БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 1

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 выяснить 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 пути превращения молекул и общие принципы, лежащие в основе разнообразных проявлений жизни. Оказалось, что столь различные организмы, как бактерия Escherichia coli и человек, имеют много общего на молекулярном уровне. Оба организма используют одни и те же строительные блоки для образования макромолекул; в принципе одинаково происходит передача генетической информации от ДНК к рибонуклеиновой кислоте (РНК) и далее к белкам; оба вида используют аденозин-трифосфат (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 клетки, как мышечная, нервная или печеночная? Как клетки находят друг друга при формировании сложного организма? Как контролируется рост клеток?

Рис. 1.1. Модель двойной спирали ДНК. Диаметр спирали около 20 А.

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. Пространственные модели наиболее реалистичны. Размер и конфигурация атома в пространственной модели определяется его валентностью и радиусом вандерваальсовых взаимодействий (рис. 1.2). Для обозначения атомов в моделях приняты следующие цвета: водород - белый, углерод - черный, азот-синий, кислород - красный, фосфор - желтый, сера-желтый.

Рис. 1.2. Пространственные модели атомов водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы

На рис. 1.3 показаны пространственные модели некоторых простых молекул.

Рис. 1.3. Пространственные модели воды, ацетата, формамида, глюкозы и цистеина

Модели из шаров и палочек менее точно отражают строение молекул, чем пространственные, так как в них атомы представлены в виде 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 рассмотреть 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 типов моделей ATP - пространственной, из шаров и палочек и скелетной-приведено на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Сравнение различных моделей АТР: А-скелетная, Б-из шаров и палочек, В-пространственная. На моделях А и Б атомы водорода не показаны