7.3. Структура и функции белков

Структура белков. Белки — важнейшая составляющая живых кле-

ток — представляют собой высокомолекулярные органические соедине-

ния, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты — органи-

ческие соединения, в состав которых входят карбоксильные группы

СООН, аминогруппа NH2 и углеводородный радикал. По своей структуре

белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных це-

пей, состоящих из повторяющихся молекул — мономеров.

Общая формула аминокислот, образующих белок, имеет вид

Из формулы видно, что к центральному атому углерода присоединены

четыре разные группы. Три из них — атом водорода Н, щелочная амино-

группа H2N— и карбоксильная группа СООН— для всех аминокислот

одинаковы. По составу и структуре четвертой группы, обозначенной R,

аминокислоты отличаются друг от друга. В самых простых структурах,

например в молекуле глицина, такая группа представляет собой атом во-

дорода, в молекуле аланина —СН3 и т.д.

Химическая связь —СО—NH—, соединяющая в молекулах белков

аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, на-

зывается пептидной связью.

Все активные организмы, будь то растения, животные, бактерии или

вирусы, содержат белки, построенные из одних и тех же аминокислот.

Поэтому в любой пище содержатся те же аминокислоты, которые входят

в состав белков организмов, потребляющих пищу.

Белки — это природные органические соединения, состоящие из мак-

ромолекул, относительная молекулярная масса которых составляет от не-

скольких тысяч до нескольких миллионов. Каждая аминокислота белка

содержит специфическую для нее группу. Аминокислоты образуют свое-

образный алфавит из 20 букв, которые объединяются в группы (слова),

определяющие молекулярную структуру белка и его биологическую

функцию.

269

В определении «белки — это полимеры, построенные из 20 разных

аминокислот» содержится их неполная характеристика. В лабораторных

условиях не составляет труда в растворе аминокислот получить пептид-

ные связи и сформировать длинные молекулярные цепи. Однако в таких

цепях расположение аминокислот хаотическое, и образовавшиеся моле-

кулы отличаются друг от друга. В то же время в каждом из природных

белков порядок расположения отдельных аминокислот всегда один и тот

же. А это означает, что при синтезе белка в живой системе используется

информация, в соответствии с которой формируется вполне определен-

ная для каждого белка последовательность аминокислот, определяющая

пространственную структуру белка.

Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется

биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет

генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из

двух этапов: транскрипции и трансляции. Транскрипция — это синтез мо-

лекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи фер-

ментов РНК-полимеразы. Трансляция — перевод информационной РНК

в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, со-

стоящей из 200 - 300 аминокислот, происходит за 1 - 2 мин и требует

сравнительно больших затрат энергии.

В последнее время в результате расшифровки генетического кода раз-

работаны методы определения последовательностей аминокислот в бел-

ках. В лаборатории удалось синтезировать некоторые виды белков, иден-

тичных природным аналогам, что весьма важно для развития современ-

ной биотехнологии.

Белки — основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материа-

лов, важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Со вто-

рой половины XX в. для получения пищевых и кормовых белков приме-

няется микробиологический синтез.

Функции белков. Во всех живых организмах белки играют исключи-

тельно важную роль: они участвуют в построении клеток и тканей, явля-

ются биокатализаторами (ферментами), гормонами, защитными вещест-

вами и др.

Одна из важнейших функций белков — строительная: по процент-

ному содержанию веществ в клетке белки занимают второе место и опре-

деляют, таким образом, белковую природу всех живых организмов. Чрез-

вычайно важна каталитическая функция белков ферментов. Появление

органических катализаторов — ферментов — стало одной из поворот-

ных точек в развитии жизни на Земле. Ферменты намного эффективнее

неорганических катализаторов и более избирательны: они помогают из-

влекать из сложной смеси только одно вещество и превращать его не в не-

сколько продуктов, а только в один. Ферменты можно считать природны-

270

ми нанороботами, главным рабочим инструментом всего живого. Они от-

вечают за все химические реакции, протекающие в живом организме:

обеспечивают энергией и строительным материалом; создают и разруша-

ют сигнальные молекулы, необходимые для регуляции жизненных про-

цессов; защищают организм от чужеродных веществ. Еще ферменты пе-

резаписывают и размножают наследственную информацию, т.е. участву-

ют в синтезе РНК и ДНК, самих себя и других белков.

Химическую природу ферментов впервые определил в 1926 г. амери-

канский биохимик Дж. Самнер (1887 — 1955), лауреат Нобелевской пре-

мии 1946 г. Из соевых бобов он выделил в кристаллической форме фер-

мент уреазу и доказал его белковую природу.

Дальнейшие исследования показали, что все ферменты за редким ис-

ключением вещества белковой природы. Однако биологические функции

белков многообразны. Трудно назвать процессы, в которых белки не при-

нимают участия. В частности, белки-гормоны регулируют основные жиз-

ненно важные процессы: рост, развитие, размножение, обмен веществ.

Кроме того, белок входит в состав гемоглобина (красного дыхательного

пигмента крови человека и многих животных), который переносит кисло-

род от органов дыхания к тканям, а углекислый газ — от тканей к дыха-

тельным органам. Роль гемоглобина чрезвычайно велика: он доставляет-

ся кровеносной системой ко всем органам и в самые удаленные части тела

и снабжает клетки кислородом. Белки-иммуноглобулины выполняют важ-

ную для организма защитную функцию. Они содержатся в глобулиновой

фракции плазмы крови и участвуют в создании иммунитета. Мышечные

сокращения и внутриклеточное движение — результат взаимодействия

молекул белков, функция которых, кроме того, заключается и в коорди-

нации движения.

Таким образом, белки принимают участие во всех жизненных процес-

сах, составляющих основу жизнедеятельности живых организмов.

7.4. СТРОЕНИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ КЛЕТОК

Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из кле-

ток, образующих ткани различных органов и их систем. Клетка пред-

ставляет собой элементарную живую систему, основу строения и жизне-

деятельности всех животных и растений. Она может существовать как са-

мостоятельный организм (простейшие, бактерии), так и в составе много-

клеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от

0,1 — 0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлу-

пе). Число клеток в организмах различно. Например, тело взрослого чело-

века состоит из 1015 клеток, а различных их видов в нем более 200.

271

Подобно любому организму клетка способна питаться, расти и раз-

множаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. От-

дельные составляющие ее части не обладают жизненными функциями.

Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещен-

ные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться, что

широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Термин «клетка» впервые предложил в 1665 г. английский естество-

испытатель Роберт Гук для описания ячеистой структуры наблюдаемого

под микроскопом среза пробки. Утверждение о том, что все ткани живот-

ных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной тео-

рии. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль

сыграли труды немецких ученых-ботаников Матгиаса Шлейдена

(1804—1881) и Теодора Шванна (1810—1882).

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во

внешнем виде и функциях, все клетки имеют общее строение: они состо-

ят из трех основных частей — плазматической мембраны, контролирую-

щей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цито-

плазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра с носителем ге-

нетической информации (рис. 7.4). Все животные и некоторые расти-

тельные клетки содержат центриоли — цилиндрические структуры, об-

разующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены

оболочкой — клеточной стенкой. Кроме того, они включают пласти-

ды — цитоплазматические органоиды (специализированные структуры

клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

272

Окружающая клетку плазматическая мембрана состоит из двух слоев

молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы

белков. Она обладает избирательной проницаемостью и поддерживает

нормальную концентрацию солей, Сахаров, аминокислот и других про-

дуктов обмена веществ. Мембрана играет важную роль: при ее поврежде-

нии клетка сразу гибнет, в то же время без некоторых других структур-

ных элементов жизнь клетки может продолжаться. Изменение проницае-

мости наружной мембраны — первый признак гибели клетки.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма,

содержащая водный раствор солей с растворимыми ферментами и други-

ми веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органел-

лы — маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органел-

лам, в частности, относятся митохондрии — мешковидные образования

с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождает-

ся энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца — рибосомы, состоя-

щие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК) и принимающие участие в

биосинтезе белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, несмотря

на то что 75 — 85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содер-

жится ядро. Ядро — важнейшая часть клетки: без него она не может суще-

ствовать. В ядре находятся хромосомы — длинные нитевидные тельца, со-

стоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней

белка. Например, соматическая клетка человека имеет 23 пары хромосом, а

шимпанзе — 24.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При

делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих

генетическую информацию материнской клетки. Для чего вначале число

хромосом в клетке удваивается и затем каждая дочерняя клетка получает

по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий

равное распределение генетического материала между дочерними клет-

ками, называется митозом.

Не все клетки организма многоклеточного животного или растения

одинаковы. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе

развития организма. Каждый организм животного развивается из одной

клетки — яйца, которое начинает делиться, и в конечном результате об-

разуется множество отличающихся друг от друга клеток — мышечные,

нервные, кровяные и др. Различие клеток определяется прежде всего на-

бором белков, синтезируемых клеткой. Во всех клетках растений или ор-

ганизмов животных хранится полная генетическая информация для по-

строения всех белков определенного вида организма, но в клетке каждого

типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.

18 - 3290 273

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две груп-

пы — прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к

эукариотам — все остальные организмы — простейшие, грибы, растения

и животные. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными.

Прокариоты все одноклеточные. Они, в отличии от эукариот, не облада-

ют оформленным клеточным ядром. Их молекулы ДНК не окружены

ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Деление прокариот

происходит без митоза. Размеры их относительно небольшие. Наследова-

ние признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Пред-

полагается, что первыми организмами, появившимися на Земле около 3,5

млрд. лет назад, были прокариоты.

Клетки эукариот содержат митохондрии — специализированные ор-

ганеллы, в которых происходят процессы окисления. В клетках растений,

помимо митохондрий есть хлоропласты, способные производить фото-

синтез, в результате которого из углекислого газа и воды образуются ор-

ганические вещества. Хлоропласты и митохондрии очень похожи на не-

которых бактерий, способных к фотосинтезу. В этой связи в 1910 г. рос-

сийский биолог К.С. Мережковский (1855—1921) высказал предположе-

ние: хлоропласты и митохондрии произошли от свободноживущих

бактерий, которые проникли в прокариотную клетку. Вначале они были

внутриклеточными паразитами, затем в результате эволюции стали при-

носить пользу клетке-хозяину и постепенно превратились в хлоропласты

и митохондрии. Возможно, таким образом примерно 1400 млн. лет назад

возникли клетки эукариот.

Если одноклеточный организм, например бактерия, не гибнет от

внешнего воздействия, то он остается бессмертным, т. е. не умирает, а де-

лится на две новые клетки. Многоклеточные организмы живут лишь ог-

раниченное время. В организмах животных они содержат два типа кле-

ток: соматические и половые. Половые клетки, так же как и бактерии,

бессмертны. После оплодотворения образуются соматические клетки,

которые смертны, и новые половые.

Растения содержат особую ткань — меристему, состоящую из кле-

ток, способных образовывать другие типы клеток. По этому признаку

клетки меристемы похожи на половые, т.е. их можно считать бессмерт-

ными. Они обновляют ткани растений, поэтому некоторые виды расте-

ний могут жить тысячи лет. В организмах примитивных животных (губ-

ки, актинии) есть подобная ткань, и они живут сравнительно долго.

Соматические клетки высших животных делятся на два вида. Один из

них — клетки, живущие недолго, но постоянно возобновляющиеся за

счет особой ткани — меристемы. К ним относятся, например, клетки

эпидермиса — поверхностного слоя кожи. Другой вид — клетки нерв-

ные, мышечные и др. Во взрослом организме они не делятся и поэтому не

возобновляются, стареют и гибнут.

274

Принято считать, что главная причина старения организма — утеря

генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются

мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежден-

ные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря ре-

паративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они игра-

ют важную роль в продлении жизни организма.