Ю.Д. Семчиков - Высокомолекулярные соединения, страница 4

Наши мышцы, волосы, кожа состоят из волокнистых белков. Белок крови, входящий в состав гемоглобина, способствует усвоению кислорода воздуха, другой белок — инсулин — ответственен за расщепление сахара в организме и, следовательно, за его обеспечение энергией. Молекулярная масса белков колеблется в широких пределах. Так, инсулин — первый из бел- ков, строение которого удалось установить Ф.Сэнгеру в 1953 г., содержит около 60 аминокислотных звеньев, а его молекулярная масса составляет лишь 12000. К настоящему времени идентифицировано несколько тысяч молекул белков, молекулярная масса некоторых из них достигает 1О' и более.

Следует подчеркнуть, что многообразие форм жизни обусловлено невероятно большим числом изомерных макромолскул, которые могут быть получены из аминокислот 20 типов. Согласно расчету биохимика Р. Синджа, белок, содержащий 288 аминокислотных остатков, может содержать 1Оз00 изомеров. Каждая из жизненно важных функций, например катализ биохимических реакций, выполняется белком определенного строения и только им. Классическим примером является белок гемоглобина. Изменение порядка чередования около 300 аминокислотных остатков, входящих в его макромолекулу, путем перестановки местами хотя бы пары из них, приводит к тяжелому заболеванию животных — серповидной анемии. Нуклеидовые кислоты.

В 1868 г, швейцарский ученый Фридрих Мишер выделил из ядер клеток фосфорсодержащее вещество, которое он назвал нуклсином. Позднее это и подобные ему вещества получили название нуклеиновых кислот. Их молекулярная масса может достигать 1О', но чаще колеблется в пределах 1О' — 1О'.

Исходными веществами, из которых построены нуклеотиды — звенья макромолекул нуклеиновых кислот, являются: сахар, фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания. В одной группе кислот в качестве сахара выступает рибоза, в другой — дезоксирибоза: НОН С О ОН ~й .1 НОНС О ОН ОН Ой Р— ОН ОН ортофосфорная кислота ОН ОН рибоза ОН Н 2-дезокснрибоза пурин пиримидин В соответствии с природой сахара, входящего в их состав„нуклеиновые кислоты называются рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислотами. Общеупотребительными сокращениями являются РНК и ДНК. Нуклеиновые кислоты встречаются во всех живых организмах. Последние делятся на две группы: прокариоты, к которым относятся одноклеточные, т.с. древние и существующие ньше бактерии, их единственная клетка не имеет ядра н содержит одну двухнитевую спираль ДНК; основание основание основание ! ! 1 — сахар — фосфат — сахар — фосфат — сахар — фосфат —, Сахара относятся к группе пентоз (см.

полисахариды в этом же разделе), основания — к рядам пиримидина и пурина. Упомянутые соединения предсгавлены на схеме. Каждая из нуклеиновых кислот построена из четырех типов нуклеотидов, которые отличаются химической природой основания. ДНК содержит два основания пуринового ряда — аденин и гуанин и два основания пиримидинового ряда — цитозин и тимин. В РНК пуриновые основания те же, пиримидиновые основания несколько отличаются, это цитозин и урацил. Все эти основания присутствуют на приведенных далее схемах, на первой из них изображен фрагмен~ макромолекулы РНК: О м ~.

гуанин .1 .Н Н О Н М Н О ОН ~ ~ урацил 5 Н О О 1 О=Р— О— ! О 1 н О=Р— Π— С ! О д Н Н Из этого примера видно, что основная цепь нуклеиновых кислот образуется в результате конденсации гидроксильных групп, связанных с 3'- и 5'- атомами углерода сахара рибозы в РНК (представле!!о на схеме) и дезоксирибозы в ДНК вЂ” с группами ОН фосфорной кислоты. Основание во всех случаях присоединено к !'-атому сахара. Одна из групп ОН фосфорной кислоты не участвует в реакции поликонденсации.

Для дважды этерифициро- эукариоты, которые включают животных, растения, грибы и простейшие, их клетки содержат ядра, в которых сконцентрирована ДНК, тогда как РНК находится как внутри, так и вне ядра. Как уже упоминалось выше, звенья нуклеиновых кислот, называемые нуклеотидами, содержат остатки фосфорной кислоты, сахара и оснований.

Образование цепи из нуклеотидов происходит в результате катализируемой ферментами конденсации групп — ОН остатков сахара и фосфорной кислоты. В результате макромолекулы всех нуклеиновых кислот имеют цепи с регулярным чередованием остатков сахара и фосфорной кислоты, что схематически может быть представлено следующим образом: ванной фосфорной группы найдено рК = 1,5, следовательно, нуклеиновые кислоты, содержащие несвязанные Р— ОН-группы, могут быть отнесены к достаточно сильным кислотам. В 1953 г. Уотсон и Крик установили, что ДНК образует вторичную структуру в виде двойной спирали. Такая спираль образуется при скручивании двух макромолекул ДНК вокруг общей оси и фиксируется водородными св~з~~~ ~е~ду о~~о~~н~~~~, ~~~~а~н~~~ с р~~н~ми ц~п~~и.

Все~да попарно связываются пуриновые и пиримидиновые основания, поскольку только при этом условии сечение двойной спирали остается неизменным по длине. Исходя из принципа достижения максимальной энергии водородных связей, всегда оказываются попарно связанными тимин с аденином и цитозин с гуанином.

Из схемы видно, что только в этой комбинации образуется максимальное количество водородных связей из числа возможных, и их энергия близка к максимальной, поскольку три атома, связанные водородной связью, во всех случаях лежат на линии„близкой к прямои: Н н„ 1 „н 'С н с о с с '.н н тимин ~ ~ М н~ аденин ° . С Н С кцепи О ' ( )) С Н / н н с с--м к цепи н н ! ! н~ С С н цитозин ) 11 гуанин ' ° н с К Цепи 11 14~ С О ! П 'С вЂ” н н....с~ С-.

ч / и и Н к цепи Нуклсиновые кислоты играют наиболее ответственную роль в процессах жизнедеятельности. С их помощью решаются две важнейшие задачи: хранения и передачи наследственной информации и матричный синтез макромолекул ДНК, РНК и белка. Наследственная информация зашифрована в макромолекулах ДНК в виде последовательности расположения четырех типов цуклеотидов, содержащих четыре разных основания. Такие последовательности называются генами. Они расположены в виде «отдельных островов» Таблица !.3 Содержание различных оксидов в базальтовых породах, мас.

% Л !!!!ьп! Г !Гс Земная ко а Окснл а!О А!аОа ГеО Т!О Мьо СаО 41 -46 7 — 14 18 — 22 1 — 12 7 -16 Х вЂ” 12 44 — 53 !3- !9 7 — 14 0,9 — 3,3 4 — 10 Х вЂ” !2 вдоль всей цепи ДНК, их суммарная длина составляет 3 — 5% от общей длины макромолекулы. К важнейшим процессам матричного синтеза относятся: ° репликация, в ходе которой дво)!ная спираль !(расплетается» (сразу во многих местах) и на каждой материнской ДНК синтезируется дочерняя, комплементарная первой, таким образом, из исходной спирали образуются две идентичные ей; одна из них переносит в новую клетку, образующуюся при делении материнской, наследственную информацию; ° транскрипция или синтез на молекулах ДНК так называемой информационной а!-РНК, при котором генетическая информация, заложенная в ДНК, «сбрасывается» на х!-РНК и кодируется там в виде последовательности расположения нуклеотидов; ° трансляция или синтез белка на молекулах м-РНК, в данном случае используется трехбуквенный код, т.е.

последовательность из трех нуклеотидов матричной м-РНК определяет тип очередной аминокислоты из 20 возможных, которая должна присоединиться к растущей полипептидной цепи белка. Все перечисленные реакции катализируются ферментами — белками, а инициирование многих процессов осуществляется с помощью РНК. Природные неорганические полимеры. Природные неорганические полимеры составляют основу земной коры, толщина которой достигает 15 км (литосфера). Литосфера образовалась и образуется при выходе на поверхность Земли расплавленной магмы, в которой химические реакции протекают при высокой температуре и давлении.

Основной горной породой являются базальты. В табл. 1.3 приведены данные по составу базальтовых горных пород, полученных из проб, взятых со дна океанов Земли и лунных морей. Видно, что состав базальтовых пород Земли и ее спутника весьма близок, он состоит в основном из оксида кремния и в значительно меньшей степени из оксидов железа и алюминия. Оксид кремния является типичным полимерным кристаллическим телом, т. е. трехмерным полимером. Наряду с зтим, для него известны двухмерные (подобные графиту) и цепные полимеры (рис. 1.1). Основной структурной единицей всех полисиликатов является тетраэдр %0о в вершинах которого расположены атомы кислорода, в центре — атом О О О О ! 'х/ — 8! — Π— 81 — Π— 81 — О— ! О О ! — 81 — Π— 81 — Π— 81 — О— ! О О О О О О ! — 81 — Π— 81 — О— ! О О Линейная пироксеноваяя цепь Линейная амфиболоваяя цепь Тетраэдр 8!О4 — структурная единица полисиликатов Рис.