БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984
ТОМ 1
ГЛАВА 1. МОЛЕКУЛЫ И ЖИЗНЬ
1.3. Структура данной книги
Настоящая книга состоит из пяти частей, посвященных следующим основным вопросам.
I. Конформация и динамика.
II. Генерирование и хранение метаболической энергии.
III. Биосинтез предшественников макромолекул.
IV. Генетическая информация.
V. Молекулярная физиология.
Часть I посвящена главным образом описанию взаимосвязи между трехмерной структурой и биологической активностью на примере белков. Подробно рассматриваются структура и функция миоглобина и гемоглобина - белков, транспортирующих кислород у позвоночных, поскольку на этом материале можно проиллюстрировать некоторые общие принципы. Гемоглобин представляет особенно большой интерес в связи с тем, что связывание им кислорода регулируется специфическими веществами окружающей среды. Описывается также молекулярная патология гемоглобина, в частности серповидноклеточная анемия. В разделе, посвященном ферментам, мы познакомимся с тем, каким образом происходит узнавание субстрата ферментом и как фермент может увеличивать скорость реакции в миллион и более раз. Подробно описываются такие ферменты, как лизоцим, карбоксипептидаза А и химотрипсин, при изучении которых были выявлены многие общие принципы катализа. В несколько ином аспекте излагается вопрос о конформации в главе, посвященной двум белкам соединительной ткани-коллагену и эластину. Заключительная глава части I служит введением в проблему биологических мембран, представляющих собой организованные белково-липидные комплексы. Наличие мембран в биологических системах обеспечивает создание в клетке отдельных компартментов (отсеков).
Рис. 1.8. Структура фермент-субстратного комплекса. К карбоксипептидазе А (гидролитический фермент) присоединен глицилтирозин (изображен красным). Показана только одна четверть фермента. [Lipscomb W. H., Proc. Robert А. Welch Found. Conf. Chem. Res., 15, 141 (1971)]
Часть II посвящена вопросам образования и накопления энергии обмена веществ. В первую очередь рассматривается общая стратегия метаболизма. В клетках происходит превращение энергии из «топливных» молекул в АТР. Образующийся АТР в свою очередь обеспечивает протекание большинства эндергонических процессов (т.е. процессов, идущих с потреблением энергии). Наряду с АТР в клетках происходит также образование восстановительных эквивалентов в форме никотинамиддинуклеотидфосфат а (NADPH), расходуемого в процессах биосинтеза. Пути образования АТР и NADPH описываются подробно. Например, образование АТР при расщеплении глюкозы требует последовательного протекания трех процессов-гликолиза, цикла трикарбоновых кислот (называемого также лимоннокислым циклом, или циклом Кребса) и окислительного фосфорилирования. Последние два процесса участвуют также в образовании АТР при окислении других энергетических ресурсов, а именно жиров и некоторых аминокислот. Этот пример иллюстрирует принцип экономности на молекулярном уровне. В части II рассматриваются также две основные формы накопления энергетических ресурсов в клетках, а именно гликоген и триацилглицеролы (нейтральные жиры). Заключительная глава этой части книги посвящена фотосинтезу, первичная реакция которого - активированный светом перенос электрона от одного вещества к другому против градиента химического потенциала.
Рис. 1.9. Модель СDР-диацилглицерола - активированного промежуточного продукта в синтезе ряда мембранных липидов
В части III рассматривается биосинтез предшественников макромолекул. Начинается эта часть с описания синтеза мембранных липидов и стероидов. Особый интерес представляет синтез холестерола, С27!!!-стероида, все углеродные атомы которого образуются из двууглеродною предшественника. В следующей главе обсуждаются реакции, ведущие к синтезу ряда аминокислот и гема. Механизмы регуляции этих путей обмена веществ имеют фундаментальное значение. Далее рассматривается биосинтез нуклеотидов-активированных предшественников ДНК и РНК. Заключительная глава посвящена интеграции процессов обмена веществ. Из нее читатель узнает, каким образом реакции, идущие с выделением энергии, и реакции, идущие с ее потреблением, оказываются сбалансированными и обеспечивают нужды организма.
Рис. 1.10. Электронная микрофотография молекулы ДНК. (Печатается с любезного разрешения д-ра Т. Broker.)
Накопление, передача и экспрессия (выражение в фенотипе) генетической информации составляют основную тему части IV. В начале описываются эксперименты, показывающие, что ДНК является генетическим материалом, а также история открытия двойной спирали ДНК. Затем следует описание ферментативного механизма репликации ДНК. Далее мы перейдем к экспрессии генетической информации, заключенной в ДНК, начав с описания данных о роли информационной РНК как промежуточного переносчика информации. Затем рассматривается процесс транскрипции, т. е. синтез РНК в соответствии с инструкциями, заключенными в матричной ДНК. Из этого логически вытекает описание генетического кода, т.е. взаимосвязи между последовательностью оснований в ДНК (или в транскрибируемой с нее информационной РНК) и последовательностью аминокислот в соответствующем белке. Генетический код, общий для всех живых организмов, прекрасен своей простотой. Три основания составляют кодон - единицу кода, соответствующую одной аминокислоте. Кодоны в информационной РНК последовательно считываются молекулами транспортных РНК, которые выполняют роль адапторов в синтезе белка. Далее мы переходим к механизму белкового синтеза, а именно к процессу трансляции, в ходе которого четырехбуквенный алфавит нуклеиновых кислот, в котором каждая буква представлена соответствующей парой оснований, переводится в 20-буквенный алфавит белков. Трансляция происходит на рибосомах и обеспечивается координированным взаимодействием более чем сотни различных высокомолекулярных соединений. В следующей главе описывается регуляция экспрессии генов у бактерий, причем основное внимание уделяется оперонам лактозы и триптофана у Е. coli, как наиболее изученным в настоящее время. Далее обсуждаются результаты последних исследований экспрессии генов у более высокоорганизованных организмов (т.е. у эукариот), отличающихся от бактерий (прокариот) более высоким содержанием ДНК и наличием оформленного ядра, что обеспечивает дифференцировку клеток. Затем рассматриваются размножение вирусов и сборка вирусных частиц. Процесс сборки вирусных частиц иллюстрирует общие принципы образования высокоупорядоченных структур из биологических макромолекул. Особое внимание уделено вирусам, вызывающим раковые опухоли у экспериментальных животных. Заключительная глава части IV посвящена образованию новых генов путем рекомбинации, а также обсуждению вопроса о значении клонирования ДНК.
Рис. 1.11. Модель 11-цис-ретиналя-светопоглощающей структуры в родопсине. Изомеризация этого хромофора под действием света является первым этапом процесса зрительного восприятия
Часть V, озаглавленная «Молекулярная физиология», представляет собой переход от биохимии к физиологии. При изложении материала здесь используются многие из концепций, сформулированных в предыдущих разделах книги, поскольку физиологии приходится иметь дело с информацией, конформацией и процессами метаболизма в их взаимосвязи. Вначале описывается организация клеточных мембран и оболочек бактериальных клеток и выясняется вопрос, каким образом клетка определяет положение синтезируемых ею белков. Далее следует изложение молекулярных основ иммунного ответа: как организм узнает чужеродные вещества. В следующей главе речь идет о проблеме преобразования энергии химических связей в координированное движение. Как показали исследования последних лет, актин и миозин - основные белки мышц-выполняют функцию сокращения в большинстве клеток высших организмов. Далее описываются молекулярные основы действия гормонов, причем особое внимание уделяется некоторым общим темам. Затем мы переходим к транспорту молекул и ионов, в частности Nа+, К+ и Са2 +. Молекулярные ионные насосы, локализованные в мембранах, транспортируют ионы, создавая градиенты их концентрации, лежащие в основе возбудимости. В последней главе, посвященной сенсорным процессам, рассматриваются следующие вопросы: каким образом потенциал действия распространяется по нервным клеткам и проходит через синапс? Как одиночный фотон возбуждает палочку в сетчатке глаза? Каким образом бактерии определяют источник пищи в среде и движутся в направлении к нему?
Одна из наиболее привлекательных особенностей биохимии состоит в том, что эта наука постоянно расширяет наши представления о биологических процессах на всех уровнях организации живого.