1. Биологическая роль углеводов.
Углеводы – важный класс природных веществ, встречаются повсеместно в растительных, животных и бактериальных организмах, где они выполняют как структурные, так и метаболические функции.
В биосфере на долю углеводов приходится больше, чем всех других органических соединений вместе взятых. В растениях они составляют 80-90% из расчета на сухое вещество, в животном организме на их долю приходится всего 2% массы тела. Однако значение углеводов велико для всех видов живых организмов.
Для большинства организмов природные углеводы выполняют две основные функции:
являются источником углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов;
обеспечивают до 70% потребности организма в энергии. При окислении 1 г углеводов выделяется приблизительно 16,9 кДж энергии.
Другими функциями углеводов являются следующие:
Резервная. Крахмал и гликоген представляют собой формы хранения питательных веществ, выполняя функцию временного депо глюкозы.
Структурная. Целлюлоза и другие полисахариды растений образуют прочный остов; в комплексе с белками и липидами они входят в состав биомембран всех клеток.
Защитная. Кислые гетерополисахариды выполняют роль биологического смазочного материала, выстилая трущиеся поверхности суставов, слизистой пищеварительных путей, носа, бронхов, трахей.
Особое значение имеет специфическая функция углеводов – участие в образовании гибридных (комплексных) молекул, а именно гликопротеинов и гликолипидов. Так, гликопротеины служат маркерами в процессах узнавания молекулами и клетками друг друга, определяют антигенную специфичность, обусловливают различия групп крови, выполняют рецепторную, каталитическую и другие функции.
1. Общие свойства липидов, их классификация и номенклатура.
Липиды (от греч. липос – жир) это большая группа природных низкомолекулярных органических соединений, широко распространённых среди живых организмов, непосредственно или опосредованно связанных с жирными кислотами.
Их общим свойством является: 1) относительная нерастворимость в воде и 2) растворимость в неполярных растворителях – эфире, хлороформе и бензоле.
В состав липидов входят спирты, жирные кислоты, азотистые соединения, фосфорная кислота, углеводы и др.
Липиды играют важную роль в процессах жизнедеятельности организма. К основным функциям липидов относятся:
1) Энергетическая – липиды являются очень эффективными источниками энергии – при окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, что в два раза больше чем при окислении 1 г углеводов. Липиды окисляются в митохондриях до воды и СО2 с одновременным образованием большого количества АТФ.
2) Структурная – ряд липидов принимает участие в образовании клеточных мембран. Типичными мембранными липидами являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.
3) Липиды создают термоизоляционные покровы животных и защищают ткани от механических повреждений. Как основной компонент клеточных мембран липиды изолируют клетку от окружающей среды и за счёт гидрофобных свойств обеспечивают формирование мембранных потенциалов.
4) Резервная – в натуральных жирах содержатся жирорастворимые витамины и незаменимые жирные кислоты.
5) Регуляторная – некоторые липиды участвуют в образовании межклеточных контактов и передаче нервного импульса. Стероиды, эйкозаноиды и некоторые метаболиты фосфолипидов выполняют сигнальные функции. Они служат в качестве гормонов, медиаторов и вторичных посредников.
6) Прочие функции липидов. Отдельные липиды играют роль «якоря», удерживающего на мембране белки и другие соединения. Некоторые липиды являются кофакторами, принимающими участие в ферментативных реакциях, например, в свёртывании крови.
Существует несколько классов липидов, каждый из которых выполняет специфические биологические функции.
Классификация липидов основана на их структурных особенностях. Различают следующие классы липидов (рис.).
1) Простые липиды – сложные эфиры жирных кислот и различных спиртов: а) триацилглицеролы – сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот;
б) воски – сложные эфиры высших жирных кислот и одно- или двухатомных спиртов.
2) Сложные липиды – сложные эфиры жирных кислот и спиртов, содержащих дополнительные группы:
а) фосфолипиды – липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты. Различают глицерофосфолипиды (роль спирта исполняет глицерол) и сфингофосфолипиды (роль спирта исполняет сфингозин);
б) гликолипиды (гликосфинголипиды – липиды, содержащие жирные кислоты, сфингозин и углеводный компонент);
в) стероиды.
Определяющим признаком для такой классификации липидов являются входящие в их состав многоатомные алифатические спирты, содержащие две или три гидроксильные группы.
Самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами, являются нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК.
Долгое время РНК считалась компонентом растений, включая грибы, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток. Затем оказалось, что РНК наряду с ДНК, широко распространена у растений. В 30-х г.г. прошлого столетия благодаря работам А.Н. Белозерского установилось окончательное понимание того, что и РНК, и ДНК – два универсальных типа нуклеиновых кислот, присущих всем царствам живого мира.
В 40-х г.г. на основе различных цитологических и биохимических исследований стало складываться представление, что ДНК, постоянно локализующаяся в ядрах клеток, в их хромосомах, самым тесным образом связана с аппаратом наследственности, а РНК – это обязательный компонент клеточной цитоплазмы, ответственный за биосинтез белка.
ДНК и РНК это полимерные макромолекулы, участвующие в хранении и переносе генетической информации. Они построены из мономерных звеньев – нуклеотидов. Нуклеотиды присутствуют во всех без исключения живых клетках, выполняя целый ряд важных функций. В их числе: 1) построение нуклеиновых кислот; 2) перенос энергии (АТФ); 3) образование коферментов (НАДН); 4) участие в роли акцепторов в окислительном фосфорилировании (АДФ); 5) выступают в качестве аллостерических регуляторов активности ряда ферментов и «вторичных посредников» (цАМФ и цГМФ).
Нуклеотид состоит из трёх частей – азотистого основания, моносахарида и одной или нескольких фосфатных групп. В составе ДНК и РНК к нуклеотидам присоединена одна фосфатная группа. Сахар, входящий в состав нуклеотида – это пентоза, которая может присутствовать в одной из двух форм: -D-рибозы и -D—2-дезоксирибозы.
Азотистые основания представляют собой производные одного из двух соединений – пурина или пиримидина. В нуклеиновых кислотах в основном присутствуют два пуриновых производных – аденин и гуанин и три пиримидиновых – цитозин, тимин и урацил. Помимо пяти главных оснований известны 4 менее широко представленные минорные основания. Некоторые из них присутствуют в НК бактерий и вирусов, но многие также найдены в составе про- и эукариотических ДНК и тРНК. Так, бактериальная ДНК и ДНК человека содержат значительные количества 5-метилцитозина; в бактериофагах обнаружен 5-гидроксиметилцитозин. Необычные основания выявлены в матричной РНК – N6-метиладенин, N6,N6-диметиладенин и N7-метилгуанин. В клетках растений выявлена серия пуриновых оснований с метильными заместителями. Многие из них фармакологически активны. Например, в кофейных зёрнах содержится кофеин (1,3,7-триметилксантин), чайный лист содержит теофиллин (1,3-диметилксантин), а какао-бобы содержат теобромин (3,7-диметилксантин).
В рибонуклеиновых кислотах используются основания А, Г, Ц и У, а в дезоксирибонуклеиновых – А, Г, Ц и Т. Основание присоединяется к сахару с помощью -N-гликозидной связи, соединяющей С1-атом пентозы с N1-атомом пиримидина или с N9-атомом пурина.
РНК и ДНК построены из ковалентно связанных рибонуклеотидов или дезоксирибонуклеотидов, соответственно. Нуклеотиды соединяются между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков, связывающих 5′-гидроксильную группу одного нуклеотида с 3′-гидроксильной группой следующего. При этом образуется регулярная основная цепь, называемая сахарофосфатный остов. Порядок следования оснований вдоль цепи называется первичной структурой НК. Полинуклеотидная цепь обладает полярностью, а последовательность оснований читается в направлении от 5′ к 3′.
ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно – 3′-конец одной цепи расположен напротив 5′-конца другой. Эти цепи удерживаются между собой за счет образования водородных связей между парами аденин – тимин и гуанин – цитозин. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, между гуанином и цитозином – три. Антипараллельная направленность имеет важное биологическое значение при репликации и транскрипции ДНК.
К началу 50-х г.г. Э. Чаргафф установил факт видовой специфичности состава ДНК, показав, что соотношения Г, А, Ц и Т различаются у разных видов организмов. Этот факт прямо соответствовал предполагавшейся генетической роли ДНК. Выделены следующие закономерности в нуклеотидном составе ДНК, названные правилами Э. Чаргаффа – независимо от видовых различий, во всех ДНК:
1) молярное соотношение аденина к тимину равно 1 (А=Т, или А/Т=1);
2) молярное соотношение гуанина к цитозину равно 1 (Г≡Ц, или Г/Ц=1);
3) сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов;
4) в ДНК из разных источников отношение Г+Ц/А+Т, называемое коэффициентом специфичности, неодинаково.
В ДНК некоторых видов преобладает суммарное количество аденина и тимина, это так называемый АТ-тип ДНК. АТ-тип ДНК преобладает у всех позвоночных и беспозвоночных животных и высших растений. GC-тип (с суммарным преобладанием гуанина и цитозина) встречается у микроорганизмов.
Вторичная структура ДНК – в соответствии с моделью, предложенной в 1953 г Д.Уотсоном и Ф. Криком, ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль из комплементарных друг другу полинуклеотидных нитей.
Благодаря способности нуклеотидов к спариванию образуется жёсткая, хорошо стабилизированная двухцепочечная структура, обладающая следующими свойствами:
1) Сахарофосфатные остовы двух цепей образуют правозакрученную спираль с общей осью и диаметром около 2 нм. В спирали существуют две бороздки – большая и малая. На каждый виток спирали приходится 10 пар оснований. Шаг спирали равен 3,4 нм.
2) Сахарофосфатные остовы двух полинуклеотидных цепей, расположенные снаружи, связаны между собой водородными связями между отходящими от них вовнутрь азотистыми основаниями. Плоскости оснований перпендикулярны оси спирали и отстоят друг от друга на 0,34 нм и повёрнуты на 36°.
3) Стабильность двойной спирали обусловлена водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.
Третичная структура ДНК. У всех живых организмов двухцепочечные молекулы ДНК плотно упакованы с образованием сложных трехмерных структур. (Только в одной клетке организма человека, содержащей 46 хромосом, линейная длина ДНК составляет 2 м, а размер самой клетки всего 25 мкм. И самое интересное, что вся молекула ДНК находится в ядре диаметром около 5 мкм).
Выделяют 4 уровня упаковки ДНК в хромосоме. При этом нить ДНК «укорачивается» в 10000 раз. Два первых уровня упаковки эукариотического генома обеспечиваются гистонами.