и синтез нуклеиновых кислот идет от 5′ к 3’ концу. В реакцию вступают НТФ за счет энергии 2 макроэргических связей фосфатный остаток, находящийся на 5’ конце одного нуклеотиды реагирует с ОН группой находящийся на 3’ другого нуклеотида.

В молекуле нуклеиновых кислот можно выделить константную часть и вариабельную. Константной частью является сахарофосфатный остов, а вариабельной – азотистые основания. С точки зрения строения нуклеиновые кислоты можно разделить на следующие группы:

  1. Динуклиотиды;
  2. Олигонуклеотиды;
  3. Полинуклеотиды.

Из динуклеотидов биологическое значение имеют НАД и ФАД (никотинамидадениндинуклеотид, флавинадениндинуклеотид) эти нуклеотиды вступают роли коферментов оксидоредуктаз. Полинуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Модель строения ДНК была предложена в 1953 Уотсоном и Криком. Они предположили, что молекула имеет форма двуцепочечной спирали, причем спирали в этой молекуле связаны водородными связями через азотистые основания по правилу комплиментарности. Т.о. азотистые основания занимают центральную часть, а сахарофосфатный остов лежит на периферии молекулы. В спирали цепочки антипараллельны, т.е. разнонаправлены.

Модель была предложена на основе работ Чаргофа, который впервые выяснил, что количество пуринов в молекуле ДНК равно количеству пиримидинов.

Уотсон и Крик предположили, что взаимодействуют только пурин с пиримидином, в таком случае расстояние между цепочками равно трем гетероциклам. Принципиальным отличием ДНК и РНК является, то, что, как правило, в ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК рибоза, в ДНК содержится азотистые основания: тимин, аденин, гуанин, цитозин, а в РНК: аденин, цитозин, урацил, гуанин. ДНК, как правило, представлено двуцепочечной молекулой, а РНК, как правило, одноцепочечной, исключения составляют вирусы.

ДНК – обеспечивает хранение, воспроизведение и начальные этапы реализации генетической информации, исключение вирусы.

РНК – участвует только в реализации генетической информации.

Хранение генетической информации основано на том, что в молекуле ДНК есть определенная нуклеотидная последовательность, которая называется геном. Гены отвечают за определенную структуру или функции в клетке, они несут информацию о структуре РНК, а так же информацию о связывание с определенными белковыми факторами.

Воспроизведение генетической информации основано на самоудвоении ДНК или репликации. В результате репликации образуется две дочернии молекулы ДНК идентичные друг другу и материнской по генетической информации. Процесс проходит перед делением клетки.

Процесс реализации генетической информации, которая проходит на молекуле ДНК заключается в считывание определенной молекулы РНК. Этот процесс получил название биосинтез РНК или транскрибция. РНК участвует в процессе реализации генетической информации, т.к. входит в состав белоксинтезирующего аппарата клетки.

Выделяют три типа РНК:

Информационные РНК или матричные РНК — эта молекула несет информацию о первичной структуре полипептидной цепи. Кроме того, в молекуле есть участки, которые позволяют ей связываться с рибосомами.

Рибосомальные РНК связываются с белками, образуя рибонуклеопротеиновый комплекс или РНП. Образует субьединицу рибосом.

Транспортные РНК её функция заключается в том, что она переводит «язык» нуклеотидной последовательности на «язык» аминокислот. Кроме того, тРНК могут взаимодействовать с активным центром рибосом и связываться с аминокислотами. Кроме этих видов РНК существует малая ядерная РНК. Она локализована только в ядре клетки и связана с белками и выполняют функцию рибозимов.

Для РНК-содержащих вирусов характерно то, что хранение, воспроизведение и реализацию генетической информации выполняют молекулы РНК. С эволюционной точки зрения считается. Что первыми возникли молекулы РНК, а затем часть функций они передали молекулам ДНК. Молекулы ДНК стабильнее, потому что они представлены двуцепочечными молекулами, и их водородные связи спрятаны и, кроме того, дезоксирибонуклеотиды стабильнее рибонуклеотидов.

Биологические полимеры (биополимеры).

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Биополиме­ры – это органические полимерные соединения, входящие в состав клеток жи­вых организмов и продуктов их жизнедеятельности и не встречающиеся в неживой природе.

Полимер (от греч. «поли» – много) – многозвеньевая цепь, в ко­торой звеном является какое-либо относительно простое вещество – мономер. Мономеры, соединяясь между собой, образуют цепи, состо­ящие из тысяч мономеров.

Если мономеры одинаковые, то полимер называют гомополимером, если разные – гетерополимером. Они могут быть линейными, или разветвленными.

Биополимерами являются известные вам органические вещества: полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза), белки, нуклеиновые кис­лоты и т.д. При этом:

Целлюлоза – линейный гомополимер (мономер – глюкоза).

Крахмал – разветвленный гомополимер (мономер – глюкоза).

Гликоген – разветвленный гомополимер (мономер – глюкоза).

Белки – линейные гетерополимеры (мономеры – 20 вариантов аминокислот).

Нуклеиновые кис­лоты – линейные гетерополимеры (мономеры – по 4 варианта нуклеотидов для РНК и для ДНК).

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от чис­ла и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер. Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то можно по­лучить очень большой набор разнообразных полимеров. Строение и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотношения и порядка чередования, т. е. положения мономеров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным.

Таковы, например, схематически изображен­ные полимеры с закономерным чередованием мономеров:

…АБАБАБАБ… …ААББААББ… …АББАББАББАББ…

Однако значительно больше можно получить вариантов полиме­ров, в которых нет видимой закономерности в повторяемости моно­меров. Такие полимеры называют нерегулярными. Схематически их можно изобразить так:

… ААБАБББАААББАБББББААБ…

Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свой­ство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б – электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, можно получить огром­ное число полимерных материалов с разными свойствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вари­антов полимерных цепей значительно возрастет.

Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов моно­меров в длинных полимерных цепях обеспечивает построение мно­жества вариантов и определяет различные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.

Углеводы

Строение углеводов. В составе клеток всех живых организ­мов широкое распространение имеют углеводы. Углеводами называ­ют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кис­лорода. В большинстве углеводов водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их назва­ние – углеводы). Общая формула таких углеводов Cn(H20)m. Приме­ром может служить один из самых распространенных углеводов – глюкоза, элементный состав которой С6Н1206 (рис. слева). Глюкоза яв­ляется простым сахаром. Несколько остатков простых Сахаров со­единяются между собой и образуют сложные сахара. В составе мо­лока находится молочный сахар, который состоит из остатков моле­кул двух простых Сахаров (дисахарид). Молочный сахар – основной источник энергии для детенышей всех млекопитающих.

Тысячи остатков молекул одинаковых Сахаров, соединяясь меж­ду собой, образуют биополимеры – полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов: у растений это крахмал, у животных – гликоген, тоже состоящий из тысяч молекул глюкозы, но еще более ветвистый. Крахмал и гли­коген играют роль как бы аккумуляторов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток организма. Очень богаты крахмалом кар­тофель, зерна пшеницы, ржи, кукурузы и др.

Участок ветвящейся полимерной молекулы крахмала, где каждое звено – глюкоза

Функции углеводов. Важнейшая функция углеводов – энергети­ческая. Углеводы служат основным источником энергии для орга­низмов, питающихся органическими веществами. В пищеваритель­ном тракте человека и животных полисахарид крахмал расщепляет­ся особыми белками (ферментами) до мономерных звеньев – глю­козы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клет­ках до углекислого газа и воды с освобождением энергии химичес­ких связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена. В периоды интенсивной мышечной работы или нерв­ного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени живот­ных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глю­коза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.

Таким образом, биополимеры полисахариды – это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов.

В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется не только крахмал, но и целлюлоза. Из целлюлозных волокон строит­ся прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой проч­ностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок почти чистая целлюлоза. В кишечнике челове­ка и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.

Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух ти­пов простых Сахаров, которые регулярно чередуются в длинных це­пях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опор­ных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещест­ва кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность. Таким образом, важной функцией углеводных биополимеров являет­ся структурная функция.

Имеются полимеры сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, уз­навание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени сме­шать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени – в другую. Утрата спо­собности узнавать друг друга характерна для клеток злокачествен­ных опухолей. Выяснение механизмов узнавания и взаимодействия клеток может иметь важное значение, в частности для разработки средств лечения рака.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Нуклеиновые кислоты — это биополи­меры, мономерами которых являются нуклеотиды. В настоящее время известно два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).

Нуклеотид образован азотистым основа­нием, остатком сахара-пентозы и остатком ортофосфорной кислоты (рис. 2.19). Особен­ности нуклеотидов в основном определяются азотистыми основаниями, входящими в их состав, поэтому даже условно нуклеотиды обозначаются по первым буквам их назва­ний.

В состав нуклеотидов могут входить пять азотистых оснований: аденин (А), гуа­нин (Г), тимин (Т), урацил (У) и цитозин (Ц). Пентозы нуклеотидов — рибоза и дезоксирибоза — определяют, какой нуклеотид будет образован — рибонуклеотид или дезоксирибонуклеотид. Рибонуклеотиды являются мономерами РНК, могут выступать в качестве сигнальных молекул (цАМФ) и входить в состав макроэргических соединений, например АТФ, и коферментов, таких как НАДФН + Н+, НАДН + Н+, ФАДН2 и др., а дезоксирибонуклеотиды входят в состав ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — двухцепочечный биополимер, мономерами которо­го являются дезоксирибонуклеотиды. В состав дезоксирибонуклеотидов входят только четыре азо­тистых основания из пяти возможных — аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), а так­же остатки дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Нуклеотиды в цепиДНК соединяются между собой через остатки ортофосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь. При образовании двухцепочечной молекулы азотистые основания направлены вовнутрь мо­лекулы. Однако соединение цепей ДНК происходит не случайным образом — азотистые основания разных цепей соединяются между собой водородными связями по принципу комплементарности: аде­нин соединяется с тимином двумя водородными связями (А=Т), а гу­анин с цитозином — тремя (Г≡Ц) (рис. 2.20).

Для нее были установ­леныправила Чаргаффа:

1. Количество нуклеотидов ДНК, содержащих аденин, равно количеству нуклеотидов, содержа­щих тимин (А=Т).

2. Количество нуклеотидов ДНК, содержащих гуанин, равно количеству нуклеотидов, содержа­щих цитозин (Г≡Ц).

3. Сумма дезоксирибонуклеотидов, содержащих аденин и гуанин, равна сумме дезоксирибону­клеотидов, содержащих тимин и цитозин (А+Г = Т+Ц).

4.Отношение суммы дезоксирибонуклеотидов, содержащих аденин и тимин, к сумме дезоксири­бонуклеотидов, содержащих гуанин и цитозин, зависит от вида организмов.

Структура ДНК была расшифрована Ф.

Криком и Д. Уотсоном (Нобелевская премия по физи­ологии и медицине, 1962 г.). Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль (рис. 2.21). Расстояние между нуклеотидами в цепи ДНК равно 0,34 нм.

Важнейшим свойством ДНК является способность к репликации (самоудвоению). Основной функцией ДНК является хранение и передача наследственной информации, которая записана в виде последовательностей нуклеотидов. Стабильность молекулы ДНК поддерживается за счет мощных систем репарации (восстановления), но даже они не способны полностью устранить не­благоприятные влияния, что в конечном итоге приводит к возник­новению мутаций. ДНК эукариотических клеток сосредоточена в ядре, митохондриях и пластидах, а прокариотических — нахо­дится прямо в цитоплазме. Ядерная ДНК является основой хромо­сом, она представлена незамкнутыми молекулами. ДНК митохон­дрий, пластид и прокариот имеет кольцевую форму.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — биополимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды. Они содержат также четыре азотистых основания — аденин (А), урацил (У), гуанин (Г) и ци­тозин (Ц), отличаясь тем самым от ДНК по одному из оснований (вместо тимина в РНК встречается урацил). Остаток сахара-пентозы в рибонуклеотидах представлен рибозой. РНК — в основном одноцепочечные молекулы, за исключением некоторых вирусных. Выделяют три основных типа РНК: информационные, или ма­тричные (иРНК, мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все они образуются в процессе транскрипции — перепи­сывания с молекул ДНК.

иРНК составляют наименьшую фракцию РНК в клетке (2-4 %), что компенсируется их разнообразием, так как в одной клетке могут содержаться тысячи различных иРНК. Это одноцепочечные молекулы, являющиеся матрицами для синтеза полипептидных цепей. Информация о структуре белка записана в них в виде последовательностей нуклеотидов, причем каждую аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов — кодон.

рРНК представляют собой наиболее многочисленный тип РНК в клетке (до 80 %). Их молеку­лярная масса составляет в среднем 3000-5000; образуются в ядрышках и входят в состав клеточ­ных органоидов — рибосом. рРНК, по-видимому, также играют определенную роль в процессе синтеза белка.

тРНК— наименьшие из молекул РНК, так как содержат всего 73-85 нуклеотидов. Их доля от общего количества РНК клетки составляет около 16%. Функция тРНК — транспорт аминокис­лот к месту синтеза белка (на рибосомы). По форме молекулы тРНК напоминают листок клевера. На одном из концов молекулы находится участок для прикрепления аминокислоты, а в одной из петель — триплет нуклеотидов, комплементарный кодону иРНК и определяющий, какую именно аминокислоту будет переносить тРНК — антикодон (рис. 2.22).

Все типы РНК принимают активное участие в процессе реализации наследственной инфор­мации, которая с ДНК переписывается на иРНК, а на последней осуществляется синтез белка. тРНК в процессе синтеза белка доставляет аминокислоты к рибосомам, а рРНК входит в состав непосредственно рибосом.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — это нуклеотид, содержащий, помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы, три остатка фосфорной кислоты (рис. 2.23).

Связи меж­ду двумя последними фосфорными остатками — макроэргические (при расщеплении выделя­ется 42 кДж/моль энергии), тогда как стандартная химическая связь при расщеплении дает 12 кДж/моль. При необходимости в энергии макроэргическая связь АТФ расщепляется, образу­ются аденозиндифосфорная кислота (АДФ), фосфорный остаток и выделяется энергия:

АТФ + Н20 → АДФ + Н3Р04 + 42 кДж.

АДФ также может расщепляться с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) и остатка фосфорной кислоты:

АДФ + Н20 → АМФ + Н3Р04 + 42 кДж.

В процессе энергетического обмена (при дыхании, брожении), а также в процессе фотосинтеза АДФ присоединяет фосфорный остаток и превращается в АТФ. Реакция восстановления АТФ на­зывается фосфорилированием. АТФ является универсальным источником энергии для всех про­цессов жизнедеятельности живых организмов.

Изучение химического состава клеток всех живых организмов показало, что они содержат одни и те же химические элементы, химические вещества, выполняющие одинаковые функции. Более того, участок ДНК, перенесенный из одного организма в другой, будет в нем работать, а бе­лок, синтезированный бактериями или грибами, будет выполнять функции гормона или фермента в организме человека. Это является одним из доказательств единства происхождения органиче­ского мира.

Биополиме́ры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды.

Выделяют два типа биополимеров — регулярные (некоторые полисахариды) и нерегулярные (белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды).

Белки

Белки имеют несколько уровней организации — первичная, вторичная, третичная, и иногда четвертичная. Первичная структура определяется последовательностью мономеров, вторичная задаётся внутри- и межмолекулярными взаимодействиями между мономерами, обычно при помощи водородных связей. Третичная структура зависит от взаимодействия вторичных структур, четвертичная, как правило, образуется при объединении нескольких молекул с третичной структурой.

Вторичная структура белков образуется при взаимодействии аминокислот с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Основными типами вторичной структуры являются

α-спираль, когда водородные связи возникают между аминокислотами в одной цепи,

β-листы (складчатые слои), когда водородные связи образуются между разными полипептидными цепями, идущими в разных направлениях (антипараллельно,

неупорядоченные участки

Для предсказания вторичной структуры используются компьютерные программы.

Третичная структура или «фолд» образуется при взаимодействии вторичных структур и стабилируется нековалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Белки, выполняющие сходные функции обычно имеют сходную третичную структуру. Примером фолда является β-баррел (бочка), когда β-листы располагаются по окружности. Третичная структура белков определяется с помощью рентгеноструктурного анализа.

Важный класс полимерных белков составляют Фибриллярные белки, самый известный из которых коллаген.

В животном мире в качестве опорного, структурообразующего полимера обычно выступают белки. Эти полимеры построены из 20 α-аминокислот. Остатки аминокислот связаны в макромолекулы белка пептидными связями, возникающими в результате реакции карбоксильных и аминогрупп.

Значение белков в живой природе трудно переоценить. Это строительный материал живых организмов, биокатализаторы – ферменты, обеспечивающие протекание реакций в клетках, и энзимы, стимулирующие определённые биохимические реакции, т.е. обеспечивающие избирательность биокатализа. Наши мышцы, волосы, кожа состоят из волокнистых белков. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок – инсулин – ответственен за расщепление сахара в организме и, следовательно, за его обеспечение энергией. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах. Так, инсулин – первый из белков, строение которого удалось установить Ф. Сэнгеру в 1953 г., содержит около 60 аминокислотных звеньев, а его молекулярная масса составляет лишь 12 000. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков, молекулярная масса некоторых из них достигает 106 и более.

Нуклеиновые кислоты

Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов в цепи. Как правило последовательность записывают в виде букв (например AGTCATGCCAG), причём запись ведётся с 5′- на 3′-конец цепи.

Вторичная структура — это структура, образованная за счёт нековалентных взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, стэкинга и водородных связей. Двойная спираль ДНК является классическим примером вторичной структуры. Это самая распространённая в природе форма ДНК, которая состоит из двух антипаралельных комплементарных полинуклеотидных цепей. Антипараллельность реализуется за счёт полярности каждой из цепей. Под комплементарностью понимают соответствие каждому азотистому основанию одной цепи ДНК строго определённого основания другой цепи (напротив A стоит T, а напротив G располагается C). ДНК удерживается в двойной спирали за счёт комплементарного спаривания оснований — образования водородных связей, двух в паре А-Т и трёх в паре G-C.

В 1868 г. швейцарский учёный Фридрих Мишер выделил из ядер клеток фосфорсодержащее вещество, которое он назвал нуклеином. Позднее это и подобные ему вещества получили название нуклеиновых кислот. Их молекулярная масса может достигать 109, но чаще колеблется в пределах 105-106. Исходными веществами, из которых построены нуклеотиды – звенья макромолекул нуклеиновых кислот, являются: углевод, фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания. В одной группе кислот в качестве углевода выступает рибоза, в другой – дезоксирибоза

В соответствии с природой углевода, входящего в их состав, нуклеиновые кислоты называются рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами. Общеупотребительными сокращениями являются РНК и ДНК. Нуклеиновые кислоты играют наиболее ответственную роль в процессах жизнедеятельности. С их помощью решаются две важнейшие задачи: хранения и передачи наследственной информации и матричный синтез макромолекул ДНК, РНК и белка.

Полисахариды

3-х мерная структура целлюлозы

Полисахариды, синтезируемые живыми организмами, состоят из большого количества моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Зачастую полисахариды нерастворимы в воде. Обычно это очень большие, разветвлённые молекулы. Примерами полисахаридов, которые синтезируют живые организмы, являются запасные вещества крахмал и гликоген, а также структурные полисахариды — целлюлоза и хитин. Так как биологические полисахариды состоят из молекул разной длины, понятия вторичной и третичной структуры к полисахаридам не применяются.

Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений, называемых сахарами или углеводами. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путём конденсации гидроксильных групп.

Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками α-D-глюкопиранозы или её производных. Наиболее известна и широко применяема целлюлоза. В этом полисахариде кислородный мостик связывает 1-й и 4-й атомы углерода в соседних звеньях, такая связь называется α-1,4-гликозидной.

Химический состав, аналогичный целлюлозе, имеют крахмал, состоящий из амилозы и амилопектина, гликоген и декстран. Отличие первых от целлюлозы состоит в разветвленности макромолекул, причем амилопектин и гликоген могут быть отнесены к сверхразветвленным природным полимерам, т.е. дендримерам нерегулярного строения. Точкой ветвления обычно является шестой атом углерода α-D-глюкопиранозного кольца, который связан гликозидной связью с боковой цепью. Отличие декстрана от целлюлозы состоит в природе гликозидных связей – наряду с α-1,4-, декстран содержит также α-1,3- и α-1,6-гликозидные связи, причем последние являются доминирующими.

Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к ней по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода α-D-глюкопиранозных звеньев, связанных α-1,4-гликозидными связями, OH-группа заменена группами –NHCH3COO в хитине и группой –NH2 в хитозане.

Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90% целлюлозы, деревья хвойных пород – свыше 60%, лиственных – около 40%. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, что они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.

В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.

Крахмал относится к числу полисахаридов, выполняющих роль резервного пищевого вещества в растениях. Клубни, плоды, семена содержат до 70% крахмала. Запасаемым полисахаридом животных является гликоген, который содержится преимущественно в печени и мышцах.

Прочность стволов и стеблей растений, помимо скелета из целлюлозных волокон, определяется соединительной растительной тканью. Значительную её часть в деревьях составляет лигнин – до 30%. Его строение точно не установлено. Известно, что это относительно низкомолекулярный (M ≈ 104) сверхразветвленный полимер, образованный в основном из остатков фенолов, замещенных в орто-положении группами –OCH3, в пара-положении группами –CH=CH–CH2OH. В настоящее время накоплено громадное количество лигнинов как отходов целлюлозно-гидролизной промышленности, но проблема их утилизации не решена. К опорным элементам растительной ткани относятся пектиновые вещества и, в частности пектин, находящийся в основном в стенках клеток. Его содержание в кожуре яблок и белой части кожуры цитрусовых доходит до 30%. Пектин относится к гетерополисахаридам, т.е. сополимерам. Его макромолекулы в основном построены из остатков D-галактуроновой кислоты и её метилового эфира, связанных α-1,4-гликозидными связями.

Из пентоз значение имеют полимеры арабинозы и ксилозы, которые образуют полисахариды, называемые арабинами и ксиланами. Они, наряду с целлюлозой, определяют типичные свойства древесины.

Углеводы, липиды. Биополимеры.

В состав клеток входит множество органических соединений: углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие соединения, которых нет в неживой природе. Органическими веществами называют химические соединения, в состав которых входят атомы углерода.

Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепочечных или кольцевых молекул.

Самыми простыми углеродсодержащими соединениями являются углеводороды — соединения, которые содержат только углерод и водород. Однако в большинстве органических, т. е. углеродных, соединений содержатся и другие элементы (кислород, азот, фосфор, сера).

Биологические полимеры (биополимеры). Биологические полимеры — это органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Полимер (от греч. «поли» — много) — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество — мономер. Мономеры, соединяясь между собой, образуют цепи, состоящие из тысяч мономеров. Если обозначить тип мономера определенной буквой, например А, то полимер можно изобразить в виде очень длинного сочетания мономерных звеньев: А—А—А—А—…—А. Это, например, известные вам органические вещества: крахмал, гликоген, целлюлоза и др. Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер.

Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то можно получить очень большой набор разнообразных полимеров. Строение и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотношения и порядка чередования, т. е. положения мономеров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Таковы, например, схематически изображенные полимеры с закономерным чередованием мономеров:

…А Б А Б А Б А Б…

…А А Б Б А А Б Б…

…А Б Б А Б Б А Б Б А Б Б…

Однако значительно больше можно получить вариантов полимеров, в которых нет видимой закономерности в повторяемости мономеров. Такие полимеры называют нерегулярными. Схематически их можно изобразить так:

.. .ААБАБББАААББАБББББААБ…

Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свойство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б — электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, можно получить огромное число полимерных материалов с разными свойствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вариантов полимерных цепей значительно возрастет.

Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивает построение множества вариантов и определяет различные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.

Углеводы и их строение. В составе клеток всех живых организмов широкое распространение имеют углеводы. Углеводами называют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. В большинстве углеводов водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их название — углеводы). Общая формула таких углеводов Сn(Н20)m. Примером может служить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, элементный состав которой С6Н1206 (рис. 2). Глюкоза является простым сахаром. Несколько остатков простых сахаров соединяются между собой и образуют сложные сахара. В составе молока находится молочный сахар, который состоит из остатков молекул двух простых сахаров (дисахарид). Молочный сахар — основной источник энергии для детенышей всех млекопитающих.

Тысячи остатков молекул одинаковых сахаров, соединяясь между собой, образуют биополимеры — полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов: у растений это крахмал (рис. 3), у животных — гликоген, тоже состоящий из тысяч молекул глюкозы, но еще более ветвистый. Крахмал и гликоген играют роль как бы аккумуляторов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток организма.

Очень богаты крахмалом картофель, зерна пшеницы, ржи, кукурузы и др.

Функции углеводов. Важнейшая функция углеводов — энергетическая. Углеводы служат основным источником энергии для организмов, питающихся органическими веществами. В пищеварительном тракте человека и животных полисахарид крахмал расщепляется особыми белками (ферментами) до мономерных звеньев — глюкозы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клетках до углекислого газа и воды с освобождением энергии химических связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена. В периоды интенсивной мышечной работы или нервного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени животных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глюкоза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.

Таким образом, биополимеры полисахариды — это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов.

В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется не только крахмал, но и целлюлоза. Из целлюлозных волокон строится прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок почти чистая целлюлоза. В кишечнике человека и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.

Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух типов простых сахаров, которые регулярно чередуются в длинных цепях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опорных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность. Таким образом, важной функцией углеводных биополимеров является структурная функция.

Имеются полимеры сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, узнавание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени — в другую. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей. Выяснение механизмов узнавания и взаимодействия клеток может иметь важное значение, в частности для разработки средств лечения рака.

Липиды. Липиды разнообразны по структуре. Всем им присуще, однако, одно общее свойство: все они неполярны. Поэтому они растворяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ, эфир, но практически нерастворимы в воде. К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, которая расходуется на различные процессы. В этом заключается энергетическая функция жиров.

Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом. У некоторых животных (например, у китов, ластоногих) под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который благодаря низкой теплопроводности защищает их от переохлаждения, т. е. выполняет защитную функцию.

Некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регуляции физиологических функций организма. Липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты (фосфолипиды), служат важнейшей составной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют структурную функцию.

Структура, свойства, функции полисахаридов (гомо- и гетерополисахариды).

ПОЛИСАХАРИДЫ – это высокомолекулярные вещества (полимеры), состоящие из большого количества моносахаридов. По составу их делят на гомополисахариды и гетерополисахариды.

Гомополисахариды – полимеры, состоящие из моносахаридов одного вида. Например, гликоген, крахмал построены только из молекул α-глюкозы (α-D-глюкопиранозы), мономером клетчатки (целлюлозы) так же является β-глюкоза.

Крахмал. Это резервный полисахарид растений. Мономером крахмала является α-глюкоза. Остатки глюкозы в молекуле крахмала на линейных участках связаны между собой α-1,4-гликозидными, а в точках ветвления – α-1,6-гликозидными связями.

Крахмал представляет собой смесь двух гомополисахаридов: линейного – амилозы (10-30%) и разветвленного – амилопектина (70-90%).

Гликоген. Это основной резервный полисахарид тканей человека и животных. Молекула гликогена имеет примерно в 2 раза более разветвленное строение, чем амилопектин крахмала. Мономером гликогена является α-глюкоза. В молекуле гликогена остатки глюкозы на линейных участках связаны между собой α-1,4-гликозидными, а в точках ветвления – α-1,6-гликозидными связями.

Клетчатка. Это наиболее распространенный структурный растительный гомополисахарид. В линейной молекуле клетчатки мономеры β-глюкозы соединены между собой β-1,4-гликозидными связями. Клетчатка не усваивается в организме человека, но, ввиду своей жесткости, раздражает слизистую желудочно-кишечного тракта, тем самым, усиливает перистальтику и стимулирует выделение пищеварительных соков, способствует формированию каловых масс.

Пектиновые вещества— полисахариды, мономером которых является D-галактуроновая кислота, остатки которой соединены α-1,4-гликозидными связями. Содержатся в плодах и овощах и для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот, что используется в пищевой промышленности (желе, мармелад).

Гетерополисахариды (мукополисахариды, гликозаминогликаны)– полимеры, состоящие из моносахаридов различного вида. По строениюони представляют

неразветвленные цепи построены из повторяющихся дисахаридных остатков, в состав которых обязательно входят аминосахара (глюкозамин, или галактозамин) и гексуроновые кислоты (глюкуроновая, или идуроновая). Представляют собой желеподобные вещества, выполняют ряд функций, в т.ч. защитную (слизь), структурную, являются основой межклеточного вещества.

В организме гетерополисахариды не встречаются в свободном состоянии, а всегда связаны с белками (гликопротеины и протеогликаны) или липидами (гликолипиды).

По строению и свойствам делятся на кислые и нейтральные.

КИСЛЫЕ ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ:

В своём составе имеют гексуроновую или серную кислоты. Представители:

Гиалуроновая кислотаявляется основным структурным компонентом межклеточного вещества, способным связывать воду («биологический цемент»). Растворы гиалуроновой кислоты обладают высокой вязкостью, поэтому служат барьером для проникновения микроорганизмов, участвует в регуляции водного обмена, является основной частью межклеточного вещества).

Хондроитинсульфаты.являются структурными компонентами хрящей, связок, сухожилий, костей, клапанов сердца.

Гепарин – антикоагулянт (препятствует свёртыванию крови), обладает противовоспалительным действием, активатор ряда ферментов.

НЕЙТРАЛЬНЫЕ ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДЫ: входят в состав гликопротеинов сыворотки крови, муцинов слюны, мочи и др, построенны из аминосахаров и сиаловых к-т. Нейтральные ГП входят в состав мн. ферментов и гормонов.

СИАЛОВЫЕ КИСЛОТЫ – соединение нейраминовой кислоты с уксусной или с аминокислотой – глицином, входят в состав клеточных оболочек, биологических жидкостей. Сиаловые кислоты определяют для диагностики системных заболеваний (ревматизм, системная красная волчанка).

Добавить комментарий

Закрыть меню