Молекулярно-генетический уровень организации живой материи. Строение и структура макромолекул белков

Молекулярный уровень в организации живой материи — самый глубинный. В XX в. экспериментальная биология вышла на этот уровень. На нем начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности: дыхание, обмен веществ и энергии, кодирование и передача наследственной информации и др. На молекулярном уровне теперь исследуются и проблемы происхождения жизни, и эволюция, и механизмы преобразования энергии. На этом уровне происходят химические реакции, обеспечивающие энергией клеточный уровень.

Знание закономерностей молекулярно-генетического уровня живой материи — необходимая предпосылка понимания всех жизненных процессов. Молекулярный уровень представлен молекулами белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и стероидов. Хотя в состав живого входят 24 химических элемента, основными являются кислород (65%), углерод (18%), водород (10%) и азот (3 %). Из этих четырех элементов в основном образуются молекулы, формирующие сложные органические соединения с разным строением и функциями. На долю остальных элементов приходится 3—4 %, но они также важны для жизни. Так, хотя йода в организме всего 0,01 %, при его недостатке нарушается деятельность щитовидной железы, развиваются болезни, ограничивающие рост и развитие организма. Кроме того, в состав живого входят простые неорганические соединения — вода (в теле человека занимает 60%), соли, образованные катионами калия, натрия, магния и других металлов, а также анионами угольной, соляной, фосфорной и серной кислот.

При диссоциации их в воде появляются соответствующие катионы и анионы, обеспечивающие многие важные процессы. Биомолекулы синтезируются из таких простых молекул, как вода, окись углерода и атмосферный азот. Уникальные свойства молекул углерода и воды представлены в гл. 7 —8. В процентном отношении к сырой массе вода занимает 75 — 85 %, белки — 10 — 20 %, липиды — 1 — 5 %, углеводы — 0,2 —2 %, нуклеиновые кислоты — 1 — 2%. Такой состав живого не случаен — жизнь зародилась в океанах, и потому живые организмы построены из элементов, образующих растворимые в воде соединения.

В процессе метаболизма эти молекулы через промежуточные соединения превращаются в строительные блоки — большие макромолекулы. Большинство таких соединений в живых клетках представлены нуклеиновыми кислотами и белками, их макромолекулы — полимерами (соединения мономеров в строго определенном порядке). Мономеры имеют в одном соединении одинаковые группировки, которые соединены химическими связями.

Нуклеотиды, сахара и аминокислоты — одни из самых маленьких биомолекул. Белки существенно больше и разнообразнее. С помощью специальных приборов и методов их умеют различать, отделять друг от друга, концентрировать и изучать по отдельности. Диаметр молекулы гемоглобина человека, например, составляет 6,5 нм. Все макромолекулы универсальны, так как построены по одному плану, и уникальны, так как неповторима их структура. Например, в состав белков входят аминокислоты, расположенные в определенном порядке, что делает их уникальными и обеспечивает их специфические биологические свойства. Белки — структурные элементы живых клеток, регулирующие процессы метаболизма и играющие роль катализаторов во многих

важных процессах жизнедеятельности. Углеводы и липиды являются источниками энергии, а стероидные гормоны регулируют некоторые процессы обмена веществ.

Белки — основа жизни животных и растительных клеток. Они выполняют различные функции. В обмене веществ участвуют белки, называемые ферментами, которые могут ускорять реакции в сотни тысяч раз; известно более 1000 ферментов, и каждый из них действует сугубо избирательно — только на определенную реакцию, не затрагивая иные. Белки выполняют строительную функцию, когда входят в состав мембран и органоидов клетки. Белки, попадающие с пищей в организм, расщепляются в процессе пищеварения до аминокислот, в том числе и незаменимых, а потом при попадании в клетки вновь строятся в структуры. Движение организма обеспечивают в мышечных волокнах белки миозин и актин, транспортную — гемоглобин (доставляет кислород). Многие гормоны — тоже белки (гормон поджелудочной железы — инсулин — активизирует захват молекул глюкозы и по необходимости либо запасает их внутри клетки, либо расщепляет их). Гормоны управляют деятельностью ферментов. Есть и резервные белки, предназначенные для питания плода или для выработки защитных белков — антител. Они распознают чужеродный белок возбудителя заболеваний, связываются с ним и подавляют его активность. Белки выполняют защитную функцию, обеспечивая свертывание крови, входят в состав иммунной системы. Они служат и источниками энергии: при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж. При недостатке жиров или углеводов аминокислоты могут окислиться с выделением энергии. Огромное разнообразие живого определяется различиями в составе белков.

Белки — это сложнейшие органические соединения, состоящие из мономеров — аминокислот. В клетках и тканях — свыше 170 аминокислот, но в состав белков входят только 20 из них. Из элементов помимо углерода, кислорода, водорода и азота в некоторых белках содержится еще и сера. Белки — большие молекулы, нерегулярные полимеры, в которых аминокислоты «нанизаны, как бусинки, на нить» (их может быть до 1000). Все макромолекулы — цепи более мелких единиц, причем описать последовательность аминокислот, каждая из которых имеет свое название и обозначается одной из 20 букв алфавита, это значит и описать белок. Разные белки образуются при соединении аминокислот в разной последовательности, составить которую из 1000 по 20 можно огромным числом способов. И каждое такое распределение — определенный белок. Растения могут синтезировать все аминокислоты из более простых веществ, а животные — только часть. Оставшиеся аминокислоты, называемые «незаменимыми», организм животного должен получать с пищей.

У каждой аминокислоты есть карбоксильная группа (—СООН) и аминогруппа (—NH₂), присоединенные к одному атому углерода. К нему присоединена и одна из многих возможных белковых групп, которыми и отличаются все 20 аминокислот. Обычно это бесцветные кристаллические вещества, растворимые в воде, но не растворимые в органических растворителях. В нейтральных водных растворах они ведут себя как амфотерные соединения (проявляют свойства и кислот, и оснований) и существуют в виде биполярных ионов. Потому аминокислоты препятствуют в растворах изменению кислотности: при увеличении рН они — доноры положительных ионов водорода, при понижении — акцепторы. Каждая аминокислота характеризуется своим значением рН, при которой она электрически нейтральна (в E-поле не перемещается ни к аноду, ни к катоду). Мономеры принято обозначать какой-либо буквой латинского алфавита, поэтому полимер представляется длинным сочетанием букв.

Биополимерами являются не только белки, но и полисахариды, и нуклеиновые кислоты. Строение молекул (число и разнообразие различных звеньев, их порядок расположения) во многом определяет их свойства. При этом часто бывает, что какая-то группа мономеров периодически повторяется, такой полимер называют регулярным. Но есть и нерегулярные полимеры.

Полипептид — длинная цепь, содержащая от 100 до 300 аминокислот, связанных пептидной связью. Молекулы гемоглобина, например, состоят из четырех полипептидных цепей, включающих по 145 аминокислот каждая. Для правильного функционирования такие цепи должны быть скручены и определенным образом ориентированы в пространстве. Полимерную цепь в растворе заставляет самопроизвольно скручиваться второе начало термодинамики. Белки функционируют в водном растворе, их скрученность противодействовала бы их точности и специфичности действия, поэтому они все время флуктуируют, и в них происходят повороты вокруг разных связей. Но эта внутренняя свобода является ограниченной и структура белков строго упорядочена.

Возможные структуры белковых цепей изучили с помощью рентгеноструктурного анализа. Полинг и Корн установили, что имеется несколько устойчивых конфигураций, и прежде всего форма а-спирали. В водном растворе группы NH- и СО-пептидных связей соединяются между собой, причем первое звено цепи соединено водородной связью с пятым, а второе — с шестым и т.д., поэтому и а-спираль устойчива в водном растворе. Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот устанавливается ионная связь, между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды, — водородная связь, между атомами серы и двумя молекулами аминокислоты цистеина — ковалентная связь. Неполярные боко-

вые цепи стремятся объединиться друг с другом и не раствориться в воде, образуя гидрофобное объединение. Таким образом, при расправлении этой определенной цепи она вновь скрутится единственным, присущим только ей образом. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, получится молекула с другой структурой и другими свойствами.

Образование структуры — это уменьшение энтропии, тогда как вне белковой структуры энтропия должна скомпенсировать это локальное уменьшение и возрасти. При образовании водородной связи выделяемая энергия рассеивается. Водородная связь возникает между пептидными связями цепи: —N—Н---О—С, и она определяет вторичную структуру белка. Так, в молекуле гемоглобина четыре цепи, каждая из которых обвивается вокруг атома железа. Точное повторение ее формы в миллиардах молекул указывает упорядоченность. Кроме а-спирали, были установлены и другие устойчивые конфигурации (например, р-форма белка), их относят ко вторичной структуре белка. Не вся спираль закручивается, некоторые ее части не влезают, например пролин, и тогда структура прерывается неупорядоченными участками.

При выполнении определенных функций спираль изгибается, сворачивается и образует глобулу (третичную структуру) (рис. 11.1). При этом основную роль играет кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами частей цепи, а также установление водородной связи между пептидными группами разных частей спирали. Спираль изгибается, часть энергии выделяется в окружающее пространство, и маловероятно, чтобы эта энергия вновь вернулась. Пример тому — денатурация белка при варке яйца, когда разрушаются все возникшие структуры. При образовании глобулы важную роль играет гидрофобное взаимодействие частей цепей. Аминокислотные остатки содержат массивные углеводородные части, которые ведут себя подобно капелькам масла в воде. Образуются окружающие молекулы «ловушки», создается структура, и энтропия локально уменьшается. Естественное направление процессов оказывается таким, что маслоподобные части молекул оказываются скрытыми от воды в глубинах структур белка, а водоподобные обращаются к воде, растворителю. Так возникает подстройка специфической формы молекулы.

Изучают глобулы методами рентгеноструктурного анализа. Эти работы начал Дж. Бернал, разработавший классификацию структур белков. Если четыре белковые нити — глобулы (каждая с характерной третичной структурой) объединяются вместе, энтропия мира несколько возрастает из-за выделившейся энергии и из-за того, что гидрофобные части укрывают друг друга в глубине молекулы. Они слипаются, как капельки масла, и молекулам воды не приходится расставлять много «ловушек». За счет этого возникает и четвертичная структура. Так стремление мира к беспорядку, хаосу прижимает белковые нити друг к другу.

Итак, последние три типа структур обусловлены ростом энтропии во Вселенной и локальным уменьшением энтропии. Может быть, этим же обусловлен и первичный порядок расположения аминокислот, но при создании первичной структуры важно и образование цепи при копировании ее в результате сложных химических реакций. Они регулируются специальными белками, ферментами, а весь процесс в целом называется биосинтезом белка.

Простейшая животная клетка содержит всего 5000 различных видов белков. Одни похожи на волокна и служат материалом для клеточных стенок, перегородок и мембран; другие настолько гибки, что скручиваются в клубки, очень активны и способны перемещаться, из них состоит почти все студнеобразное пространство клеток. Это — активные глобулярные белки, которые могут участвовать в химических реакциях, обеспечивающих рост.

Оптическая активность живого была открыта Л. Пастером. Все аминокислоты, входящие в белки, оказались вращающими влево плоскость поляризации, тогда как молекулы неорганических веществ построены симметрично, а в нуклеиновых

кислотах — только правовращающие сахара. Пастер связал это с молекулярной хиральностью (от греч. cheir — рука), или асимметрией правого и левого: поскольку живое возникло из неживого, то симметричное должно потерять симметрию, что могло случиться под влиянием каких-либо космических факторов. Но эта гипотеза пока не подтверждена. Выходит, предбиологическая среда потеряла первичную симметрию. Опыты последних лет показали, что только в хирально чистых растворах могут возникнуть биологически значимое удлинение цепочки полинуклеотидов и процесс саморепликации. Живые системы организованы так, что mРНК из правых Сахаров присоединяют к себе только левые аминокислоты. Все живые системы поддерживают хиральную чистоту.