Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4 - Журнал «Домашняя лаборатория»

В лекции использованы рисунки из Соросовского образовательного журнала[1].

ЛИТЕРАТУРА ПО ТЕМЕ ЛЕКЦИИ:

1. Соросовский образовательный журнал journal.issep.rssi.ru

2. Скулачев В.П. Законы биоэнергетики// СОЖ 1997, № 1, с. 9–14.

3. Скулачев В.П. Электродвигатель бактерий. // СОЖ 1998, № 9, с. 2–7.

4. Виноградов А.Д. Преобразование энергии в митохондриях // СОЖ 1999, № 9, с. 11–19.

5. Тихонов А.Н. Молекулярные преобразователи энергии.// СОЖ. 1997, № 7, с. 10–17.

6. Тихонов А.Н. Молекулярные моторы. Часть 1. Вращающиеся моторы живой клетки // СОЖ. 1999, № 6, с. 8–16

7. В.П.Скулачев Рассказы о биоэнергетике. Серия "Эврика". М. 1982.

Более подробно

1. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Р. и др. Основы биохимии. М.: Мир, 1981.

2. Скулачев В.П. Аккумуляция энергии в клетке. М.: Наука, 1969.

3. Скулачев В. П. Мембранные преобразователи энергии. М.: Высш. шк., 1989.

4. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989.

5. Алберте Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. 2-е изд. М.: Мир, 1994. Т. 1.

6. Николс Д. Д. Биоэнергетика: Введение в хемиосмотическую теорию. М.: Мир, 1985.

Строение биополимеров

ЛЕКЦИЯ № 4

Тема нашей сегодняшней лекции — биополимеры.

Для того чтобы выяснить, как устроены молекулы, образующие клетки, какова структура молекул, где они находятся в клетке, мы сначала вспомним строение клетки. Вспомнив, из чего состоит живая клетка, и какие функции выполняют те или иные органеллы, мы сможем заполнить следующую табличку. Оказывается, можно провести интересную аналогию с элементами, выполняющими схожие функции у живых организмов и государств. Выделим следующие функции:

* защиты (внешнюю и внутреннюю);

* транспортную (веществ и информации);

* обеспечение клетки энергией и веществами;

* хранение и передача информации.

За внешнюю защиту у клеток отвечает клеточная мембрана; у организмов — кожа, когти, перья, шерсть; у государств — погранвойска. Внутреннюю защиту клеткам обеспечивает система рестрикции-модификации. Для примера приведем бактериальную клетку. У нее есть специальные ферменты — рестриктазы (в пер. с англ. «ограничивать»), которые разрезают чужеродную ДНК. На собственных ДНК есть специальные химические метки, чтобы рестриктазы смогли их распознать. У организмов в качестве внутренней защиты существует иммунная система, а у государства — МВД, ФСК.

Структурные и функциональные аналогии в строении различных систем

Обеспечением энергией в животных клетках занимаются митохондрии, а в растительных — хлоропласты, в организмах — пищеварительная и дыхательная системы, в государстве же — организации типа Газпрома и АЭС. Обеспечение клетки веществами идет благодаря трансмембранным каналам, лизосомам, в организме — пищеварительной системе, а в государстве — сельскохозяйственной и др. промышленности.

Хранение и воспроизведение информации на клеточном уровне идет в ядре посредством ДНК, в организме эту функцию имеет мозг, центральная нервная система, в стране — школы, библиотеки, культура, искусство.

Транспортируются вещества в клетке благодаря эндоплазматической сети, в организме — желудочно-кишечному тракту, дыхательной системе, крови; в стране — нефте- и газопроводам, транспорту. Что же касается передачи информации, то в клетке этим занимается матричная РНК; в организме — нервы и гормоны (нервногуморальная система). Причем хочется отметить, что нервную систему можно сравнить с адресной доставкой (человек может получить письмо лично, и никто больше об этом не узнает), то есть по нервам можно доставить информацию очень точно к определенной мышце или определенному органу. А гормональную систему можно сравнить со СМИ, то есть она работает как система всеобщего оповещения. В государстве за информацию отвечают почта, телефонная сеть, Интернет и др.

Мы провели аналогию с хорошо известными вам системами (организм и государство), чтобы иметь более абстрактное представление о строении клетки.

В таблице добавлены индийские касты. Касты возникли, как структуры, фиксирующие функциональные особенности разных слоев населения. Кшатрии (воины) выполняют функции защиты; шудры (торговцы и ремесленники) — обеспечения питанием и энергией; брахманы (жрецы) — хранения и воспроизведения информации, вайшьи (торговцы) — транспорт вещества и информации.

Далее мы переходим к изучению веществ, из которых состоит клетка, и будем говорить о связи структур и функций этих веществ.

Этот раздел есть во всех учебниках биохимии. Он есть в нашем основном учебнике Макеева, а также в учебнике Грина, Стаута, Тейлора; для более фундаментального изучения структуры биомолекул, составляющих клетку можно использовать учебник биохимии Месслера.

Рекомендуемая литература:

1. А.В.Макеев. Основы биологии, лекция 1: Атомный и молекулярный состав живых организмов, стр. 5-30

Для более подробного изучения:

1. Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор. Биология, том. 1, глава 5: Химические компоненты живого (стр. 151–194)

2. Д. Месслер. Биохимия, том. 1, глава 2: Молекулы, из которых мы состоим (стр. 67-199).

Основные атомы, составляющие живую клетку — это углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Конечно, в полимерах присутствуют и другие вещества (например, сера), но сейчас мы рассмотрим комбинации этих пяти элементов. Как вы знаете, образование биополимеров возможно благодаря тому, что углерод четырехвалентен, способен образовывать 4 связи, и атомы углерода, связываясь друг с другом, могут образовывать длинные цепочки, состоящие из десятков атомов. Мы расскажем о четырех видах биополимеров: белках, нуклеиновых кислотах, липидах и углеводах; как они устроены и чем занимаются.

Белки

Начнем с белков. Белки состоят из мономеров — аминокислот. Каждая аминокислота имеет аминогруппу, связанную с атомом углерода, с этим же атомом связана карбоксильная группа, водород и аминокислотный остаток. Такая конфигурация присутствует во всех аминокислотах. Аминогруппа может быть присоединена к первому за карбоксильной группой атому углерода, или ко второму атому и т. д. Атомы нумеруются греческими буквами, и в зависимости от того, к какому по порядку атому присоединена аминокислота, ее называют альфа-аминокислота, или бета-аминокислота и т. д. В состав белков входят только альфа-аминокислоты.

Напомним, что карбоксильная группа имеет кислотный характер, она диссоциирует на ионы в водном растворе с образованием протона и отрицательно заряженной группы COO, a NH2-rpynna имеет основной характер, она способна присоединять протон водорода, становясь положительно заряженной. В молекуле аминокислоты протон от карбоксильной группы может переносится на аминогруппу — такие образования называются цвиттер-ионы. В растворе аминокислоты находятся в виде цвиттер-ионов.

Существенно, что молекулы аминокислот могут отличаться в своей пространственной конфигурации. Это явление называется стереизомерией. Эти молекулы называются D-изомерами и L-изомерами. Молекулы являются зеркальным отображением друг друга, и иначе, чем через четвертое измерение они одна в другую перейти не могут. На плоскости тот атом, который находится ближе, перед плоско о.