§ 8–9. Белки и нуклеиновые кислоты — главные макромолекулы

Определения и обозначения

Белок — биополимер, молекула которого состоит из соединённых аминокислотных остатков. Остатками называют части аминокислот, вошедшие в цепь при её образовании. Разный порядок и число этих частей дают множество вариантов молекул, поэтому белки могут выполнять разные задачи — от ускорения реакций до создания клеточных структур.

Аминокислота — органическое вещество, в молекуле которого есть аминогруппа и карбоксильная группа, связанные с центральным атомом углерода. С ним также связаны атом водорода и боковая группа, обозначаемая R. Общие части позволяют аминокислотам соединяться друг с другом, а различия боковых групп влияют на свойства и взаимодействия остатков в белке.

Пептидная связь — связь, соединяющая остатки соседних аминокислот в цепи. Благодаря ей отдельные мономеры становятся частью единой полипептидной молекулы. Порядок остатков важен: он влияет на то, как цепь свернётся в пространстве, а значит, и на свойства белка.

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот, то есть повторяющееся звено их цепи. В его состав входят сахар, фосфатная группа и азотистое основание. Разные варианты этих частей позволяют строить цепи с различной последовательностью, в которой записана наследственная информация.

Как это устроено

При образовании белка карбоксильная группа одной аминокислоты реагирует с аминогруппой другой. Между ними возникает пептидная связь, и из повторяющихся звеньев получается полипептидная цепь; при образовании связи выделяется молекула воды. Поскольку присоединяться могут разные аминокислоты, итоговая цепь получает определённый порядок остатков. Этот порядок называют первичной структурой белка: изменение последовательности способно изменить взаимодействия между частями молекулы.

Цепь белка не остаётся прямой: участки притягиваются или отталкиваются, а связи между атомами помогают ей сворачиваться. Так возникают уровни пространственной организации — локальные участки укладки, общая форма одной цепи, а у некоторых белков ещё и объединение нескольких цепей. Пространственная форма создаёт участки, способные связываться с определёнными молекулами или выполнять механическую работу. Поэтому функция зависит не только от того, какие аминокислоты входят в цепь, но и от того, как она уложена.

Температура, кислотность и состав окружающей среды влияют на взаимодействия, удерживающие белок в его форме. Если условия меняются, цепь может развернуться или утратить правильную укладку; это называют денатурацией. Поверхность белка тогда уже не подходит для прежних взаимодействий, и его работа нарушается. Обычно пептидные связи и первичная последовательность остаются целыми, поэтому денатурацию не следует путать с распадом белка на аминокислоты.

Нуклеотиды соединяются в длинную цепь: сахар одного звена связывается через фосфатную группу со следующим звеном. Снаружи такой цепи располагается повторяющийся сахарофосфатный остов, а основания образуют её информационную часть. В ДНК сахаром служит дезоксирибоза, а в РНК — рибоза; отличается и состав оснований: в ДНК есть тимин, а в РНК вместо него — урацил. ДНК обычно состоит из двух взаимосвязанных цепей, тогда как РНК чаще представлена одной цепью.

Порядок оснований в нуклеотидной цепи несёт информацию, потому что клетка использует его как последовательность инструкций. ДНК хранит наследственные сведения и служит источником их передачи при делении клеток. По её участкам образуются молекулы РНК, которые участвуют в создании белков; сами белки помогают считывать, копировать и реализовывать информацию. Так взаимодействие нуклеиновых кислот и белков связывает наследственные инструкции с работой клетки.

Сравнение белков и нуклеиновых кислот

Используйте таблицу, чтобы сначала сравнить мономеры и связи, а затем перейти к строению цепей и функциям. Так видно, что обе группы являются полимерами, но построены из разных звеньев и несут разные роли. При сравнении конкретных молекул обращайте внимание также на пространственную форму белка и состав нуклеотидов.

Разбор задач

Какие связи соединяют аминокислотные остатки?

Условие. Дана последовательность аминокислот. Определите, какие связи соединяют аминокислотные остатки в белковой цепи. Сначала нужно определить, к какому типу биомолекул относится такая последовательность, а затем назвать связь между её звеньями.

1. Устанавливаем, что аминокислоты являются мономерами белка, а не нуклеиновой кислоты.
2. Вспоминаем, что при соединении аминогруппы и карбоксильной группы соседних аминокислот формируется пептидная связь.
3. Применяем это к каждому соседнему звену: повторение таких связей и создаёт непрерывную полипептидную цепь.

Ответ. Аминокислотные остатки в белковой цепи соединены пептидными связями. Их последовательность задаёт первичную структуру белка. Не следует называть эту цепь нуклеотидной: нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот.

Почему нагретый белок потерял активность?

Условие. При нагревании белок утратил активность, хотя его аминокислотный состав не изменился. Нужно объяснить, какие изменения могли произойти с молекулой и почему они повлияли на её работу. Сравним сведения о составе с тем, что известно о пространственной форме белка.

1. Проверяем, что при нагревании не изменился набор аминокислот: это не указывает на распад цепи до мономеров.
2. Учитываем, что высокая температура может нарушить взаимодействия, поддерживающие определённую укладку полипептидной цепи.
3. Связываем изменение формы с функцией: участки белка могут перестать подходить для связывания нужных молекул.

Ответ. Вероятнее всего, произошла денатурация: белок утратил правильную пространственную структуру. Поэтому его активность снизилась или исчезла, хотя последовательность аминокислот могла сохраниться. Это не то же самое, что разрушение белковой цепи на отдельные аминокислоты.

Чем различаются фрагменты ДНК и РНК?

Условие. Сравните фрагменты ДНК и РНК по составу и объясните, почему последовательность их мономеров имеет значение для клетки. Важно не только узнать название молекулы, но и связать её состав с функцией. Рассуждение удобно начать с частей нуклеотида.

1. Находим сахар: в ДНК это дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
2. Сравниваем основания: в ДНК присутствует тимин, а в РНК его место занимает урацил.
3. Учитываем особенности цепей: ДНК обычно двойная, РНК чаще одноцепочечная; порядок оснований в обеих молекулах несёт информацию.

Ответ. ДНК и РНК отличаются сахаром, одним из азотистых оснований и типичным строением цепей. Последовательность нуклеотидов важна, потому что в ней закодированы наследственные сведения. Клетка использует эту информацию при её передаче и при синтезе белков.

Типичные ошибки

Ошибка — считать белок просто набором аминокислот. Так думают, потому что состав заметнее, чем порядок звеньев, но одинаковый набор в разной последовательности может привести к другой укладке и свойствам. Проверяйте себя вопросом: назвал ли я и состав, и первичную последовательность, и пространственную форму?

Ошибка — путать аминокислоту с нуклеотидом. Оба слова обозначают мономеры биополимеров, поэтому их легко смешать, однако аминокислоты строят белки, а нуклеотиды — нуклеиновые кислоты. Проверка простая: вспомните, что аминокислота содержит аминогруппу и карбоксильную группу, а нуклеотид — сахар, фосфат и основание.

Ошибка — считать, что денатурация обязательно разрушает белок на аминокислоты. Путаница возникает из-за того, что белок после неё теряет функцию, но утрата функции не равна распаду цепи. Проверьте, указано ли, что обычно нарушается пространственная укладка, тогда как первичная структура сохраняется.

Ошибка — считать ДНК и РНК одинаковыми молекулами. Обе состоят из нуклеотидов, и это сходство может заслонить различия в составе и строении. Чтобы проверить ответ, сравните сахар, основание, число цепей и роль молекулы в клетке.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что клетка содержит органические вещества, а мономеры объединяются в полимеры. Представление о химических связях и строении органических молекул помогает понять, как образуются цепи и почему их свойства зависят от состава. Эти знания понадобятся при изучении генетического кода и синтеза белка: там рассматривается, как информация ДНК связана с последовательностью аминокислот. Они также помогают объяснить наследственность и участие белков в обмене веществ.

Что запомнить

• Белки — биополимеры, построенные из аминокислотных остатков.
• Аминокислотные остатки в белковой цепи соединены пептидными связями.
• Последовательность аминокислот влияет на строение и функцию белка.
• Денатурация нарушает пространственную структуру белка и может лишить его функции.
• Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов.
• ДНК и РНК различаются составом и строением.
• Последовательность нуклеотидов связана с хранением и передачей наследственной информации.