Органические вещества клетки: белки и нуклеиновые кислоты

Белки — органические вещества клетки наряду с другими. Их молекулы являются полимерами — сложными веществами, которые складываются из более простых. Мономеры белков (из которых они образуются) — это аминокислоты.

Все аминокислоты имеют в составе аминогруппу (NH₂), карбоксильную группу (СООН) и радикал (R, ту группу, которая отличает конкретную аминокислоту от всех других).

Белки живых организмов состоят из 20 разновидностей аминокислот. По характеру поступления в организм они подразделяются на заменимые и незаменимые.

Заменимые аминокислоты организм человека (или животных) может синтезировать самостоятельно. Незаменимые аминокислоты — нет, они попадают в организм при питании.

Поэтому в питании белки подразделяют на полноценные, которые содержат все незаменимые аминокислоты (чаще животного происхождения) и неполноценные, которые не содержат каких-то аминокислот (растительного происхождения).

Молекула белка имеет сложную организацию:

1. Первичная структура белка (полипептид): цепочка аминокислот, соединённых пептидными связями. Она определяет, какие химические свойства будут у белка и какие структуры других уровней из него образуются.
2. Вторичная структура: спираль из цепочки первичной структуры, витки которой соединены водородными связями.
3. Третичная структура: глобула, в которую сворачивается вторичная структура за счёт дисульфидных, ионных и гидрофобных связей. Глобулярные белки растворимы в воде, к ним относят ферменты, антитела и многие другие.
4. Четвертичная структура: надмолекулярный комплекс из нескольких глобул и часто ионов металлов. Например, гемоглобин крови содержит ионы железа, хлорофилл растений — ионы магния.

Под воздействием внешних факторов (высокая температура, кислоты, щелочи, радиация, УФ-излучение) происходит денатурация белка – разрушение структуры с потерей его свойств и функций.

Если воздействие было незначительным и первичная структура не распалась, возможна ренатурация — восстановление структуры белка.

Если воздействие было сильным, происходит необратимая денатурация — деструкция, разрушение первичной структуры на аминокислоты.

Функции белков в клетке и организме:

• Ферментативная: белки-ферменты – это биологические катализаторы, которые ускоряют все химические реакции в клетках. Каждый фермент ускоряет только одну реакцию и работает в строго определённом диапазоне температуры и рН-среды. Без ферментов протекание большей части реакций невозможно. Некоторые ферменты состоят не только из белков, но ещё включают небелковые компоненты — коферменты или кофакторы, в роли которых выступают витамины или ионы металлов. Именно поэтому нам (и всем другим живым организмам) нужны витамины — они обеспечивают правильное протекание реакций обмена веществ.
• Строительная: белки образуют мышцы (актин и миозин), ткани и органы (коллаген и эластин), волосы, ногти, когти и шерсть (кератин).
• Защитная: белки-антитела обеспечивают иммунитет к инфекционным заболеваниям, а белки плазмы крови протромбин и фибриноген помогают защитить организм от потери крови, участвуя в образовании тромба.
• Двигательная: белки актин и миозин помогают мышцам сокращаться, а животным двигаться.
• Транспортная: специализированные белки переносят вещества по организму: гемоглобин — кислород по кровеносным сосудам, миоглобин — кислород по мышечным волокнам, глобулины крови — липиды и гормоны. Транспортные белки мембраны обеспечивают транспорт веществ внутрь клетки и наружу.
• Регуляторная: некоторые гормоны, регулирующие работу организма, являются белками (инсулин, соматотропин).

Нуклеиновые кислоты также являются полимерами, только их мономеры — не аминокислоты, а нуклеотиды, которые имеют в составе азотистое основание, пятиуглеродный сахар и остаток фосфорной кислоты.

В состав нуклеотидов могут входить 5 видов азотистых оснований. Аденин, гуанин и цитозин входят во все нуклеотиды, тимин — только в нуклеотиды ДНК, а урацил — только в нуклеотиды РНК.

Сахар в нуклеотиде может быть представлен:

• рибозой – такая молекула будет называться рибонуклеиновой кислотой (РНК);
• дезоксирибозой – такую молекулу мы назовём дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК).

Подробнее об АТФ и её значении можешь прочесть в главе «Метаболизм».

ДНК

ДНК — это две спиралевидно закрученные цепочки нуклеотидов, которые присоединяются друг к другу фосфодиэфирными связями, а цепочки соединяются между собой посредством водородных связей между азотистыми основаниями: аденин одной цепи образует две связи с тимином из соседней цепи, а цитозин образует три связи с гуанином (это называется принципом комплементарности).

Сложная форма обеспечивает молекуле ДНК стабильность, которая крайне важна, чтобы надёжно хранить наследственную информацию, содержащуюся в ней. Складываясь множество раз, сворачиваясь в спирали и обвиваясь вокруг специальных белков – гистонов, молекула ДНК образует хромосому.

РНК

РНК — это одна цепочка нуклеотидов, соединённых фосфодиэфирными связями. Тимина в её нуклеотидах заменяет основание урацил, а вместо сахара дезоксирибозы — рибоза.

РНК может быть информационной, транспортной и рибосомальной:

• информационная РНК – длинная линейная молекула, которая копирует информацию о составе белков из молекулы ДНК и переносит её на рибосомы, где эти белки синтезируются;

• транспортная РНК – самая мелкая молекула РНК, которая присоединяет к себе аминокислоты и переносит их на рибосомы как строительный материал для синтеза;

• рибосомальная РНК – самая многочисленная молекула РНК (иногда более 80% всех РНК клетки), образует рибосомы, на которых происходит синтез белка.

Подробнее о том, как происходит синтез, ты можешь прочесть в главе «Пластический обмен: биосинтез белка».

Нуклеиновые кислоты выполняют в клетках и организмах 2 функции:

• хранят и передают наследственную информацию;
• регулируют синтеза белка в клетках.