Биология пособие для поступающих в вузы под редакцией М. В. Гусева и Л. А. Каменского Издательство Московского университета 2002 Москва мир 2002

Белки входят в состав всех живых организмов (растений, животных, бактерий, вирусов) и составляют до 50% сухого веса кле-

462
ток. Каждый организм синтезирует свои собственные белки, их состав и количество могут изменяться в течение жизни. Белки в организме постоянно обновляются, это их свойство лежит в основе обмена веществ (метаболизма). Синтез белков протекает на рибосомах с участием разных типов РНК. Информация о последовательности аминокислот в каждом индивидуальном белке хранится в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов в гене.

Белки являются одним из важнейших компонентов пищи человека и животных и не могут быть заменены другими соединениями, так как содержат ряд незаменимых аминокислот, способность к синтезу которых была утрачена человеком и животными в процессе эволюции. Их отсутствие в пище приводит к тяжелым нарушениям азотистого обмена. В процессе пищеварения белки расщепляются до свободных аминокислот, которые всасываются в кишечнике и включаются в метаболизм. Они могут распадаться до простых соединений для получения клетками энергии, а могут идти на синтез белков, присущих данному организму.

Ферменты. Ферментами называют белки, осуществляющие каталитическую функцию. С их участием скорость химических реакций в организме возрастает в миллионы раз. Ферменты как катализаторы обладают рядом уникальных свойств. Во-первых, они ускоряют протекание реакций при очень низких (с точки зрения химии) температурах: 37-40░С ╫ у теплокровных животных и от 0░С ╫ у беспозвоночных и холоднокровных организмов арктических морей, до 70░С ╫ у организмов, обитающих в горячих источниках. Во-вторых, они работают при нейтральных значениях рН. В третьих, ферменты обладают высокой субстратной специфичностью, т.е. взаимодействуют только с одним веществом (субстратом) и ускоряют одну определенную реакцию. Это связано с тем, что в процессе катализа субстрат связывается в определенном участке молекулы фермента ╫ в активном центре, структура которого строго соответствует структуре субстрата.

В активном центре находятся боковые радикалы аминокислот, которые могут располагаться в самых разных участках полипептидной цепи, т.е. вся огромная молекула фермента при формировании третичной или четвертичной структуры укладывается таким образом, чтобы нужные для формирования активного центра аминокислотные радикалы оказались в строго определенном месте, на определенном расстоянии друг от друга. Этим достигается полное соответствие структуры субстрата структуре активного центра, которые "подходят" друг к другу как "ключ к замку". Поэтому размеры молекул ферментов, как правило, во много раз превышают размеры их субстратов.

При связывании в активном центре субстрат взаимодействует с белком за счет электростатических или гидрофобных взаимодействий, которые так изменяют структуру субстрата, что он легко разрывается на две части или присоединяет к себе другой субстрат, легко окисляется или восстанавливается и т.п.

463
Часто ферменты, помимо белковой части, содержат одно из низкомолекулярных соединений небелковой природы ╫ кофермент, или кофактор (обычно он слабо связан с белковой частью фермента и может легко диссоциировать), или простетическую группу (обычно она ковалентно связана с полипептидной цепью фермента). Эти соединения непосредственно участвуют в процессе катализа. Например, ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, часто содержат в качестве кофактора НАД+, ФАД или ионы металлов переменной валентности (железо, медь). Многие кофакторы являются производными витаминов.

Молекулы ферментов часто содержат один или несколько регуляторных центров (помимо активного центра), с которыми могут взаимодействовать различные биологически активные вещества или промежуточные продукты обмена веществ. Такое взаимодействие ускоряет или, наоборот, замедляет протекание катализируемой ферментом реакции. Этим достигается тонкая регуляция метаболизма в живых клетках. Изменение пространственной структуры ферментов при денатурации приводит к полной потере ими каталитической активности.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты выступают в клетках в роли носителей генетической информации и обеспечивают ее реализацию в процессе жизнедеятельности организмов. Они представляют собой линейные гетерополимеры, состоящие из повторяющихся строительных блоков ╫ мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит в свою очередь из азотистого основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. Во всех живых клетках присутствуют два типа нуклеиновых кислот ╫ дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), и только вирусы содержат лишь один из типов нуклеиновых кислот (либо ДНК, либо РНК) (рис.Х.22).

Молекула ДНК состоит из нуклеотидов, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований ╫ аденин (А), гуанин (Г, или G), тимин (Т) или цитозин (Ц, или С), пятиуглеродный сахар дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты (рис.Х.23).

Аденин и гуанин относятся к производным пурина и содержат два сопряженных гетероциклических кольца (пяти- и шестичленное), а тимин и цитозин ╫ к производным пиримидина, и содержат одно шестичленное гетероциклическое кольцо.

У прокариот обычно имеется одна кольцевая молекула ДНК (кольцевая хромосома), расположенная в цитоплазме, а также небольшие кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. У эукариот ДНК сосредоточена в основном в ядре, где она входит в состав хромосом, а также в органоидах, имеющих свой собственный генетический аппарат и аппарат для синтеза белка ╫ в митохондриях и пластидах. Молекулярная масса ДНК очень велика, даже у прокариот она составляет несколько миллиардов дальтон.

Структурная организация молекулы ДНК была расшифрована в 1953 г. Дж.Уотсоном и Ф.Криком, получившими за это откры-

464
Рис.Х.22. Структура главных пиримидиновых и пуриновых оснований, входящих в состав ДНК и РНК

тие Нобелевскую премию. Молекула ДНК состоит из двух нитей, расположенных параллельно друг другу и формирующих правозакрученную двойную спираль (рис.Х.24). Ширина спирали ╫ около 2 нм, а длина может достигать нескольких сотен тысяч нанометров. Каждая нить в молекуле

ДНК состоит из мононуклеотидов, ковалентно связанных фосфодиэфирными связями (рис.Х.25). Эти связи формируются между остатками фосфорной кислоты и 3'- и 5'-гидроксильными группами дезоксирибозы соседних нуклеотидов (цифрами 1, 2 и т.д. нумеруются атомы в азотистом основании, а цифрами 1', 2' и т.д. ╫ атомы в остатке дезоксирибозы). Обращенные внутрь спирали азотистые основания нуклеотидов одной нити формируют водородные связи с азотистыми основаниями нуклеотидов второй нити, т.е. две нити ДНК удер-

465
живаются вместе многочисленными водородными связями, что делает такую структуру очень устойчивой. Каждая нить ДНК имеет 3'- и 5'-концы: у расположенных на этих концах нуклеотидов либо 3'-, либо 5'-группа дезоксирибозы свободна и не участвует в формировании фосфодиэфирной связи. В двойной спирали ДНК две ее нити расположены антипараллельно, т.е. "навстречу" друг другу: на каждом конце двойной спирали находятся 3'-конец одной ее нити и 5'-конец другой.

466
Рис.Х.26. Образование водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями по Уотсону и Крику

ли ДНК пурины образуют водородные связи только с пиримидинами, причем А образует связи (2 водородные связи) только с Т, а Г (3 водородные связи) ╫ только с Ц. Длина структуры, образованной парами AT и ГЦ, примерно одинакова и составляет около 1,1 нм (рис.Х.26). Пара АГ была бы слишком велика, а пара ТЦ ╫ слишком мала, чтобы точно соответствовать внутренним размерам двойной спирали ДНК. Таким образом, зная, какое азотистое основание находится в данном месте в одной нити ДНК, можно легко установить, какое азотистое основание будет находиться в этом месте во второй нити ДНК. Такое строгое соответствие нуклеотидов, расположенных в парных антипараллельных нитях молекулы ДНК, получило название комплементарности. Именно поэтому на каждой нити молекулы ДНК, как на матрице, можно синтезировать комплементарную ей вторую нить. Этот процесс позволяет живым организмам сохранять генетическую информацию и передавать ее без изменений в процессе деления дочерним клеткам, обеспечивая такое важное свойство живого, как наследственность.

Итак, входящие в состав клеток молекулы ДНК представляют собой двухцепочечные нити, или двойную спираль. Только у некоторых ДНК-содержащих вирусов генетическая информация хранится в виде одноцепочечной ДНК.

467
В отличие от ДНК, РНК представляет собой, как правило, одноцепочечный линейный гетерополимер, состоящий из мононуклеотидов. Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из одного из четырех азотистых оснований ╫ А, Г и Ц (как в молекуле ДНК) и урацила (У, или U), который в РНК заменяет Т, остатка пятиуглеродного сахара рибозы и остатка фосфорной кислоты. Как и в молекуле ДНК, нуклеотиды в РНК ковалентно связаны друг с другом 3',5'-фосфодиэфирными мостиками. Поскольку РНК синтезируется, как на матрице, на одной из нитей определенного участка молекулы ДНК, то расположение нуклеотидов в ней, согласно принципу комплементарности, будет определяться последовательностью нуклеотидов в этой нити ДНК. При синтезе РНК напротив А (в молекуле ДНК) всегда будет располагаться У (в молекуле РНК), напротив Г ╫ Ц, напротив Т ╫ А, напротив Ц ╫ Г. В клетках присутствует три типа молекул РНК: рибосомальная (рибосомная), или рРНК, информационная, или иРНК, и транспортная, или тРНК. Все они необходимы для реализации генетической информации ╫ синтеза белка.

Рибосомальная РНК составляет до 85% от всей РНК в клетке. Она синтезируется в ядрышках и является основой для формирования большой и малой субъединиц рибосом. Молекулы рРНК состоят из нескольких тысяч нуклеотидов. Рибосомальная РНК, входящая в состав цитоплазматических рибосом эукариот, больше по размерам, чем рРНК рибосом прокариот, митохондрий и пластид.

Информационная РНК синтезируется в процессе транскрипции на определенном участке молекулы ДНК ╫ гене, и содержит информацию о последовательности аминокислот в одном (у эукариот) или в нескольких (у прокариот) белках. Количество иРНК в клетке составляет около 5% от всей РНК и зависит от стадии клеточного цикла: при интенсивном синтезе белков количество иРНК повышается. Размеры иРНК определяются размерами кодируемых ими белков (или пептидов) и могут варьировать в широких пределах ╫ от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов.

Транспортная РНК составляет около 10% от всей РНК клеток. Она невелика по размерам (75╫90 нуклеотидов) и выполняет в клетке специфическую функцию: присоединяет определенную аминокислоту и доставляет ее к месту синтеза белка в рибосомы. Поэтому число разных тРНК должно соответствовать числу кодирующих аминокислоты триплетов (максимально 61). В молекуле тРНК определенные участки по принципу комплементарности образуют "шпильки", поэтому структура ее молекулы напоминает "клеверный лист" (рис.Х.27). На одной из шпилек расположен триплет нуклеотидов ╫ антикодон, комплементарный кодону в моле-

468
Рис.Х.27. Структура молекулы тРНК (структура √клеверного листа╗) (А) и конформация, которую эта молекула принимает в растворе (Б)

куле иРНК. На противоположном конце молекулы расположен акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота.

Итак, РНК в большинстве живых организмов присутствует в виде однонитевой молекулы, способной образовывать "шпильки". Только у некоторых РНК-содержащих вирусов обнаружена двухцепочечная РНК, структура которой близка к структуре ДНК. У этих организмов РНК, как двух-,так и одноцепочечная, выполняет функцию хранения генетической информации.

Самоудвоение ДНК. Сохранение и передача потомству генетической информации обеспечивается способностью ДНК к самоудвоению, или репликации (редупликации). По-видимому, на ранних этапах эволюции полинуклеотидные цепи были способны достраивать комплементарные цепи химическим (неферментативным) путем. В существующих в настоящее время живых организмах этот сложный и многостадийный процесс контролируется рядом ферментов и осуществляется на определенных стадиях клеточного цикла ╫ перед началом митоза или мейоза.

Сначала специальные ферменты "раскручивают" и "расплетают" двойную спираль ДНК, разрывая водородные связи между парами комплементарных азотистых оснований (рис.Х.28). Затем на образовавшихся одноцепочечных участках материнской молекулы ДНК, как на матрицах, с помощью фермента ДНК-полимеразы начинают собираться дочерние нити. Для их синтеза использу-

469
Рис.Х.28. Схема репликации двухцепочечной молекулы ДНК. Каждая из двух цепей родительской молекулы ДНК используется в качестве матрицы для синтеза новых комплементарных нитей (А). Схема, иллюстрирующая полуконсервативный характер репликации ДНК. Родительские цепи ДНК (Б)

ются дезоксинуклеотиды ╫ дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, которые выстраиваются в дочерней нити, образуя комплементарные пары с нуклеотидами материнской нити так, что напротив А всегда будет стоять Т, напротив Г ╫ Ц и т.д. На одной нити ДНК синтез дочерней молекулы идет непрерывно, а на второй ╫ фрагментами в обратном направлении. Образующиеся фрагменты сшиваются вместе специальным ферментом ╫ ДНК-лигазой. В конечном итоге образуются две новые двухцепочечные молекулы ДНК, точные копии друг друга и материнской молекулы, причем в каждой из них одна нить ДНК является материнской, а вторая ╫ вновь синтезированной дочерней (см. рис.Х.28). Такой способ репликации называется полуконсервативным; он обеспечивает точное соответствие нуклеотидной последовательности дочерних молекул ДНК материнской ДНК.

Поскольку точная передача информации от материнской молекулы ДНК к дочерним жизненно важна для живых организмов, за процессом

470
репликации строго "следят" специальные ферменты. Если в процессе синтеза происходят ошибки и в дочернюю цепь включаются "неправильные" (некомплементарные) нуклеотиды, эти ферменты вырезают их и достраивают в месте разрыва "правильный" (комплементарный) кусок, а затем сшивают цепь. Аналогичные ферменты постоянно "следят" за состоянием молекул ДНК и в неделящихся клетках. Если в одной из нитей ДНК под действием химических или физических факторов (мутагенных веществ, ионизирующего излучения, УФ-излучения) возникают какие-либо нарушения, ферменты "исправляют" их, восстанавливая исходную структуру ДНК. Такой процесс называется репарацией. Если же в молекуле ДНК (или в одной из ее нитей) ошибки все-таки появляются, их следствием будут мутации, которые могут привести к изменениям свойств и признаков организма и закрепиться (или, наоборот, элиминироваться) в процессе эволюции.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ - ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТКИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН В КЛЕТКЕ И ЕГО СУЩНОСТЬ. ЗНАЧЕНИЕ АТФ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОБМЕНЕ

Общие принципы клеточного метаболизма. Все известные науке живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Энергия необходима для биосинтеза присущих живым клеткам сложных органических веществ, а также для выполнения разных видов работы ╫ движения, осморегуляции, выведения продуктов обмена и т.д. Вероятно, в процессе эволюции первыми появились организмы, использующие в качестве источников энергии готовые органические вещества, накопленные в Мировом океане за счет абиогенного синтеза. Такие организмы получили название гетеротрофных. Поскольку в то время атмосфера Земли была лишена кислорода, эти организмы извлекали энергию из органических веществ за счет различных окислительно-восстановительных реакций, протекающих в анаэробных (бескислородных) условиях. Впоследствии появились организмы, научившиеся использовать для синтеза органических соединений из простых неорганических веществ (в первую очередь, углекислого газа и воды) энергию солнечного света, ╫ фотосинтезирующие бактерии, синезеленые водоросли, низшие и высшие растения. Такие организмы называют автотрофными, а также фотосинтетиками. Особую группу автотрофных организмов составляют хемосинтетики (серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии) ╫ организмы, использующие для процессов биосинтеза и обеспечения жизнедеятельности энергию окисления неорганических веществ. Накопление органических соединений в результате деятель-

471
ности фотосинтезирующих организмов стимулировало дальнейший расцвет потребителей органического вещества ╫ гетеротрофов, а появление в атмосфере мощного окислителя ╫ молекулярного кислорода, образующегося в качестве побочного продукта фотосинтеза, позволило более полно и эффективно использовать запасенную в органических веществах энергию. Так возникли аэробные организмы, способные полностью окислять сложные органические вещества до углекислого газа и воды при помощи кислорода. Однако до настоящего времени сохранились и миксотрофные организмы (например, эвглена зеленая), которые сочетают свойства автотрофных (способность к фотосинтезу) и гетеротрофных (питание готовыми органическими веществами) организмов.

Итак, для получения энергии многие живые организмы, в первую очередь гетеротрофы, разлагают и окисляют сложные органические соединения. Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ до более простых, сопровождающихся выделением и запасанием энергии (как правило, в форме универсального богатого энергией соединения ╫ АТФ), получила название энергетического обмена (катаболизма, или диссимиляции). Одновременно с этими реакциями в клетках организма постоянно протекают синтетические процессы, в которых образуются присущие данному организму сложные органические вещества, как низкомолекулярные (аминокислоты, сахара, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т.д.), так и биологические полимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), необходимые для построения различных клеточных структур и выполнения разнообразных функций. Для синтеза этих веществ клетки используют получаемые из внешней среды простые (у автотрофов) или более сложные (у гетеротрофов) соединения, а также энергию, выделяемую в процессе энергетического обмена. Совокупность биосинтетических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии, называют пластическим обменом (анаболизмом, или ассимиляцией). Процессы энергетического и пластического обмена протекают в клетках постоянно и одновременно и тесно взаимосвязаны. Так, многие промежуточные продукты реакций энергетического обмена используются в качестве исходных соединений в реакциях биосинтеза, а энергия, запасаемая в виде макроэргических связей АТФ в ходе диссимиляции, постоянно расходуется в синтетических процессах. Поэтому пластический и энергетический обмен нельзя рассматривать в отрыве друг от друга: это две стороны одного процесса ╫ обмена веществ (метаболизма), постоянно протекающего во всех живых системах и составляющего биохимическую основу жизни.

Рассмотрим более подробно на простом примере, каким образом живые организмы освобождают запасенную в сложных органических соединениях энергию. Человеческое общество, как и

472
живая клетка, нуждается в получении энергии. Для этого в большинстве случаев сжигается органическое топливо (газ, нефть, уголь). Запасенная в топливе химическая энергия превращается сначала в тепловую (энергия перегретого пара), затем в механическую (вращение турбин электростанций) и, наконец, в электрическую энергию, которая может передаваться по линиям электропередачи на значительные расстояния и использоваться в различных целях. Процесс горения органического топлива (например, газа метана) можно описать простым уравнением:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + энергия (тепло).

В ходе этой реакции углерод окисляется кислородом воздуха (углерод максимально восстановлен в метане и максимально окислен в углекислом газе), что и приводит к освобождению энергии в виде тепла. Аналогичный процесс протекает и в живых клетках аэробных организмов, однако он имеет ряд существенных отличий.

Во-первых, если бы органические вещества окислялись кислородом в одну стадию, выделяемое большое количество тепла привело бы к резкому подъему температуры внутри клеток и к денатурации сложных органических молекул. Поэтому живые клетки проводят реакцию окисления в несколько стадий, постепенно окисляя насыщенный углеводород до спирта, альдегида (или кетона), органической кислоты и, наконец, углекислого газа. Условно это можно проиллюстрировать следующей последовательностью превращений:

CH4 ? CH3OH ? H2C=O ? HCOOH ? CO2.

В конечном итоге в этом процессе выделится столько же энергии (тепла), как и при простом сжигании метана, однако она будет выделяться порциями, по частям.

Легко также заметить, что наиболее богаты энергией те органические вещества, в которых углерод максимально восстановлен. В клетках это липиды с большим количеством насыщенных жирных кислот, полное "сжигание" которых дает максимальное количество энергии. Расщепление углеводов, относящихся к альдегидоспиртам или кетоспиртам, или аминокислот будет давать примерно вдвое меньше энергии, так как большинство углеродных атомов в молекулах этих соединений уже частично окислено.

Во-вторых, не вся освобождаемая в ходе таких реакций энергия рассеивается в виде тепла, так как живые клетки запасают часть выделяемой при окислении углерода энергии в виде АТФ. Для этого реакция, протекающая с освобождением энергии, "сопрягается" с реакцией, протекающей с поглощением энергии,╫ с образованием АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн).

В-третьих, для получения энергии совершенно не обязательно окислять органические вещества полностью, т.е. до углекисло-

473
го газа. Энергия будет выделяться и при окислении, например, спирта до карбоновой кислоты, хотя, конечно, ее количество будет меньше, чем при полном окислении.

В-четвертых, живые клетки могут осуществлять окисление органических веществ и в отсутствие кислорода. Условно это можно проиллюстрировать следующей последовательностью реакций:

СН3 - СН3 ? СН2 = СН2 + 2Н,

СН2 = СН2 + Н2О ? СН3 - СН2ОН,

СН3 - СН2ОН ? СН3 ╓ HC = O + 2H,

СН3 ╓ HC = O + Н2О ? СН3 - НС(ОН)2,

СН3 - НС(ОН)2 ? СН3 ╓ COOH + 2H.
Итак, мы видим, как один из углеродных атомов в молекуле этана последовательно окисляется до спирта, альдегида и карбоновой кислоты. Последовательно "отрываемые" от этого углеродного атома пары атомов водорода, которые часто называют восстановительными эквивалентами, в клетках присоединяются к универсальному акцептору атомов водорода ╫ молекуле НАД+ (см. выше), восстанавливая его до НАДН. Последний может использоваться в реакциях биосинтеза для восстановления органических соединений (показанные выше реакции протекают в обратную сторону, т.е. НАДН отдает атомы водорода восстанавливаемым веществам), а в присутствии кислорода НАДН окисляется в дыхательной цепи митохондрий с освобождением большого количества энергии, запасаемой в виде АТФ.

Для получения энергии человечество, помимо сжигания органического топлива, часто использует гидроэлектростанции: вода, накопленная по одну сторону плотины, стекая вниз, вращает турбины, производя электроэнергию. Интересно отметить, что живые клетки "научились" использовать аналогичный принцип задолго до появления человека как биологического вида: окисление НАДН в дыхательной цепи митохондрий сопровождается переносом через внутреннюю митохондриальную мембрану из матрикса в межмембранное пространство протонов и созданием на мембране значительного градиента их концентрации (мембрана при этом выступает в качестве плотины). Когда протоны "текут" внутрь митохондрий по градиенту концентрации через специальный канал в молекуле фермента АТФ-синтетазы, они "вращают" этот фермент (как вода турбину), что приводит к синтезу АТФ.