Учение о клетке (стр. 2 из 6)

Химические и физиологические свойства белков определяются не только тем, какие аминокислоты входят вих состав, но и тем, какое место в длинной цепочке белковой молекулы занимает каждая из аминокислот. Так достигается огромное разнообразие первичной структуры белковой молекулы. В живой клетке белки имеют еще вторичную и третичную структуру. Вторичная структура белковой молекулы достигается ее спирализацией; длинная цепочка соединенных между собой аминокислот закручивается в спираль, между изгибами которой возникают более слабые водородные связи. Третичная структура определяется тем, что спирализованная молекула белка еще многократно и закономерно сворачивается, образуя компактный шарик, в котором звенья спирали соединяются еще более слабыми бисульфидными связями (-S—S—). Кроме того, в живой клетке могут быть и более сложные формы — четвертичная структура, когда несколько молекул белка объединяются в агрегаты постоянного состава (например, гемоглобин).

Белки выполняют в клетке разнообразные функции. Функциональной активностью обладают белки с третичной структурной организацией, но в большинстве случаев только переход белков третичной организации в четвертичную структуру обеспечивает специфическую функцию.

Ферментативная функция. Все биологические реакции в клетке протекают при участии особых биологических катализаторов — ферментов, а любой фермент — белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч раз. Каждый из ферментов строго специфичен. Так, распад крахмала и превращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д. Многие ферменты давно уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.). промышленности.

Структурная функция. Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку, и органелл. В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК — тело рибосом. Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клеток.

Транспортная функция. Именно с белками связан перенос кислорода, а также гормонов в теле животных и человека (его осуществляет белок крови — гемоглобин).

Двигательная функция. Все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками, которые обусловливают сокращение мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение хромосом при делении клетки, движение растений.

Защитная функция. Многие белки образуют защитный покров, предохраняющий организм от вредных воздействий, например роговые образования — волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита.

В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антигенов) в клетках крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые обезвреживаютих, предохраняя организм от повреждающего действия. Это иммунологическая защита.

Энергетическая функция. Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада — диоксида углерода, воды и азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке.

Углеводы. Это необходимый компонент любой клетки. В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод, водород и кислород. К простейшим углеводам относятся простые сахара (модосахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды. Примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах растений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.

Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых углеводов. Из двух моносахаридов образуется дисахарид. Пищевой сахар (сахавоза), например, состоит из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы. Значительно большее число молекул простых углеводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза). В молекуле клетчатки, например, от 300 до 3000 молекул глюкозы.

Углеводы — своеобразное «топливо» для живой клетки;

окисляясь, они высвобождают химическую энергию, которая расходуется клеткой на процессы жизнедеятельности. Углеводы выполняют и важные строительные функции, например у растений из них образуются стенки клеток.

Жиры и липоиды. В качестве обязательного компонента содержатся в любой клетке. Жиры представляют собой соединение глицерина с различными жирными кислотами, липоиды — эфиры жирных кислот и спиртов, но не глицерина. Именно этим кислотам липоиды обязаны своим важным биологическим свойством — не растворяться в воде. Этим же определяется и их роль в биологических мембранах клетки. Средний, липидный, слой мембран препятствует свободному перемещению воды из клетки в клетку. Жиры используются клеткой как источник энергии. Подкожный жир играет важную теплоизоляционную роль.

У животных, особенно у водных млекопитающих. У животных, впадающих

зимой в спячку жиры обеспечивают организм необходимой энергией. Они составляют запас питательных веществ в сменах и плодах растений.

Нуклеиновые кислоты. Впервые были обнаружены в ядрах клеток. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонук-леиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК), ДНК образуется и содержится преимущественно в ядре клетки,

Рис. 1. Модель двойной спирали молекулы ДНК. А — участок двуспиральной молекулы ДНК; Б — схема участка деспирализованных цепей. Ясно видна комплементарность оснований, водородные связи между ними показаны точками

РНК, возникая в ядре, выполняет свои функции в цитоплазме и ядре.

Молекула ДНК — очень длинная двойная цепочка, спирально закрученная вокруг своей продольной оси (рис. 1). Длина ее во многие сотни раз превышает длину цепочки белковой молекулы. Каждая одинарная цепочка представляет собой полимер и состоит из отдельных соединенных между собой мономеров — нуклеотидов.

В состав любого нуклеотида входят два постоянных химических компонента (фосфорная кислота и углевод дезоксирибоза) и один переменный, который может быть представлен одним из четырех азотистых оснований: аденином, гуанином, тимином или цитозином. Поэтому в молекулах ДНК всего четыре разных нуклеотида. Разнообразие же молекул ДНК огромно и достигается благодаря различной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК.

Две цепи ДНК соединены в одну молекулу азотистыми основаниями. При этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином. В связи с этим последовательность нуклеотидов в одной цепочке жестко определяет последовательность в другой цепочке. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках молекулы ДНК получило название комплементарности (рис. 1). Это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Редупликация сводится к тому, что под действием специального фермента исходная двойная цепочка молекулы ДНК постепенно распадается на две одинарные — и тут же к каждой из них по принципу химического сродства (аденин к тимину, гуанин к цитозину) присоединяются свободные нуклеотиды. Так восстанавливается двойная цепь ДНК. Но теперь таких двойных молекул уже две. Поэтому синтез ДНК и получил название редупликации (удвоения): каждая молекула ДНК как бы сама себя удваивает. Роль ДНК заключается в хранении, воспроизведении и передаче из поколения в поколение наследственной информации.

Молекулярная структура РНК близка к таковой ДНК. Но есть и существенные различия. Молекула РНК — не двойная, а одинарная цепочка из нуклеотидов. В ее состав входят также четыре типа нуклеотидов, но один из них иной, чем в ДНК: вместо тимина в РНК содержится урацил. Кроме того, во всех нуклеотидах молекулы РНК находится не дезоксирибоза, а рибоза. Молекулы РНК не столь велики, как молекулы ДНК.

В клетке имеется три вида РНК. Названия их связаны с выполняемыми функциями. Транспортные РНК (тРНК) — самые маленькие по размеру, транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка. Информационные, или матричные, РНК (мРНК) во много раз больше тРНК. Они переносят информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка. Третий вид — рибосомальные РНК (рРНК) — входят в состав рибосом. Все виды РНК синтезируются в ядре клетки по тому же принципу комплементарности на одной из цепей ДНК. Значение РНК состоит в том, что они обеспечивают синтез в клетке специфических для нее белков.

Аденозинтрифосфат (АТФ). Входит в состав любой клетки, где он выполняет одну из важнейших функций — накопителя энергии. Молекулы АТФ состоят из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты. Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи): при разрыве этих связей энергия высвобождается и используется в живой клетке для обеспечения процессов жизнедеятельности и синтеза органических веществ.

Глава 3. КЛЕТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ И ИХ ФУНКЦИИ

Цитоплазма. Клетка представляет собой целостную живую систему, состоящую из неразрывно связанных между собой цитоплазмы и ядра (рис. 2). От внешней среды цитоплазма отграничена наружной клеточной мембраной (от лат. membrana — кожица, пленка), называемой плазмалеммой. Она представляет собой тончайшую (толщина 7—10 нм), но довольно плотную пленку, состоящую почти исключительно из упорядочение расположенных молекул белков и липидов. Наружный и внутренний слои элементарной мембраны образованы белковыми молекулами, а между ними находятся два слоя липидов. Молекулы большинства липидов состоят из полярной головки и двух неполярных хвостов. Головки гидрофильны (проявляют сродство к воде), а хвосты гидрофобны (с водой не смешиваются).