Липиды.
Липиды - это обширная группа органических соединений, которые содержатся во всех живых клетках. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных органических растворителях (эфир, бензол, хлороформ и др.). В зависимости от химической природы липиды разделяют на жиры и липоиды.
Жиры - представляют собой сложные соединения трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Содержание жиров в клетке колеблется от 5% до 15% массы сухого вещества, а в клетках подкожной жировой клетчатки - до 90%.
Липоиды - жироподобные вещества, к которым относятся фосфолипиды, стериды, воскообразные соединения, а также жирорастворимые вещества: пигменты (хлорофиллы, каротины),некоторые витамины (А,Д, Е,К).
Особенно биологически важными жироподобными веществами являются фосфолипиды. Это также сложные соединения глицерина и жирных кислот. От настоящих жиров они отличаются тем, что содержат остаток фосфорной кислоты. Они основные компоненты мембран клеток.
Гликолипиды состоят из углеводов и липидов. Особенно их много в составе ткани мозга и нервных волокон.
Липопротеиды представляют собой комплексные соединения различных белков с жирами. Липопротеидом лецитином богаты нервная ткань, яичный желток, семена подсолнечника, зародыши пшеницы.
Функции:
Энергетическая - одна из основных функций жиров. В ходе расщепления 1г жиров до углекислого газа и воды освобождается большое количество энергии - 38,9 кДж, что примерно в 2 раза больше по сравнению с углеводами и белками.
Структурная. Липиды принимают участие в построении мембран клеток всех органов и тканей.
Запасающая. Жиры являются своего рода "энергетическими консервами", накапливаясь в жировой ткани животных, в плодах и семенах растений.
Защитная. Липиды защищают органы от механических повреждений.
Напр., почки окутаны мягким жировым "футляром".
Теплоизоляционная. Вследствие плохой теплопроводности жир способен выполнять функцию теплоизолятора, предохраняющим животных от переохлаждения.
Принимают участие в создании водоотталкивающих покровов у животных. Напр., у уток жир выделяет кобчиковая железа и смазывает перья.
Подкожный жир создает определенную эластичность кожи.
Жиры выполняют еще множество различных функций в клетке и организме. Жир - поставщик так называемой эндогенной воды: при окислении 100г жира выделяется более 100 мл. воды. Благодаря такой воде существуют многие пустынные животные (верблюды, тушканчики).
Нуклеиновые кислоты.
Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.
Нуклеиновые кислоты открыты в 1869 г. швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Мишер обнаружив в лейкоцитах новое химическое вещество, назвал его нуклеином (от лат."nucleus"- ядро). Термин "нуклеиновые кислоты" был предложен намного позже (в 1889г).
В природе существует два вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).
ДНК находится преимущественно в хромосомах ядра клетки. Однако небольшое количество ДНК содержится в митохондриях и хлоропластах, где обеспечивает автономный синтез белка. РНК находится в ядрышках, рибосомах, митохондриях, пластидах и цитоплазматическом матриксе.
Содержание ДНК в клетках особей одного вида строго постоянно, а содержание РНК значительно колеблется.
Функциональная роль ДНК и РНК различна: ДНК является хранителем наследственной информации; различные же виды РНК участвуют в процессах синтеза белка.
В состав клеточных организмов ( про- и эукариот ) входят оба типа нуклеиновых кислот, а вирусы содержат нуклеиновые кислоты одного типа ДНК или РНК.
Нуклеиновые кислоты это биополимеры, состоящие из мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: остатка фосфорной кислоты, моносахарида (дезоксирибозы или рибозы) и азотистого основания.
Название азотистых оснований определили название нуклеотидов: адениловый (А),гуаниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц), уридиловый (У).
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).
ДНК - биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в правовитковую спираль. Мономерами каждой такой цепочки являются нуклеотиды.
Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар - дезоксирибозу, одно из азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А,Г,Ц,Т) - и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды различаются между собой только по структуре азотистого основания.
Два азотистых основания относятся к классу пуринов (аденин и гуанин), а два - к пиримидинам (цитозин и тимин).
В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой ковалентными связями: дезоксирибоза одного нуклеотида соединяется с остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Две цепи по всей длине соединены друг с другом водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов разных цепей. Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А одной цепи лежит азотистое основание Т другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц.
Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируюся пары А-Т и Г-Ц, называется комплементарностью. Эти пары оснований называют комплементарными основаниями (дополняющими друг друга).
Нуклеотидный состав впервые количественно проанализировал американский биохимик Эрвин Чаргафф. Он обнаружил, что у всех изученных им видов количество пуринового основания аденина равно количеству пиримидинового основания тимина, т.е. А = Т. Сходным образом количество второго пурина - гуанина всегда равно количеству второго пиримидина - цитозина, т.е. Г = Ц.
Таким образом в любых молекулах ДНК сумма пуриновых оснований (А+Г) всегда равна сумме пиримидиновых (Ц+Т), причем количество аденина = количеству тимина (А=Т), а количество гуанина = количеству цитозина (Г=Ц).
Т.е. отношение аденин + гуанин = 1 (единице)
тимин + цитозин
Такая закономерность получила название правила Чаргаффа (1950г).
Это правило было использовано в дальнейшем при построении модели молекулы ДНК.
Модель ДНК.
Впервые представления о молекуле ДНК, как о гигантской спирали, было выдвинуто Морисом Уилкинсоном после получения экспериментальных данных. Он на основании проведенных рентгеноструктурных исследований указал, что молекула ДНК, вероятно, представляет собой спираль - гигантскую закрученную нить.
Основываясь на этих данных и данных многочисленных лабораторных опытов американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик в 1953 году предложили трехмерную модель структуры молекулы ДНК, которая объяснила все факты, связанные с функционированием нуклеиновых кислот.
Исследуя строение молекулы ДНК эти ученые впервые установили, что она представляет собой закрученную вправо спираль, образованную двумя антипараллельными полинуклеотидными цепями. Причем сахаро-фосфатные участки нуклеотидов находятся на внешней стороне, а азотистые основания - внутри. Две цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. При этом пурины одной цепи всегда образуют пару с пиримидинами другой цепи, и наоборот. Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц - три. Хотя водородные связи непрочные, но большое число этих связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в тоже время сохраняет ее подвижность.
Две комплементарные цепи ДНК имеют противоположную полярность: они идут как бы во встречных направлениях, так что их концевые фосфатные группы находятся на противоположных концах двойной спирали.
Основания в молекуле ДНК располагаются так, что расстояние между парой оснований, т.е. одним пурином и одним пиримидином, постоянно и равно 0,34нм.
Диаметр двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нм. В каждый виток (полный оборот) спирали входит 10 пар нуклеотидов, следовательно длина одного оборота ДНК равна 3,4 нм.
Такая модель полностью подтверждена экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.
Расположение нуклеотидов в цепях ДНК несет важную генетическую информацию. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в первичной структуре белка.
Большинство природных ДНК имеет двуцепочечную структуру. Исключение составляют некоторые вирусы, в составе которых обнаружены одноцепочечные ДНК, также линейные и кольцевые (в последнем случае концы молекулы ковалентно замкнуты).
В клетках прокариот ДНК представлена в виде кольца.
Биспиральная структура ДНК не является абсолютно жесткой, что делает возможным образование перегибов, петель, суперспиралей и т.п. необходимых для упаковки гигантских молекул ДНК в малом объеме клетки или вируса.
В начале пятидесятых годов Мирский и Вендрели показали, что все соматические клетки организмов одного вида содержат одинаковое количество ДНК. В половых клетках ДНК содержится (в расчете на одну клетку) вдвое меньше. Известно, что содержание ДНК в одном сперматозоиде человека равно 3,3. 10-12 г. Такое же количество ДНК содержится в яйцеклетке человека. Следовательно, в 6,6. 10-12 г ДНК содержится вся информация, определяющая развитие человека.
В молекуле ДНК различают несколько структур:
Первичная - это последовательность нуклеотидов в цепи, она строго индивидуальна и специфична для каждой природной ДНК и представляет собой закодированную запись биологической информации (генетический код). Первичная структура поддерживается сильными ковалентными связями.
Вторичная - цепи, закрученные в спираль и удерживающиеся друг около друга за счет водородных связей.
Третичная - объединение ДНК с белками-гистонами в хромосомах.
Редупликация ДНК.
Принцип комплементарности лежит в основе уникальной способности ДНК к самоудвоению (редупликации).
Для того, чтобы новые цепи ДНК были построены по принципу ко-мплементарности, двойная спираль должна быть раскручена и родительские цепи отделены друг от друга. Только в этом случае фермент ДНК-полимераза способен двигаться по "материнским" цепям и использовать их в качестве матрицы для безошибочного синтеза "дочерних" цепей.
Редупликация происходит следующим образом. Под действием специальных ферментов разрываются водородные связи между двумя цепями и происходит локальное расплетение двойной спирали, образование репликативной вилки. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы, который передвигается вдоль материнской цепи, синтезируется новая (дочерняя) цепь ДНК по принципу комплементарности. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплементарной цепи. В результате получаются две молекулы ДНК, у каждой из которых одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной, т.е. две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.
Такой механизм редупликации называют полуконсервативным, т.к. каждая дочерняя цепь сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из материнских цепей.