Biokhimia_T1_Strayer_L_1984 (1123302), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Отсюда — моя особая признательность Донне Солмон, Джону Фостеру и Джейн Фостер за выполненные ими рисунки, графики и схемы. Немало людей в йельском университете способствовало завершению моего труда. Я особенно благодарен Маргарет Бентон и Шарен Узстин за перепечатку рукописи, Уилльяму Полларду †фотографирование пространственных моделей и Марте Скарф за обеспечение компьютерных изображений молекулярных структур 1эти изображения легли в основу многих иллюстраций). Большую помощь мне оказали также сотрудники Научной библиотеки во главе с Джоном Харрисоном. Значительная часть книги бьша написана в Аспене. Я должен выразить благодарность Физическому центру в Аспене и Институту патобиологии, любезно принимавшим меня не одно лето.
У ме- Октябрь 1974 г. Люберт Страйер ня сохранились самые теплые воспоминания об увлекательных дискуссиях по проблемам биохимии и молекулярным аспектам медицины, происходивших в прекрасном парке Института патобиологии или во время прогулок по живописным окрестностям. Большое удовольствие доставляло также посещение концертов в Аспене, особенно после целого дня интенсивной работы.
Я искренне благодарен своей жене Андреа и детям Майклу и Дэниелу за их поддержку, терпение и доброе отношение на протяжении всего того времени, пока писалась книга. Они действительно участвовали в ее рождении, процесс которого оказался длительнее, чем предполагалось. Андреа давала мне советы по поводу стиля и расположения материала, а также обратила мое внимание на замечание китайского ученого ХП1 века ТайТ'уна Грш' Т'ппя, Т)1е Б)х Бспрпн р11пс)р!яи оГ СЫпеяе «т)бпй): «Если бы я ждал совершенства, то никогда не закончил бы книгу». Я буду рад любым замечаниям читателей. ГЛАВА 1.
Молекулы и жизнь Биохимия — это наука о молекулярных основах жизни. Существует несколько причин тому, что в наши дни биохимия привлекает большое внимание и быстро развивается. Во-первых, биохимикам удалось выясншпь химические основы ряда важнейших биологических процессов. Назовем, в частности, такие выдающиеся достижения, как открытие двухцепочечной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), расшифровка генетического кода, определение трехмерной структуры некоторых белков, описание основных путей метаболизма. Во-вторых, обнаружены общие п)впи превращения молекулаи общие принципы, лежащие в основе разнообразных проявлений жизни.
Оказалось, что столь различные организмы, как бактерия Езсйег)сй(а сой и человек, имеют много общего на молекулярном уровне, Оба организма используют одни и те же строительные блоки для образования макромолекул; в принципе одинаково происхолит передача генетической информации от ДНК к рибонуклеиновой кислоте (РНК) и далее к белкам; оба вида используют аденозинтрифосфат (АТР) в качестве энергетической валюты. В-третьих, биохимия оказывает все более глубокое воздействие на медицину. Так, например, определение активности ферментов играет в настоящее время важную роль в клинической диагностике. Содержание определенных ферментов в сыворотке крови может служить ценным критерием при диагностике недавно перенесенного инфаркта миокарда.
Кроме того, биохимия постепенно создает основу для рационального назначения лекарственных препаратов. Исключительную важность представляет выяснение молекулярных механизмов некоторых заболеваний, например серповидноклеточной анемии или большого числа врожденных нарушений метаболизма, исследованных к настоящему времени. В-четвертых, быстрое развитие биохимии в последние годы позволило исследователям приступить к изучению самых острых, коренных проблем биологии и медицины. Каким образом на протяжении индивидуального развития из одной клетки возникают такие разнообразные клеткщ как мышечная, нервная или печеночная? Как клетки находят друг друга при формировании сложно~о организма? Как контролируется рост клеток? Рнс.
1.1. Модель двойной спирали ДНК. Диаметр спирали около 20 А. 1. Молекулы и жизнь Вода Ацатат рО Н,С вЂ” С О Формамид Н н,н-с О Рис. 1.2. Н О 5 А 11.п-глюкоза ь цастаан НОСН Нн,т О С вЂ” С вЂ” Н О сн,— вн Н НО Пространственные модели атомов водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы. Каков механизм памяти? Каким образом возникает нервный импульс в сетчатке глаза при действии света? В чем причина рака? Каковы причины шизофрении? 1.1.
Молекулярные модели Взаимосвязь между трехмерной структурой биомолекул и их биологической функцией составляет лейтмотив настоящей книги. Для описания архитектуры молекул мы воспользуемся атомарными моделями трех типов: 1) пространственными, 2) построенными из шаров и палочек и 3) скелетными.?? ространснтвенные модели наиболее реалистичны.
Размер и конфигурация атома в пространственной модели определяется его валентностью и радиусом ван- 10 1, Молекулы и жизнь дерваачьсовых взаимодействий (рис. 1.2). Для обозначения атомов в моделях приняты следующие две~а; водород-белый, углерод -черный, азот — синий, кислород — красный, фосфор — желтьш, сера — желтый. На рис. 1.3 показаны пространственные модели некоторых простых молекул. Модели из шаров и палочек менее точно отражают строение молекул, чем пространственные, так как в них атомы представлены в вице шариков меньшего радиуса, чем радиус вандерваальсовых взаимодействий. Однако эти модели дают более наглядное представление о расположении связей, которые в данном случае изображаются просто в виде палочек. Заостренный конец палочки указывает направление связи; расположена ли она впереди или позади плоскости рисунка.
В целом такая модель лучше, чем пространственная, позволяет рассмо- Рис. 1.3. Пространственные модели воды, ацетата, формамида, глюкозы и цистеина. пов моделей АТР— пространственной, из шаров и палочек и скелетной — приведено на рис. 1.4. Рве. 1.4. !ох Сравнение различных моделей АТР; А-скелетная, Б — из шаров и палочек, В-пространственная. На моделях А и Б атомы водорода не показаны, треть сложную структуру.
Еще более простое представление о строении молекул можно получить с помощью скелетных моделей, в которых изображается только молекулярная сетка. Сами атомы в скелетных моделях не изображаются, но подразумевается, что они расположены в местах пересечения связей и на их концах.
Скелетные модели часто используют для описания сложных биологических макромолекул, например молекул белка, состоящих из нескольких тысяч атомов. Сравнение трех ти- 1.2. Пространство, время и энергия При рассмотрении структуры молекул важно представлять себе нх размеры (рис. !.5). Измерения длины на атомарном уровне производят обычно в ангстремах; один ангстрем (А) равен 10 'е метра (м) или О,! нанометра (нм), Например, длина связи С вЂ” С составляет 1,54 А. Небольшие бномолекулы, в частности сахара илн аминокислоты, как правило, имеют длину в несколько ангстрем. Биологические макромолекулы, например белки, по крайней мере в десять раз крупнее. Так, гемоглобин — белок эритроцитов, переносягций кислород, †име диаметр б5 А.
Еще на порядок больше по размеру надмолекулярные комплексы. Например, диаметр рибосом †белок-синтезирующих органелл клетки-составляет около 300 А. В диапазоне от 100 А (10 нм) до 1000 А (100 нм) лежат также размеры большинства вирусов. Клетки же, как правило, имеют в сотни раз большие размеры и измеряются уже в микрометрах (мкм).
Например, наибольшая ллииа эригроцита равна 7 мкм (7. 104 А). Важно отметить, что предел разрешающей способное~и светового микроскопа составляет около 0,2 мкм (2000 А), что соответствует размеру многих клеточных органелл. Так, в световом микроскопе видны митохондрин - основные производители АТР в азробных клетках. Большая часть наших представлений о биологических структурах размерами от 1 А (О,! нм) да !О' А (1 мкм) получена благодаря использованию электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей. Молекулы, составляющие живое, подвергаются постоянным превращениям. В биологических системах химические реакции каталнзируются ферментами, ко~орые способны превращать субстрат в продукт реакции за время, исчисляемое, как правило, миллисекундами (мс, !О з с).
Некоторые ферменты работают еще быстрее: реакция завершается за несколько микросекунд (мкс, !О е с). Конформационные изменения биологических макромолекул протекают также очень быстро. Например, на раскручивание двойной спирали ДНК, необходимое для ее реплнкации и экспрессии, требуются лишь 1. Молекулы и жизнь МАКРО- МОЛЕКУЛЫ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ КЛЕТКИ АТОМЫ МОЛЕКУЛЫ Предел разремения светового микросколв Эритроцит Связь С-С Гемоглобин 0 А 0'А -в 10 А 10 вм 1 мкм 10з А 10 м 0А 1А 1О гом 1О зм 10 м 1 нм 10 м Вращательное движение в белках Первичная Ферментативная Реакция Деление бактерии 10 ' 10 10 10з 1 1(13 ( лс ) ( нс ) (мкс ) ( мс ) Время, с Рис.
1.5. Размеры некоторых биомолекул, надмолекулярных комплексов и клеток. микросекунды, Поворот одного домена белка по отношению к другому занимает наносекунды (нс, 1О е с). Многие нековалентные связи в мекромолскулах обрвзунпся и разрываются в течение лишь нескольких наносекунд. Процессы, протекающие еще быстрее, можно оценить лишь с помощью очень коротких световых импульсов лазерных установок. Примечательно, что начальное событие при зрительном восприятии — изменение структуры светопоглощающих группировок -происходит в течение нескольких пикосекунд (пс, 10' " с) после поглощения фотона.
Все это показывает, что скорости биологических процессов могут варьировать в широких пределах (рис. 1.б). Весьма важно представлять себе также длительность эволюционного времени. Жизнь на Земле возникла 3,5 ° 10е лет Рис. 1.б. Типичные скорости протекания реакций в биологических системах. 12 1. Молекулы и жизнь тому назад, что соответствует 1,1 ° 10" с. Рассмотрим также изменения энергии, происходящие при различных молекулярных превращениях (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
