§ 57 Соединения, необходимые для существования жизни: нуклеиновые кислоты, полисахариды
Без полимеров невозможно представить себе существование жизни в любых её проявлениях. Прежде чем на Земле появилась жизнь, на ней образовались биополимеры, т. е. полимеры, входящие в состав клеток и обеспечивающие их существование. Биополимерами являются нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Однако не следует забывать, что жизнь на Земле зародилась в водной среде, богатой минеральными солями. Именно уникальные свойства воды позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас[13].
Нуклеиновые кислоты
Существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислота. В дальнейшем мы подробно расскажем о функциях, которые они выполняют в клетке, а пока познакомимся с их химическим строением.
Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из трёх частей: азотистого основания, пятиуглеродного углевода (пентозы) и остатка фосфорной кислоты (рис. 147).
Рис. 147. Общая формула нуклеотида(вверху) и четыре типа нуклеотидов ДНК
Нуклеотид ДНК в качестве азотистого основания может содержать одно из четырёх соединений: аденин, гуанин, тимин или цитозин. Все эти основания являются гетероциклическими соединениями, содержащими в своей молекуле атомы азота. При этом аденин и гуанин (пуриновые основания) состоят из двух конденсированных колец, а тимин и цитозин (пиримидиновые основания) – из одного кольца. К азотистому основанию прикрепляется пентоза – дезоксирибоза, а к ней, в свою очередь, остаток фосфорной кислоты (Н2РО-4). Таким образом, существует четыре вида нуклеотидов, различающихся входящими в их состав азотистыми основаниями. Их обозначают буквами А, Г, Т или Ц. Соединяясь через остатки фосфорной кислоты, нуклеотиды образуют одну из цепочек ДНК – полимер, в котором нуклеотиды являются мономерами. В одной цепочке молекулы ДНК может содержаться до нескольких сотен миллионов нуклеотидов. Длина самой большой молекулы ДНК человека равна 16 см, в то время как её толщина составляет всего несколько десятых долей нанометра.
ДНК всегда (за исключением некоторых вирусов) состоит из двух параллельных цепочек. Порядок, в котором расположены нуклеотиды в каждой из этих цепочек, находится в строгом соответствии с последовательностью нуклеотидов в другой. Это соответствие называют комплементарностью (от лат. compementum – дополнение). Оно проявляется в том, что каждому азотистому основанию в одной цепочке ДНК соответствует строго определённое основание, расположенное напротив в другой цепочке, а именно аденину соответствует тимин, а гуанину – цитозин, и наоборот (рис. 148).
Рис. 148. Образование водородных связей между комплементарными основаниями двух цепей ДНК
Рис. 149. Структура РНК (Р – рибоза, Ф – фосфатная группа, А, У, Г, Ц – азотистые основания)
Таким образом, если одна из цепочек имеет строение ГГЦТААТГАТЦГ, то вторая, комплементарная ей цепочка будет выглядеть так: ЦЦГАТТАЦТАГЦ. Цепочки ДНК соединены друг с другом водородными связями и закручены так, что образуют так называемую двойную спираль. Благодаря такому строению молекула ДНК способна к самовоспроизведению, или редупликации. Во время этого процесса цепочки разделяются, и каждая достраивает возле себя комплементарную ей цепочку. В результате получаются две абсолютно одинаковые молекулы ДНК. Эта способность ДНК лежит в основе размножения живых организмов.
Рибонуклеиновые кислоты, в отличие от ДНК, – одноцепочечные молекулы (рис. 149). Кроме того, в нуклеотидах РНК вместо тимина присутствует близкое ему по строению основание урацил, а вместо дезоксирибозы – углевод рибоза.
Полисахариды.
Сложные углеводы – полисахариды – выполняют в организме множество важных функций. Их мономерами служат моносахариды – простые сахара с формулой С6Н12О6. Существует три важнейших изомера этого вещества: глюкоза, фруктоза и галактоза (рис. 150).
Рис. 150. Моносахариды (А) и дисахариды (Б)
Моносахариды могут объединяться попарно, образуя дисахариды (см. рис. 150). Три из таких дисахаридов входят в состав пищевых продуктов (табл. 6).
Моносахариды (обычно глюкоза) могут объединяться и в гораздо более длинные цепи, содержащие сотни и тысячи моносахаридных остатков и называемые полисахаридами (рис. 151). Одним из таких полисахаридов является крахмал, который служит главным запасающим питательным веществом растений. Он представляет собой огромную ветвящуюся молекулу полисахарида, состоящую из тысяч остатков глюкозы. Животные тоже запасают питательные вещества, но в виде полисахарида, называемого гликогеном. Его молекулы по строению похожи на молекулы крахмала, но более разветвлённые. Самый распространённый на Земле полисахарид – целлюлоза, или клетчатка – длинная неветвящаяся цепь, состоящая тоже из остатков глюкозы. Целлюлоза входит в состав оболочки растительных клеток. К полисахаридам относят также хитин – главный компонент наружного скелета насекомых и ракообразных, муреин, входящий в состав оболочки клеток бактерий, и другие необходимые для живых организмов вещества.
Таблица 6
Дисахариды
Рис. 151. Строение полисахаридов
Проверьте свои знания
1. Изобразите схематично строение нуклеотида ДНК.
2. Какими связями соединены между собой две цепочки ДНК?
3. Назовите моносахариды, из которых состоит большинство биологических полисахаридов.
4. Какой полисахарид служит запасающим веществом в растительном организме, а какой – в животном организме?
5. Сравните строение молекул ДНК и РНК.
6. Достаточно ли знать, какой моносахарид входит в состав нуклеотидов, чтобы понять, о какой нуклеиновой кислоте идёт речь?
Задания
1. Используя знания, полученные при изучении биологии растений, объясните, почему в растительных организмах углеводов значительно больше, чем в животных.
2. Участок одной из цепочек ДНК имеет вид ГГЦАТТЦГАА. Как будет выглядеть комплементарная ей цепочка ДНК?