ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ - 2011
ЧАСТЬ I. СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ
Биохимия, можно сказать без преувеличения, это химия жизни, и живые организмы (именно живые) могут быть, таким образом, исследованы, проанализированы, а также поняты их функции. Приступая к изучению биохимии, каждый студент должен узнать се язык и основные принципы: это-то мы и будем обсуждать в части I.
Главы части I посвящены структуре и функциям основных веществ в составе клетки: воды (гл. 2), аминокислот и белков (гл. 3-6), сахаров и полисахаридов (гл. 7), нуклеотидов и нуклеиновых кислот (гл. 8), жирных кислот и липидов (гл. 10) и, наконец, мембран и мембранных сигнальных белков (гл. 11 и 12). Рассказ о каждом типе молекул сопровождается обсуждением подходов, применяющихся для их изучения. Описание некоторых методов вплетено в основное содержание главы, а одна глава (гл. 9) целиком посвящена биотехнологии, связанной с клонированием, геномикой и протеомикой.
Знакомство с биохимией начинается со знакомства с водой (гл. 2), поскольку ее свойства важны для структуры и функций всех других компонентов клетки. При изучении каждого класса органических молекул мы в первую очередь будем рассматривать ковалентные взаимодействия между мономерными звеньями (аминокислотами, моносахаридами, нуклеотидами и жирными кислотами), а затем описывать структуру макромолекул и построенных из них надмолекулярных комплексов. Основной идеей такого изложения является то, что полимерные макромолекулы в живых системах, несмотря на свои большие размеры, являются высокоупорядоченными химическими соединениями, имеющими строго определенную последовательность мономерных звеньев, определяющую их структуру и
функции. Это основное утверждение строится на трех взаимосвязанных принципах: 1) уникальная структура каждой макромолекулы определяет ее функции; 2) нековалентные взаимодействия имеют ключевое значение для структуры, а, следовательно, для функционирования макромолекул; 3) мономерные звенья в полимерных макромолекулах соединены в специфических последовательностях, которые содержат в себе информацию, определяющую организацию живых систем.
Структурно-функциональные связи молекул особенно наглядно проявляются в белках, характеризующихся невероятным разнообразием функций. Одна специфическая полимерная последовательность аминокислот образует прочную структуру нитей, из которых состоят волосы и шерсть, другая образует белок, переносящий кислород в крови, третья связывает другие белки и катализирует расщепление их внутренних связей. Аналогичным образом, особые функции полисахаридов, нуклеиновых кислот и липидов являются прямым проявлением их химической структуры, т. е. определяются свойствами мономерных звеньев и точным порядком их соединения в полимерную цепь. Соединенные в цепи сахара становятся источником энергии, структурными волокнами и специфическими участками узнавания; соединенные в ДНК или РНК нуклеотиды содержат в себе план устройства всего организма; комплексы липидов образуют мембраны. Глава 12 обобщает материал, касающийся функционирования биомолекул. В ней описывается, как специфические сигнальные системы регулируют активность биомолекул и поддерживают гомеостаз на уровне клетки, органа или всего организма в целом.
При переходе от мономерных звеньев к все более крупным полимерным молекулам основную роль начинают играть не ковалентные, а другие типы взаимодействий. Несомненно, ковалентные связи и внутри мономерных звеньев, и между ними в полимерной молекуле накладывают ограничения на возможную форму макромолекулы. Однако именно многочисленные нековалентные взаимодействия определяют устойчивую нативную конформацию биомолекулы и в то же время делают ее достаточно гибкой, что существенно для биологических функций. Как мы увидим, нековалентные связи играют важнейшую роль в проявлении каталитической активности ферментов, во взаимодействии комплементарных оснований в составе нуклеиновых кислот, а также в расположении и свойствах липидов в мембранах.
Тот принцип, что последовательность мономерных звеньев заключает в себе определенную информацию, с наибольшей полнотой раскрывается в обсуждении свойств нуклеиновых кислот (гл. 8). Однако белки и некоторые низкомолекулярные сахара (олигосахариды) также выполняют функции информационных молекул. Аминокислотная последовательность белков содержит в себе информацию, определяющую сворачивание белка в специфическую трехмерную структуру, и в итоге отвечает за его функционирование. Некоторые олигосахариды также имеют уникальную первичную последовательность и трехмерную структуру, распознаваемую другими макромолекулами.
Во всех классах биомолекул легко обнаруживается сходная структурная иерархия: макромолекулы образуются из мономерных звеньев определенного строения с помощью довольно прочных связей. Трехмерная структура биомолекул поддерживается нековалентными взаимодействиями. Дат ее эти макромолекулы могут образовывать надмолекулярные комплексы и органеллы, которые осуществляют метаболические функции в клетках. Все молекулы, описанные в части I, являются строительным материалом жизни.