2. Некоторые формулы

Прежде чем идти дальше, надо обсудить некоторые важные для нас химические формулы. Читатель, желающий получить более подробную информацию, может заглянуть в учебники, например [17], или в "Молекулярную биологию" Хаггиса и др. [20].

Среди групп соединений, существенно важных для современных организмов, надо выделить белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Поскольку в большинстве проводившихся экспериментов особое внимание уделялось белкам и нуклеиновым кислотам, мы должны познакомиться с этими соединениями. Белки, полисахариды, липиды и другие подобные соединения "работают" в повседневных жизненных процессах, а нуклеиновые кислоты управляют процессами воспроизведения и пополнения, обеспечивая создание новых молекул. Нуклеиновые кислоты несут генетическую информацию. Благодаря ей новые молекулы в точности похожи на те, которым требуется замена или пополнение. Кроме этих двух групп соединений, существуют и другие типы молекул, выполняющие особые функции. Примером могут служить тем и хлорофилл (фиг. 41) - важнейшие соединения, обслуживающие дыхание и фотосинтез соответственно.

Все белки состоят из большого числа строительных блоков - молекул аминокислот. Обычно в составе природных белков встречается около 20 различных аминокислот. Отдельные их молекулы соединяются в цепи, образуя так называемые полипептиды (фиг. 16). Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей, объединенных друг с другом в одну молекулу.

Фиг. 16. Схема строения белка. Вверху - цепь полимеризованных аминокислотных строительных блоков; все блоки различаются по составу, следовательно, здесь изображен гетерополимер. Внизу - структурная модель такой полипептидной цепи. Водородные связи (пунктирные линии между атомами Н и О разных витков) заставляют цепь свертываться в спираль. Диаметр и шаг спирали определяются природой радикалов R₁-R₄ полипептидной цепи [3]

Все аминокислоты (фиг. 17) имеют весьма простую общую формулу

где R (радикал) - та или иная из различных органических групп Главные аминокислоты, входящие в состав белков, перечислены на фиг. 18. Их распределение в основных группах современных организмов отражено на фиг. 19.

Фиг. 17. Трехмерное изображение молекулы аминокислоты L-аланина [2]

Фиг. 18. Двадцать аминокислот, входящих в состав белков [2]. Кроме этих, в современных белках встречаются и некоторые другие, менее распространенные аминокислоты. Очевидно, во времена неорганического фотосинтеза вполне могли возникать многие другие, сходно построенные аминокислоты. В период возникновения предбиологических систем, конечно, создавались самые разнообразные аминокислоты. По тем или иным причинам в ходе дальнейшего развития они постепенно 'вымерли'. Не исключено, что некоторые малораспространенные сейчас аминокислоты раньше встречались гораздо чаще, а то и были преобладающими. Все обычные аминокислоты и большинство редких являются левовращающими, т. е. вращают плоскость проходящего через них поляризованного света влево. Но некоторые менее распространенные аминокислоты являются правовращающими

Фиг. 19. Распределение 18 из 20 обычных аминокислот в главных группах современных организмов [44]. В наше время наиболее распространены глутаминовая и аспарагиновая кислоты

Нуклеиновые кислоты представлены двумя главными типами молекул. Дезоксирибонуклеиновая кислота, всегда именуемая кратко ДНК, находится в ядрах клеток, а рибонуклеиновая кислота (РНК) в основном находится вне ядра, в цитоплазме. Лишь у некоторых простых организмов вроде вирусов имеется только одна нуклеиновая кислота - РНК или ДНК.

Молекулы нуклеиновых кислот состоят из двух длинных цепей^*, закрученных одна вокруг другой, так что получается спиральная структура - так называемая двойная спираль. Каждая цепь построена из сходных блоков - нуклеотидов. Итак, каждая цепь представляет собой полинуклеотидную структуру. Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из трех частей: фосфорной кислоты, сахара - дезоксирибозы^** - и какого-либо одного из четырех азотистых оснований. На фиг. 20-23 показана структура цепей ДНК и РНК. Четыре азотистых основания, входящих в состав ДНК, - это аденин и гуанин (пуриновые основания) и тимин и цитозин (пиримидиновые основания; в РНК вместо тимина присутствует урацил). Их формулы даны на фиг. 22. Две полинуклеотидные цепи молекулы ДНК "скреплены" в двойную спираль водородными связями, которые образуются между пуриновыми основаниями одной цепи и пиримидиновыми основаниями другой.

^* (Существуют также одноцепочечные кислоты - как РНК (молекулы транспортных РНК построены из одной цепи), так и ДНК (генетический материал некоторых бактериофагов представляет собой одноцепочечную ДНК). - Прим. перев.)

^** (Дезоксирибоза присутствует только в ДНК, в молекулу РНК входит другой сахар - рибоза. - Прим. перев.)

Фиг. 20. Строение полинуклеотидов ДНК и РНК

Фиг. 21. Строение цепи нуклеиновой кислоты [3]. Основание, в данном случае аденин, соединяясь с сахаром 2-дезоксирибозой, образует аденозин, который в соединении с фосфорной кислотой дает адениловую кислоту. Две молекулы адениловой кислоты объединяются в динуклеотид. Дальнейшая полимеризация с нуклеотидами, содержащими другие основания, приводит к образованию длинной цепи нуклеиновой кислоты

Фиг. 22. Азотистые основания, входящие в состав ДНК и РНК [2]

Фиг. 23. Схема строения участка молекулы ДНК [3]. Ясно видно, что две цепи двойной спирали ДНК связаны между собой через основания, входящие в состав каждой цепи