evan_gcrm (evan_gcrm) wrote,
evan_gcrm
evan_gcrm

Category:

Введение в биологию. Часть №6

Оригинал взят у caenogenesis



Введение в биологию (начало)
Введение в биологию. Часть №1
Введение в биологию. Часть №2
Введение в биологию. Часть №3
Введение в биологию. Часть №4
Введение в биологию. Часть №5


Тема VII
НУКЛЕОТИДЫ


Вспомним, как устроена молекула бензола.
Шесть атомов углерода замкнуты в кольцо, половина связей в котором - двойные; свободные валентности, как и всегда, по умолчанию заняты атомами водорода. Именно эта молекула напомнила Фридриху Августу Кекуле кольцо из переплетающихся змей. А теперь сделаем новый для нас шаг. Заменим в бензольном кольце два атома углерода (любые, но не соседние, а расположенные через один) на атомы азота.


У нас получится следующая структура:



Перед нами шестичленный цикл с двойными связями, в двух из шести узлов которого вместо углерода стоит азот. Эта молекула называется пиримидином. Слева - полная графическая формула, в центре - сокращенная, а справа показана принятая для пиримидина и всех его производных нумерация атомов. Запоминать ее не надо, но знать, что она в принципе существует, полезно.



Присоединив к пиримидиновому ядру две гидроксильные группы (-OH), мы получим соединение, которая называется урацил. Формально говоря, это спирт, хотя и очень своеобразный. Однако у урацила есть одно интересное свойство: он может легко изомеризоваться, превращаясь из спирта в кетон. Расположение двойных связей при этом меняется, но молекула все равно остается урацилом. На картинке кето-форма урацила показана в двух изображениях - полном и сокращенном. Последнее, конечно, используют чаще, ведь расположение атомов углерода и водорода из такой формулы все равно однозначно выводится.



А вот еще два производных пиримидина. Тимин - модификация урацила, отличающаяся от него одной-единственной присоединенной метильной группой (-CH3). Цитозин тоже можно вывести из урацила, если "вместо" одной из гидроксильных групп присоединить аминогруппу (-NH2). Собирательно молекулы такого типа называют азотистыми основаниями, потому что входящий в них азот проявляет основные свойства (примерно как в той же аминогруппе). Само по себе это для нас особого значения не имеет - просто объясняет, откуда взялось название. Урацил, тимин и цитозин суть пиримидиновые азотистые основания. Все они могут существовать как в спиртовой форме, так и в кето-форме.



Более сложная молекула, где к пиримидиновому шестичленному циклу добавлено еще одно кольцо - пятичленное, с двумя атомами азота. Такое соединение называется пурином. Левая и правая формулы тут отличаются только тем, что справа проставлена нумерация атомов углерода - не для запоминания, а просто для ориентировки. Формулы сокращенные: на самом деле их и воспринимать легче, вырисовывать каждый атом тут уже совсем не надо. К пуринам относится довольно много интересных субстанций - например, мочевая кислота (один из конечных продуктов распада белков) и кофеин (популярное биологически активное вещество, которое содержится в некоторых растениях и возбуждающе действует на нервную систему).

пурины.png

Важнейшие для нас сейчас производные пурина - аденин и гуанин. В аденине к шестичленному кольцу присоединена одна аминогруппа. В гуанине при шестичленном кольце тоже есть аминогруппа (в другом месте), а еще есть гидроксильная группа, которая после изомеризации превращается в кетогруппу.



Итоговая картинка - все пять азотистых оснований, которые нужно знать для того, чтобы понимать биологию: аденин, гуанин (пуриновые), цитозин, урацил, тимин (пиримидиновые). Все они изображены в кето-форме, потому что - это важнейший биохимический факт - именно в таком виде азотистые основания практически всегда существуют в физиологических условиях. Дальше мы только с кето-формами и будем иметь дело, а о спиртовых временно забудем. Сказанное относится ко всем азотистым основаниям, кроме аденина, у которого никаких спиртовых и кето-форм просто нет.

Пять азотистых оснований, с которыми мы познакомились - с биологической точки зрения главные. Не секрет, что они используются земными живыми организмами для хранения и передачи генетической информации; как именно это происходит, мы пока "не знаем", хотя уже довольно скоро узнаем. Но почему участниками информационных процессов оказались именно эти пять оснований, а не какие-то другие родственные им? Ведь разных азотистых оснований, и пиримидиновых и пуриновых, можно придумать очень много.

Ответ на этот вопрос надо, как всегда, искать в прошлом, причем в данном случае в очень далеком прошлом. Сейчас точно известно, что биохимическая эволюция азотистых оснований началась задолго до возникновения жизни, а скорее всего, даже до возникновения Земли. Тут дело обстоит точно так же, как и с аминокислотами. В большинстве углеродсодержащих (так называемых углистых) метеоритов при тщательном химическом анализе были найдены азотистые основания. В общей сложности их там не меньше десятка, и по структуре молекул они довольно разнообразны (Callahan et al., 2011).



Эта картинка - всего лишь пример. На ней показан возможный путь синтеза двух весьма экзотичных азотистых оснований - 2,6-диаминопурина и 6,8-диаминопурина. Оба их можно получить, добавив к аденину еще одну аминогруппу (в разных местах); кстати, именно тут нам пригодятся знания о нумерации атомов углерода в пуриновом двойном кольце - с их помощью можно сразу понять сложные химические названия. Главное же здесь вот что. Ни 2,6-диаминопурин, ни 6,8-диаминопурин практически не встречаются в земных живых организмах, а вот в углистых метеоритах они обнаруживаются легко. Причем их присутствие там никак нельзя объяснить биогенным загрязнением метеорита, уже упавшего на Землю, потому что на Земле этих соединений просто нет. Это - остатки добиологического разнообразия сложных молекул, которые синтезировались на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Углистые метеориты, никогда не входившие в состав планет, служат "заповедниками" этого разнообразия, точно так же, как и в случае с аминокислотами. Разных азотистых оснований там могли быть десятки.
При возникновении жизни азотистые основания, так же как и аминокислоты, подверглись процессу, подобному естественному отбору. Одни основания оказались удачными и вошли в состав живых систем, а другие - большинство - были "отбракованы" и в состав живых систем не вошли. В итоге начальное высокое химическое разнообразие свелось к нескольким соединениям, с которыми мы сейчас в основном и имеем дело. Выбор не был случайным: предполагается, например, что одним из критериев была устойчивость оснований к ультрафиолетовому излучению Солнца, которое на древней Земле было для живых организмов серьезным фактором риска. Одна из работ, написанных на эту тему, прямо так и озаглавлена - "Выживание наиболее приспособленных до начала жизни" (Mulkidjanian et al., 2003). Естественный отбор не является уникальным свойством живых систем - он предшествовал возникновению земной жизни, а скорее всего, в большой степени ее и создал.



Соединение, состоящее из остатков азотистого основания и сахара, называется нуклеозидом. Сахаром, входящим в нуклеозиды, по умолчанию является рибоза, но иногда - дезоксирибоза (как мы помним, они отличаются друг от друга всего на один атом кислорода). Азотистое основание соединяется с рибозой через 1'-углерод, от которого отщепляется гидроксил (сиречь группа -OH). Одновременно от одного из атомов азота, входящих в основание, отщепляется водород (-H), в результате выделяется вода (H-O-H), а между азотистым основанием и сахаром замыкается ковалентная связь. Так и образуется нуклеозид. Названия нуклеозидов являются производными от названий входящих в них азотистых оснований. Пять интересующих нас сейчас нуклеозидов - уридин, тимидин, цитидин, аденозин, гуанозин. Если в качестве сахара в данный нуклеозид входит не рибоза, а дезоксирибоза, то к его названию прибавляется приставка "дезокси-" (но иногда ее опускают, если по контексту и так понятно, о чем идет речь). На картинке для примера показано четыре нуклеозида, все остальные устроены по их образцу.

Теперь мы наконец знаем, почему, собственно, атомы углерода в составе рибозы и дезоксирибозы обозначаются не просто цифрами, а цифрами со штрихами. Дело как раз в том, что именно эти сахара обычно входят в состав нуклеозидов. А в любом нуклеозиде есть еще и азотистое основание, атомы которого имеют свою собственную нумерацию. Штрихи нужны, чтобы никто не спутал номера атомов сахара с номерами атомов азотистого основания.



Аденозин - очень распространенный нуклеозид, интересный, в частности, тем, что является одним из нейротрансмиттеров, то есть веществ, передающих сигналы между нервными клетками. Именно на рецепторы аденозина действует кофеин - вещество, относящееся к пуринам, то есть к той же группе соединений, что и входящий в состав аденозина аденин (последний на формуле обведен красным).



Строго говоря, кофеин является блокатором аденозиновых рецепторов, то есть интегральных белков, которые сидят в наружной мембране нервной клетки и узнают молекулы аденозина по принципу ключа и замка - примерно так же, как ферменты узнают свой субстрат. Молекула кофеина связывается с тем же участком белка-рецептора, с которым должен связаться адениновый остаток аденозина, и "застревает" в нем, после чего никакой аденозин уже не может туда войти. Это очень похоже на явление конкурентного ингибирования ферментов, которое мы уже обсуждали. Аденозин как сигнальное вещество обладает преимущественно тормозным (попросту говоря, "успокаивающим") действием на нервные клетки, поэтому блокирование его эффекта кофеином вызывает, наоборот, возбуждение.



Теперь отвлечемся на время от нуклеозидов и введем одно важное понятие, с которым мы в общем-то уже знакомы. Существует химическая реакция под названием фосфорилирование - присоединение фосфата к любому соединению, в котором есть гидроксильная группа, с образованием сложного эфира фосфорной кислоты (см. картинку). Мы уже сталкивались с этой реакцией, когда говорили о фосфолипидах - там фосфорилированию подвергался глицерин. На самом деле объектами фосфорилирования могут быть самые разные молекулы, имеющие гидроксильные группы: белки (особенно такие, где есть серин, треонин или тирозин - фосфат присоединяется именно к этим аминокислотным остаткам), спирты (например, тот же глицерин) и сахара, благо уж в них-то гидроксильных групп сколько угодно. Фосфорилирование - это универсальный биохимический "оператор", способный предсказуемо менять свойства самых разных молекул, начиная с белков. Есть специальная большая группа ферментов, занимающихся только фосфорилированием - они называются киназами.

В картинке, которая здесь иллюстрирует понятие фосфорилирования, есть несколько намеренных упрощений. Во-первых, фосфорная кислота показана в неионизированном виде - так удобнее рисовать реакцию, но надо иметь в виду, что на самом деле фосфорная кислота в водном растворе всегда диссоциирует, то есть отдает протоны. Во-вторых, при реальном фосфорилировании, происходящем в живой клетке, остаток фосфата не приходит в свободном виде из раствора, а передается от специального переносчика. Так что приведенная схема - предельно идеализированная, но сейчас нам такая как раз подойдет.



Нуклеозид, фосфорилированный по сахару, называется нуклеотидом. Фосфорилирование нуклеозидов, как правило, происходит по 5-му атому углерода сахара, через присоединенную к этому атому гидроксильную группу. Для простоты часто говорят, что нуклеотид - это молекула, состоящая из остатков пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы), азотистого основания и фосфата. Правило образования названий нуклеотидов таково: название нуклеотида = название нуклеозида + числительное + фосфат. Числительное нужно обязательно, потому что к фосфату могут присоединяться еще фосфаты, как бы последовательно фосфорилирующие друг друга - всего их бывает до трех штук. Если фосфат один, то числительное "моно", если два - "ди", если три - соответственно, "три". Кроме того, если входящий в состав нуклеотида сахар - не рибоза, а дезоксирибоза, то ко всему названию добавляется приставка "дезокси". Зная эти правила, нетрудно понять, что нуклеотид, изображенный для примера на картинке, называется уридинмонофосфат (УМФ). Названия всех остальных нуклеотидов образуются по такому же принципу.



Один из самых интересных нуклеотидов - аденозинтрифосфат (АТФ). Иногда его называют аденозинтрифосфорной кислотой, но название "АТФ" используется чаще. В растворе, заполняющем клетку, АТФ находится в диссоциированном виде, так что фактически это не кислота, а соль.
АТФ может распадаться с участием воды на аденозиндифосфат (АДФ) и обычную фосфорную кислоту. При этом высвобождается относительно много энергии, которая может быть использована для любых внутриклеточных процессов, таких, например, как синтез полимеров, транспорт или мышечное сокращение. При превращении АДФ в АТФ энергия, наоборот, запасается в виде последнего. АТФ - основная “энергетическая валюта” клетки. Тут, правда, надо заметить, что основная - не значит единственная; источниками энергии могут быть и другие нуклеозидтрифосфаты, а могут быть и не только они. Но, во всяком случае, АТФ как источник энергии для живых клеток очень важен.



Примерно так выглядит схема оборота АТФ в живой клетке. Фермент, превращающий АДФ в АТФ и тем самым запасающий в молекуле АТФ энергию, называется АТФ-синтазой. Фермент, расщепляющий АТФ до АДФ и использующий высвобожденную энергию для какой-нибудь работы, называется АТФазой. Эти названия ни в коем случае не надо путать - они относятся к строго противоположным процессам. За сутки в организме человека синтезируется, по разным подсчетам, от 40 до 75 килограммов химически чистого АТФ, но он не накапливается, а почти сразу расщепляется обратно до АДФ, расходуясь в качестве "топлива". Как запасное вещество АТФ не используется - его неудобно хранить. Среднее время жизни отдельно взятой молекулы АТФ - меньше одной минуты.



Вот еще одно изображение молекулы АТФ, отличающееся от предыдущего двумя деталями. Во-первых, тут показана ионизация фосфатов. Это отнюдь не является каким-то формальным уточнением ради уточнения: для физиологии клетки на самом деле очень важен тот факт, что многие молекулы, участвующие в обмене веществ, в растворе заряжены именно отрицательно (а не положительно). АТФ - яркий пример такой молекулы. Во-вторых, некоторые связи в молекуле АТФ тут обозначены не прямой черточкой, а волнистой (~). Это - предложенное Фрицем Липманом (Fritz Albert Lipmann) обозначение тех ковалентных связей, при разрыве которых, собственно, и выделяется большая по биохимическим меркам энергия. Такие связи называются высокоэнергетическими или макроэргическими.



Фермент аденилатциклаза может превратить АТФ в еще одно интересное соединение - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), где один и тот же фосфат связан сразу с двумя гидроксилами рибозы (3-м и 5-м). Ни для переноса энергии, ни для построения каких-либо более сложных соединений цАМФ не годится. Зато это важная сигнальная молекула, служащая посредником при передаче информации внутри клеток, а иногда и между клетками.


Tags: Здоровье, Мироустройство, Мнение, Наука
Subscribe
promo evan_gcrm march 28, 2018 19:35 141
Buy for 30 tokens
Основополагающим элементом, основным двигателем всей жизни, является репликатор. Скопированная информация - это и есть «репликатор». На Земле первый репликатор довольно бесспорный - это гены, или информация, закодированная в молекулах ДНК. Точнее это первый репликатор, о котором мы знаем.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments