Живые организмы, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот
Это определение жизни, которое приводится в школьных учебниках. Именно о белках и нуклеиновых кислотах мы с вами сегодня и поговорим.
Но для начала разберемся с тем, какое вещество можно считать полимером.
Полимер - это вещество, состоящее из мономеров, соединенных между собой химическими связями в длинные макромолекулы.
В живой природе полимерами, в частности, являются нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки, полисахариды. Сейчас речь пойдет только о нуклеиновых кислотах и белках.
Нуклеиновые кислоты и белки представляют собой нерегулярные полимеры. Это означает, что их мономеры (нуклеотиды у нуклеиновых кислот и аминокислоты у белков) не формируют регулярно повторяющихся последовательностей (во всяком случае, на всем протяжении).
Белки
Белки - полимеры, состоящие из аминокислот (мономеров). Давайте сначала определимся с тем, что собой представляет мономер белка - аминокислота.
Аминокислота представляет собой органическое соединение, которое состоит из аминогруппы (-NH2), карбоксильной группой (-СООН) и радикала (R). Именно радикалами аминокислоты отличаются друг от друга.
Всего насчитывается около 20 аминокислот.
Аминокислоты соединяются друг с другом в цепочку и формируют первичную структуру белка.
Первичная структура белка удерживается благодаря образованию пептидных связей, которые возникают между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты. Именно образование пептидных связей происходит в ходе синтеза белка на рибосомах.
Затем первичная структура белка формирует вторичную структуру, которая удерживается благодаря водородным связям, возникающим между кислородом и водородом соседних пептидных связей.
Затем вторичная структура укладывается в третичную структуру. Как правило, упоминают о форме глобулы, когда белок приобретает шарообразную форму. И тут форма глобулы будет определяться расположением гидрофильных и гидрофобных аминокислот. Гидрофобные аминокислоты "боятся" воды, поэтому прячутся внутрь глобулы, а гидрофильные аминокислоты выставляются на поверхность. Поэтому, строго говоря, не обязательно белок приобретает именно шарообразную структуру. Структура может быть любой, и это будет определяться последовательностью аминокислот.
Помимо гидрофильности и гидрофобности самих аминокислот, третичная структура белка удерживается за счет дисульфидных связей (дисульфидных мостиков) – разновидности ковалентных связей, возникающих между атомами серы радикалов некоторых аминокислот. Кроме того, в этом принимают участие ионные и водородные связи.
И лишь некоторые белки могут приобретать еще и четвертичную структуру (это когда уже готовые глобулы третичной структуры собираются вместе). Четвертичная структура уже будет удерживаться ионными, водородными и гидрофобными связями.
В этом случае отдельные глобулы, которые соединяются в четвертичную структуру, называются субъединицами. Субъединицы могут быть разными, они могут быть одинаковыми – большой роли это не играет.
Вообще тема белков неисчерпаемая, много можно говорить об этом, и мы тоже к этой теме еще вернемся, в том числе обсудим еще функции белков, методы их изучения. Но это будет в других статьях.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты бывают двух видов: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). И одна, и другая являются полимерами (линейными, нерегулярными). Сразу оговорюсь, что мы с вами в этой статье будем обсуждать нуклеиновые кислоты прокариот и эукариот (у вирусов бывают совершенно разнообразные вариации этих нуклеиновых кислот).
Но прежде чем мы поговорим с вами о самих полимерах, давайте обсудим их мономеры. Мономер нуклеиновых кислот называется нуклеотид.
Любой нуклеотид (который входит в состав ДНК или РНК) содержит в себе:
- Азотистое основание
- Пентозу (пятиуглеродный сахар)
- Остаток фосфорной кислоты
Азотистые основания, которые встречаются в ДНК и РНК, относят к одному из двух классов: пурины или пиримидины.
К пуринам относятся аденин и гуанин, а к пиримидинам – тимин, цитозин и урацил
Что касается пентозы, то в молекулах ДНК присутствует дезоксирибоза, а в молекулах РНК – рибоза.
Теперь давайте разберем структуру дезоксирибонуклеотида:
- В качестве азотистых оснований могут выступать аденин, гуанин, тимин и цитозин
- В качестве пентозы выступает дезоксирибоза
- Остаток фосфорной кислоты
Структура рибонуклеотида:
- Азотистые основания – аденин, гуанин, урацил и цитозин (то есть в рибонуклеотидах нет тимина, но есть урацил)
- В качестве пентозы выступает рибоза
- Остаток фосфорной кислоты
Дезоксирибонуклеиновая кислота
ДНК представляет собой двойную спираль, где одной цепочке из нуклеотидов ДНК соответствует другая (комплементарная) цепь молекулы ДНК (о принципе комплементарности мы будем говорить подробнее позже, но сейчас просто скажу, что напротив аденина на одной цепи встает тимин на другой цепи, а напротив гуанина – цитозин).
Обратите внимание, что аденин и тимин соединяются друг с другом с помощью двойной водородной связи, а гуанин и цитозин – с помощью тройной водородной связи.
Еще обратите внимание на обозначения 3' и 5'. Это порядковые номера дезоксирибозы, которые через остаток фосфорной кислоты соединяют соседние нуклеотиды. Это еще нам пригодится, когда мы будем говорить о свойстве антипараллельности нуклеиновых кислот.
Собственно, свойство антипараллельности заключается в том, что напротив 3'-конца одной цепи стоит 5'-конец комплементарной цепи.
Рибонуклеиновая кислота
Рибонуклеиновая кислота представляет собой одинарную цепочку, которая, впрочем, может заворачиваться в какую угодно структуру. Способы укладки одиночной цепочки показаны на рисунке (см. выше).
Основные виды РНК – транспортная РНК (тРНК), рибосомальная РНК (рРНК), матричная (или информационная) РНК (мРНК), некодирующая РНК (нкРНК).
И последнее, что мы обсудим в данной статье...
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
АТФ представляет собой нуклеотид, который содержит азотистое основание (аденин), пентозу (рибоза) и три остатка фосфорной кислоты. Между двумя остатками фосфорной кислоты формируются макроэргические связи (между альфа- и бета-, а также бета- и гамма-атомами фосфора).
Молекула АТФ представляет собой универсальную молекулу, которую клетка использует, когда необходимо запасти энергию.