Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

ов, обсуждается проблема антагонизма и синергизма в действии микроэлементов. .

Химический состав клетки. Перейдем теперь от данных, характеризующих химический состав живого вещества в целом, к рассмотрению содержания важнейших химических соединений в мельчайшей структурной единице живых организмов ^-клетке. Примером может служить простейшая живая система— бактериальная клетка (табл. 1).

Таблица 1

Примерный химический состав клетки кишечной палочки

Компонент Содержание в клетке, % Средняя молекулярная масса, дальтои1 Среднее число молекул в клетке Число видов молекул

Вода 70 18 4Ю10 1

Неорганические' ионы 1 40 2,5 10е 20

Углеводы и их предшественники 3 150 2 10е 200

Аминокислоты и их предшественники 0,4 120 3-Ю7 100

Нуклеотиды и их предшественники 0,4 300 1,2 107 200

Липиды и их предшественники 2 750 2,5-107 50

Другие низкомолекулярные вещества 0,2 150 1,5-107 250

Белки 15 4-10* 106 3000

ДНК 1 2,5-10» 1 1

РНК 6 — — —

В том числе:

16SpPHK 5-Ю5 3 10* 1

23SpPHK 1 - 10е 3-10* 1

тРНК 2,5 10* 4 10s 60

мРНК 1 - 10е 103 1000

1 Согласно Международной системе единиц СИ молекулярная масса (М) измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.); 1 а.е.м да 1,66057 х Ю-17 кг. В биохимии молекулярную массу макромолекул принято выражать в дальтовах; 1 дальтон=1 а.е.м. В дальнейшем в некоторых понятных случаях обозначение «М» не указывается.

Из данных табл. 1 видно, что при ограниченном числе молекул ДНК и рибоеомальных РНК клетка содержит несколько тысяч различных белков, около тысячи информационных РНК и сотни разнообразных низкомолекулярных соединений, относящихся к тем или иным классам органических веществ (крайняя правая графа таблицы). Число молекул высокомолекулярных соединений в бактериальной клетке сравнительно невелико и измеряется в основном десятками и сотнями тысяч, а низкомолекулярных—десятками миллионов, тогда как самая большая молекула—ДНК, с молекулярной массой в несколько миллиардов, присутствует в бактериальной клетке в единственном числе. Указанные соотношения в общем характерны для клеток любых, организмов, хотя

18

Рис. 3. Строение клетки

в клетках более высокоорганизованных форм число макромолекул измеряется сотнями миллионов и даже миллиардами, а общее число молекул достигает 1013—1015. Считают, что 1 мкм3 протоплазмы содержит около 40 млрд. молекул.

При помощи обычной и сканирующей электронной микроскопии получены ¦ детальные данные о внутреннем строении клеток: обнаружена тонкая структура, представленная субклеточными образованиями, каждому из которых присуща определенная функция или ряд функций (рис. 3 и рис. на форзаце учебника).

Еще более элементарно организованная живая система, являющаяся, видимо, нижним пределом жизни (если не считать таковым вирусы и вироиды), представлена микоплазмами, насчитывающими несколько десятков видов и более 100 представителей. Эти мельчайшие тельца, обладающие всеми свойствами живого, способные расти и размножаться на искусственных питательных средах, в десятки и даже сотни раз меньше упомянутой выше бактериальной клетки. Имея размеры (0,15—0,30) х (1,0—1,25) мкм, они крайне полиморфны, так как ограничены от внешней среды тончайшей (7,5 нм) двухслойной гибкой мембраной. В них содержится 4% ДНК ярко выраженного АТ-типа в виде единственной биспиральной кольцевой структуры с молекулярной массой от нескольких сотен миллионов до миллиарда дальтон (600000—1.700.000 нуклеотидных пар); 8% РНК (в том числе все три вида рибосемалыгах РНК слабо выраженного АУ-типа и полный набор транспортных РНК); до пятисот индивидуальных белков (М = 9000 — 200000), среди которых тестировано до 40 ферментов; липиды, углеводы, липополисахариды и другие вещества. По сравнению с бактериальной клеткой их структура

19

Рис. 4.

Жизненный цикл и ультраструктура микоплазмы:

/—мембрана; 2—рибосомоподобные образования; 3— фибриллярный ДНК-содержащий материал; 4—недифференцированная терминальная зона; 5—пузырек

предельно проста (рис. 4), а молекулярный состав предопределен набором только тех соединений, которые абсолютно необходимы для обеспечения фундаментальных, элементарных актов жизнедеятельности.

Многочисленные и разнообразные биополимеры, входящие в состав живого вещества (см. табл. 1), в значительной мере реально существуют в виде биокомплексов, т. е. соединений нуклеиновых кислот и белков, полисахаридов и белков, липидов и белков, полисахаридов и липидов, различных белков друг с другом и т. п. Благодаря этому возникают новые свойства и качества, не присущие биополимерам в свободном состоянии. Поэтому изучению структуры и функциональной активности биокомплексов в современной биохимии уделяют большое внимание. Высшей ступенью надмолекулярной организации биополимеров в клетке являются субклеточные частицы (см. рис. 3 и 4). Сочетание белков с липидами дает начало мембранам эндоплазматической сети, митохондрий, лизосом и т. п. Соединение белков с полисахаридами характерно для клеточных стенок. Рибонуклеиновые кислоты, взаимодействуя с белками, образуют рибонуклео-протеиновые частицы, в том числе рибосомы. Комплексирование ДНК с белками и небольшим количеством РНК приводит к образованию хроматина, а на его основе—хромосомного и, в конечном счете, ядерного аппарата клетки.

В настоящее время биохимики уделяют особое внимание исследованию функциональной деятельности субклеточных структур: ядра, митохондрий, пластид, рибосом, лизосом, гиалоплазмы (основное вещество) и др. Разработаны специальные методы препаративного разделения субклеточных единиц при помощи ультрацентрифутирования, т. е. центрифугирования при очень быстром (несколько десятков и даже сотен тысяч оборотов в минуту) вращении ротора центрифуги. Развивающиеся при этом центробежные силы характеризуются фактором разделения (см. с. 36), т. е. отношением ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести, обозначаемой буквой g. Значения факторов разделения, при которых можно добиться осаждения из гомогената тех или иных субклеточных частиц, приведены на рис. 5.

Разделения субклеточных частиц можно добиться также путем пропускания гомогенатов через колонку с гелем сефарозы. Частицы разного размера фракционируются здесь по принципу молекулярного сита (см. с. 30): сначала из колонки выходят ядра, затем митохондрии и лизосомы, вслед за ними— обломки эндоплазматической сети клетки (микросомы) и, наконец, свободные рибосомы.

Отдельные фракции субклеточных частиц используют для приготовления так называемых бесклеточных систем, позволяющих выявить функциональную активность тех или иных структурных элементов клеточного содержимого. Работы с бесклеточными системами позволили впервые проникнуть в сущ-

20

Центрифугиродание при различны» значения* фактора разделения

15 мин 2000д 'щ 25мин, 15000дш

Ш № "о'-« . .О-." «с-

Гомогенат

у\-Гиалоплазма

Прочие сукле-точные частицы

УльтрацентрифугироНание 8 градиенте плотности, сахарозы

Зимин,

линейный градиент

I

Зч,

юооооа.

ступенчатый градиент

6 ч,

линейный градиент

Рис. 5. Упрощенная схема дифференциального центрифугирования гомогената клеток печени крысы (по Ж.-К. Ролан, А. Село-ши и Д. Селоши, 1978)

Гомогенизацию ткани и последующее центрифугирование ведут при О С. Цифры с левой стороны пробирок указывают молярные концентрации растворов сахарозы, обеспечивающих в данной зоне пробирки плотность раствора, при которой дальнейшее оседание определенных субклеточных частиц не происходит

г,о\

\ 0,50ы

I ',2?L

)Ядра1,2з\

Ультразвук

Н 200Щ

Ядрышки

тщоЩ уондрии

Хыосо-1 мы

щазттичес-\кие мембраны lAnnapam Гольджц ааАМикросот

|

Детергент

А

РиНоммы Мембраны ' эндоплазмати-ческой сети

ность окислительно-восстановительных процессов в клетке, раскрыть закономерности биосинтеза в ней нуклеиновых кислот и белков и сделать ряд других важных открытий.

Оказалось, что в ядрах, где сосредоточена почти вся клеточная ДНК, идет как ее биосинтез, так и новообразование всех видов РНК. В митохондриях интенсивно протекают процессы биологического окисления, сопряженного с образованием важнейшего макроэргического соединения—аденозинт-рифосфорной кислоты (АТФ), вследствие чего их считают энергетическими центрами клетки. Функция лизосом сводится к осуществлению процессов деструкции биополимеров при участии разнообразных гидролитических ферментов, которыми они очень богаты. Рибосомы, представляющие по современным данным механохимические машины молекулярных размеров, обеспечивают биосинтез всех клеточных белков. Мембраны эндоплазматиче-ского ретикулума делят клетку на ряд .отсеков (компартменты), обеспечивая компартментализацию (обособленность) ряда химических процессов в ней, избирательный перенос веществ из одной части клетки в другую, равно как и протекание ряда химических реакций при участии ферментов, встроенных в мембраны эндоплазматической сети. Центриоли имеют отношение к такому важнейшему процессу, как перемещение хромосом в клетке при ее делении.

Закономерное сочетание деятельности субклеточных частиц лежит в основе жизнедеятельности клетки, регуляции обмена веществ в ней, быстрой перестройки клетки на новые стационарные режимы функционирования,

21

обеспечивает экономное расходование вещества и существенное увеличение скорости многоступенчатых биохимических превращений. Именно благодаря этому в природе осуществляются непрерывное обновление и саморепродукция живого вещества, непрерывный и пока еще во многом таинственный процесс жизни.

Рассмотрению материальных основ его на уровне молекул посвящены последующие главы.

ГЛАВА II

БЕЛКИ

Этот раздел является наиболее важным в курсе биологической химии, так как белковые тела играют выдающуюся роль и в построении живой материи, и в осуществлении процессов жизнедеятельности.

Почему именно белки являются важнейшим субстратом жизни? Потому, что они обладают рядом особенностей, которые несвойственны никаким другим органическим соединениям.

1. 1йгантские молекулы белков отличаются неисчерпаемым разнообразием структуры при строгой ее специфичности у данного, конкретного белка.

2. Белкам присуща способность к внутримолекулярным взаимодействиям, что обеспечивает динамичность структуры их молекул, изменчивость и пластичность их формы, обратимость переходов из глобулярного состояния в фибриллярное.

3. Обладая многоликими по химическим свойствам радикалами аминокислотных остатков в составе полипептидных цепей, белковые молекулы в целом и их отдельные части способны вступать в разнообразные химические и физические взаимодействия как друг с другом, так и с нуклеиновыми кислотами; полисахаридами, липидами и т. п., образуя надмолекулярные комплексы, составляющие основу субклеточных структур.

4. Важнейшей особенностью механизма возникновения указанных комплексов является безошибочное «узнавание» их ингредиентами друг друга и протекание самого процесса ассоциации по принципу самосборки.

5. Молекулы белков закономерно изменяют свою структуру под влиянием внешнего воздействия и восстанавливают исходное состояние при его снятии, причем это явление может сопрягаться с акцептированием и преобразованием энергии.

6. Многие белки обладают уникальной способностью каталитически ускорять химические реакции, протекающие в живом веществе.

7. Белкам присущи регуляторные, защитные, токсические, транспортные, сократительные, структурные, рецепторные, модуляторные, морфогенные, запасные и многие другие функции.

Даже этот далеко не полный перечень особенностей белковых тел, отличающих их от других природных биополимеров, свидетельствует об их важнейшей роли в обеспечении атрибутов жизни.

Только детально изучив строение белков и их свойства, можно понять как перечисленные особенности белков, так и их функции; поэтому обычно курс биохимии открывается разделом «Белки».

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ

Белки, или протеины (от греч. протос—первый, главный),—высокомолекулярные органические вещества, характеризующиеся строго определенным элементарным составом и распадающиеся до аминокислот при гидролизе.

23

Они содержат (в %): углерода—50—55, водорода—6,5—7,3, азота—15— 18, кислорода—21—24, серы—до 2,4 и золы—до 0,5. Особенно характерный показатель—процентное содержание азота. В большинстве случаев оно составляет 16%, поэтому по содержанию белкового азота часто вычисляют содержание белка в кормах и продуктах питания. Для этого величину, выражающую процентное содержание белкового азота в препарате, умножают на фактор пересчета, равный 6,25, который выводят путем деления: 100:16=6,25.

ВЫДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВ

Хотя около двух десятков белков (инсулин, рибонуклеаза, лизоцим, цитохром с, соматотропный гормон, р-липотропин, ацилпереносящий белок, а-бунгароток-син, кобротоксин, кардиотоксин, ингибитор гастрина, ингибитор трипсина, аполипопротеин, ферредоксин др.) удалось синтезировать и, таким образом, сделать первый шаг на очень трудном пути их искусственного создания, синтезы эти очень сложны, трудоемки, длительны и дороги. Поэтому единственно реальным методом получения белков служит выделение их из природных источников. Но и это нелегкая задача, так как белки обладают особой чувствительностью к действию большинства химических реагентов (кислот, щелочей, органических растворителей и др.) и разрушаются от обычных процедур, применяемых при очистке веществ (нагревание, перегонка, возгонка, экстракция и т.п.). Возможен также автолиз (самопереваривание) выделяемых белков. Белок очень легко теряет свои природные, присущие ему в естественном состоянии нативные свойства (растворимость, биологическую активность и т. п.), и переходит в денатурированное состояние. Чтобы избежать денатурации белка в процессе его выделения, все операции проводят в мягких условиях: при низкой (не выше + 5° С) температуре, избегая действия резких химических реагентов.

Впервые белок (клейковина) был выделен Я. Беккари из пшеничной муки в 1728 г. Эту дату принято считать годом зарождения химии белка. В 1762 г. началась работа по изучению белка молока—казеина (А. Халлер), затем с 1789 г.—белков крови (А. Фуркруа). За два с половиной столетия из природных источников получены сотни различных белков и изучены их свойства.

Для успешного выделения белка из биологического объекта необходимо тончайшее измельчение тканей вплоть до разрушения клеточных стенок. Для этого используют (рис. 6) специальные валковые (А) или шаровые (Б) мельницы, в которых исходный материал многократно продавливается между тесно сближенными валками или расплющивается непрерывно сталкивающимися шарами. С этой же целью широко применяют гомогенизаторы (В и Г), в которых материал либо измельчается острыми ножами, вращающимися с огромной скоростью (12000 об/мин и более), либо растирается между пришлифованными стенками стеклянных пробирки и пестика, либо в замороженном состоянии продавливается через фильеры специального пресса (Д).

Хорошие результаты дает метод разрушения клеточных оболочек путем попеременн

страница 4
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(13.12.2017)