СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМОЛЕКУЛ - А. Е. Земляков - 2017

01. БИОМОЛЕКУЛЫ. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

Органические соединения, входящие в состав живого, очень сложны и многообразны. Даже простейшие одноклеточные существа состоят из огромного количества типов разных молекул. Многие из этих молекул выполняют определенные биологические функции. Такие молекулы часто называют биомолекулами. Например, бактерия кишечной палочки (Escherichia coli или сокращенно E. coli) в своем составе содержит около 5000 различных органических соединений, в том числе, примерно 3000 белков, 1000 нуклеиновых кислот, около 50 моносахаридов и 40 липидных компонент.

Все биомолекулы, в конечном счете, образуются из простых неорганических соединений (азот, углекислый газ, вода), получаемых из внешней среды. Из этих предшественников синтезируются промежуточные органические молекулы, из которых получаются мономерные блоки. Последние объединяются в макромолекулы (биополимеры), а затем в надмолекулярные комплексы. В клетке можно выделить несколько «этажей», характеризуемых степенью возрастания сложности (см. схему).

На границе таких многогранных наук как химия и биология с развитием естествознания возникло большое количество новых научных дисциплин, изучающих биомолекулы. К ним, в частности, относятся биохимия, химия природных соединений, молекулярная биология, биоорганическая химия. Многие объекты живой природы изучаются сразу несколькими науками.

• Биоорганическая химия - наука о строении и биологической функции важнейших компонентов живой природы. Главное внимание уделяется установлением закономерностей меду строением и биологическим действием.

Основные объекты, изучаемые биоорганической химией, обычно условно подразделяют на две большие группы:

♦ биополимеры, к которым относят белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, смешанные биополимеры; и

♦ низкомолекулярные биорегуляторы, например, алкалоиды, антибиотики, витамины, лекарственные препараты, пестициды, феромоны и др. группы биологически активных соединений.

К биополимерам часто относят и липиды, образующие липидные агрегаты, поведение которых близко к поведению высокомолекулярных соединений.

Главные задачи, которые решает биоорганическая химия:

- выделение веществ в индивидуальном виде;

- установление строения;

- химический синтез и химическая модификация;

- исследование биологической активности в тестах in vitro и in vivo.

• Биохимия - наука о составе и преобразованиях, претерпеваемых в жизненных процессах, соединений, образующих живую материю. Выделяют три раздела биохимии:

■ статическая биохимия - изучает состав и строение соединений, содержащихся в биологических объектах;

■ динамическая биохимия - исследует происходящие в процессе жизнедеятельности превращения химических соединений во взаимосвязи с энергетическими изменениями;

■ функциональная биохимия - устанавливает взаимосвязи между строением органических веществ, их изменением в результате биохимических процессов и функцией тканей и органов.

Основные элементы структуры клетки

❖ Классификация клеток.

♦ По организации клетки делят на высшие (эукариоты) и низшие (прокариоты).

♦ По форме получения углерода из окружающей среды: автотрофные клетки («сами себя питающие») - способны усваивать диоксид углерода, и гетеротрофные клетки («питающиеся за счет других») - получают углерод в виде органических соединений.

♦ По отношению к источникам энергии: фототрофные клетки - используют в качестве источника энергии свет, и хемотрофные клетки - получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций.

❖ Эукариоты - высшие, хромосомные клетки. К ним относятся простейшие, микроскопические водоросли, грибы, растительные и животные клетки. Типичная клетка имеет размер ~20 мкм. Она окружена белково-липидной плазматической мембраной. Внутренняя часть заполнена цитоплазматической жидкостью - структурированной коллоидной системой, содержащей ферменты, питательные вещества, макромолекулы, мелкие клеточные компоненты.

Схема строения эукариотной клетки

В структуре эукариот выделяют ряд клеточных органелл:

✵ Ядро. Диаметр ~5 мкм, окружено мембраной, имеющей поры. Содержит основную массу клеточной ДНК (до 95%) в виде хроматина, который перед делением упаковывается в хромосомы.

✵ Ядрышко включает основную часть ядерной РНК.

✵ Митохондрии - органеллы эллипсоидной формы длиной до ~3 мкм. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя часть в многочисленных складках - кристах. Главная функция - генерирование и транспорт внутриклеточной энергии в виде молекул АТР. В разных клетках содержится разное количество митохондрий - от 10 у дрожжей до нескольких сот в клетках животных.

✵ Лизосомы - цитоплазматические тельца диаметром 0,25-0,5 мкм, окруженные мембраной. Содержат основную часть гидролитических ферментов. Основная функция - внутриклеточное переваривание.

✵ Пероксисомы - органеллы подобные лизосомам (диаметр 0,2-0,5 мкм). Содержат ферменты, генерирующие и разрушающие пероксид водорода.

✵ Эндоплазматическая сеть - сложная мембранная система, распространяющаяся от ядра до клеточной мембраны. В ней закреплено большое количество рибосом. Осуществляет биосинтез белков и их гликозилирование, а также липидов, полисахаридов, стероидов и др. молекул. В ряде клеток она тесно связана с комплексом Гольджи - комплекс мембран, в котором осуществляется концентрирование и транспорт биополимеров.

✵ Цитоскелет представляет собой сложную динамическую систему, обеспечивающую как форму клетки, закрепление органелл, так и протекание биохимических реакций. Основными компонентами являются филаменты, образованные белком актином, промежуточные филаменты, сформированные молекулами кератина, и состоящие из тубулиновых белков микротрубочки.

Структурной единицей филаментов являются молекулы актина (молекулярная масса ~42 кДа). В мономерном состоянии она связана с молекулой АТР. В присутствии ионов Mg²⁺ происходит самосборка двухцепочечной белковой макромолекулы, сопровождаемая переходом АТР в ADP (аналогично «GTP/GDP-переключателю»).

Белковые единицы тубулина состоят из двух субъединиц с молекулярной массой 50-55 кДа. Каждая из субъединиц содержит молекулу GTP. При гидролизе молекулы нуклеотида, входящей в β-субъединицу, до GDP димер тубулина приобретает способность за счет невалентных взаимодействий легко образовывать супрамолекулярную структуру. В свою очередь микротрубочки в определенных условиях способны быстро деполимеризоваться.

Цитотоксическая активность ряда противоопухолевых препаратов связано с их воздействием на тубулин. Так алкалоиды колхамин и винбластин блокируют способность тубулинового димера формировать микротрубочку, а дитерпеноид таксол ингибирует процесс деполимеризации.

✵ Клеточная мембрана - двойная липидно-белковая мембрана толщиной до 8 нм. Она обеспечивает целостность клетки, участвует в процессах мембранного транспорта, межклеточного узнавания, адгезии и рецепции.

❖ Прокариоты - низшие, безхромосомные клетки. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Значительно меньше по размерам, чем эукариоты. Их диаметр 0,2-1 мкм, длина 0,3-5 мкм.

По сравнению с эукариотами имеют более простое строение: нет ядра, эндоплазматической сети, практически нет митохондрий. Нуклеоид прокариот не имеет мембраны, обычно представлен в виде одной кольцевой ДНК. Рибосомы располагаются на клеточной мембране.

Большинство бактерий поверх мембраны имеют дополнительную оболочку в виде клеточной стенки и капсулы, что обеспечивает большую защиту клетки. По строению внешней оболочки различают грамположительные (Гр⁺) и грамотрицательные (Гр^-) бактерии. Такое деление связано с тем, что одни бактерии окрашивается по методу, предложенному в 1884 г. датским врачом Х. Грамом, а другие - нет.

✵ Грамположительные бактерии имеют однослойную клеточную стенку толщиной 20-100 нм. Главные компоненты стенки: пептидогликан (50-80%) и тейхоевые кислоты (до 50%). Клеточная стенка практически не содержит липидов. Образуют экзотоксины. В клеточной стенке имеются поры диаметром 1-6 нм, через которые возможен транспорт ряда молекул.

✵ Грамотрицательные бактерии. Клеточная стенка двухслойная: ригидный слой из пептидогликана толщиной 2-3 нм и внешний слой со второй неоднородной липидной мембраной общей толщиной 8-10 нм. В клеточной стенке мало пептидогликана (5-10%) и обычно нет тейхоевых кислот.

Между наружной и цитоплазматической мембранами находится периплазматическое пространство, содержащее ферменты и другие биомолекулы. Внешняя мембрана содержит белки порины, образующие поры для прохождения веществ (сахара, аминокислоты, пептиды), а также липополисахариды, в том числе, выполняющие функцию эндотоксинов.

✵ Капсулы бактерий. Капсульная защита оболочки характерна для большинства бактерий. Она обеспечивает защиту от внешних факторов, маскировку. Например, капсула Yersinia pestis имеет антигены родственные I группе крови, что позволяет защититься от иммунной системы. Капсульные структуры обладают антигенными свойствами (К-антигены). У отдельных бактерий именно капсулы обеспечивают серологическую специфичность и вирулентность.

Различают микрокапсулы толщиной до 0,2 мкм, макрокапсулы - более 0,2 мкм и слизистый слой - толщина много больше диаметра бактерии.

По химической природе капсулы подразделяют на полисахаридные и полисахарид-полипептидные.

✵ L-формы бактерий. Под действием антибиотиков, например, пенициллина, бактерия полностью или частично лишается пептидогликанов, что приводит к резкому увеличению размеров (до 50 мкм). У болезнетворных бактерий патогенные свойства приобретают новое качество - уменьшается смертность, но увеличивается устойчивость к лекарствам. Заболевания приобретают хронический характер.

• Автотрофы и гетеротрофы. В отличие от автотрофных клеток, которые способны усваивать из окружающей среды углерод в виде углекислого газа, гетеротрофные клетки не способны усваивать СО₂ и получают углерод в виде сложных восстановленных (по отношению к диоксиду углерода) органических соединений, например, глюкозы. Автотрофы сами себя обеспечивают питанием, а гетеротрофы питаются продуктами жизнедеятельности других клеток. Все фотосинтезирующие клетки и некоторые бактерии относятся к автотрофам, тогда как большинство микроорганизмов и клетки высших животных - гетеротрофы.

❖ Фототрофы и хемотрофы. К фототрофам относят клетки растений, пурпурные бактерии, сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и зеленые водоросли. Все эти клетки получают энергию за счет солнца.

Хемотрофы, в зависимости от природы доноров электронов, которые они используют для получения энергии, подразделяют на:

■ органотрофы (эукариоты, нефототрофные прокариоты), у которых донорами электронов могут служить сложные органические молекулы (например, глюкоза), и

■ литотрофы (от греч. «литое» - камень), использующие в качестве доноров электронов молекулярный водород, серу или другие простые неорганические соединения (например, сероводород и аммиак). Например, на большой глубине Мексиканского залива в бескислородных слоях найдены гигантские серобактерии Thiomargarita (размер 0,1 - 0,75 мм), в основе энергетики которых лежит окисление сероводорода.

Хемоорганотрофы (иначе называемые гетеротрофами), делятся на два больших класса:

♦ аэробные клетки используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород, а

♦ анаэробные клетки - другие вещества.

Некоторые клетки могут существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Такие клетки называются факультативными анаэробами. А те анаэробные клетки, которые не способны использовать кислород и для которых кислород препятствует развитию, называют облигатными анаэробами.

Для некоторых организмов не все клетки относятся к одному и тому же классу. Например, у высших растений зеленые (содержащие хлорофилл) клетки являются автотрофами, существующими за счет фотосинтеза, тогда как клетки корня - гетеротрофы. Более того, на свету почти все клетки зеленого листа ведут себя как автотрофы, а в темноте - как гетеротрофы.