Лекционное занятие по дисциплине Молекулярная биология
Подготовила ст. преподаватель кафедры анатомии и физиологии Ракишева Толкын Труспековна
Тема:
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
Органические соединения, образующие живую материю, состоят из общих для всех органических соединении углерода и водорода, в большом числе случаев в них входят также кислород, азот, ряд важных соединений содержат серу и фосфор. Эти же элементы представлены в живой природе и в виде целого ряда неорганических соединений, прежде всего воды, солей аммония, карбонатов, сульфатов, орто - и пирофосфатов, и являются главными биогенными элементами. Вместе с тем функционирование живой материи требует участия целого ряда других элементов, как металлов, так и неметаллов.
Из неметаллов помимо уже упомянутых в первую очередь следует отметит хлор, который в виде анионов участвует в создании солевой среды и, кроме того иногда входит в состав органических соединений (Н:хлорамфеникола (антибиотик - левомицитин).
Для поддержания определенной ионной силы и создания буферной среды необходимо участие однозарядных катионов — ионов аммония, натрия и кали. Эти катионы в биологических системах не являются взаимозаменяемыми, и существуют специальные механизмы, поддерживающие необходимый баланс между ними.
Из неметаллов седьмой группы периодической системы элементов достоверна установлено участие в некоторых процессах жизнедеятельности органических соединеий иода. Иод входит в состав гормонов щитовидной железы производных аминокислоты тирозина — тиронина и тироксина, содержащих соответственно -три или четыре атома иода, соединенных с бензольным кольцом. С этим связана повышенная опасность попадания в организм радиоактивных изотопов иода, которые, накапливаясь в щитовидной железе, вызывают ее повреждение. В то же время, будучи использованы в малых дозах, они облегчают наблюдение за состоянием щитовидной железы по испускаемому - излучению.
Из неметаллов шестой группы помимо серы в некоторых процессах жизнедеятельности участвуют соединения селена, главным образом в виде селенового налога — цистеина (селеноцистеин). Последний входит в состав некоторых ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции.
Кремний довольно широко распространен у некоторых типов организмов, в том числе у некоторых групп растений, губок и моллюсков. Так, из SiО2 построен скелет одноклеточных диатомовых водорослей, являющихся важным компонентом фитопланктона. У моллюсков он составляет основу зубцов. В незначительном количестве кремний содержится в некоторых тканях высших животных — в хрящах и связках его содержание может достигать нескольких сотых долей процента. По-видимому, в виде эфиров ортокремниевой кислоты он принимает участие в сшивке полисахаридных цепей.
Из щелочно-земельных металлов в биологических системах повсеместно распространены магний и кальций. Многие эфиры и ангидриды фосфорной кислоты функционируют в виде магниевых солей. Концентрация ионов магния в клетках имеет исключительно важное значение для поддержания целостности и функционирования рибосом, т. е. для синтеза белков. Кроме того, магний входит в состав хлорофилла — основного пигмента зеленых растений, непосредственно поглощающего кванты видимого света для использования их энергии при фотосинтезе. Ионы кальция принимают участие в регуляции ряда важных клеточных процессов, в том числе мышечного сокращения и других двигательных функций. Кроме того, нерастворимые соли кальция участвуют в формировании опорных структур: фосфат кальция — в формировании костей, карбонат кальция — в образовании раковин моллюсков.
Ряд ионов металлов, в основном четвертого периода периодической системы элементов; играет важную роль в качестве кофакторов белков при выполнении ими каталитических и некоторых других функций. Среди них приоритетное место занимает железо. Железопорфирины, которые, связываясь с белками, образуют гемопротеиды — комплексы, выполняющие ряд жизненно важных функций. Среди них имеются и ферменты, например уже упоминавшаяся каталаза, и переносчики кислорода (гемоглобин), и переносчики электронов. К числу последних относится цитохром с — гемопротеид, образованный небольшим белком, который двумя остатками цистеина связан ковалентно с гемом по его винильным радикалам. Цитохром - с является участником одного важнейших процессов в биосфере, свойственного всем аэробным организмам, — переноса электронов от NAD-H к 02.
Наряду с гемопротеидами широко распространены белки, содержащие железо в виде железосерных кластеров (негеминовое железо). Эти белки играют важную роль в многочисленных процессах переноса электронов — при фотосинтезе, окислительном фосфорилировании, для восстановления азота до аммиака азотфиксирующими бактериями. Наиболее изучены железосерные белки из хлоропластов зеленых растений и бактериальные белки, известные под общим названием фередоксины. Многие из них выделены в индивидуальном виде. Атомы железа в ферредоксинах связаны с белком через атомы серы остатков цистеина и, кроме того, соединены между собой мостиками из атомов серы. Например, структура железосерного фрагмента ферредоксина из листьев шпината имеет вид
Встречаются и ферредоксины с более сложными кластерами. Например, ферредоксин из пурпурной серной бактерии Chromatium имеет в своем составе кластер из четырех атомов железа и четырех мостиковых атомов серы (рис. 8).
Медь является кофактором значительного числа ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы. Среди ферментов, содержащих ионы меди, особо следует упомянуть цитохром с оксидазу, фермент, катализирующий окисление восстановленной формы цитохрома-с кислородом в цепи переноса электронов от NAD-H к 02.
Значительное число ферментов с довольно разнообразным механизмом действия содержат в качестве кофактора ионы цинка. Среди них уже упоминавшаяся карбоангидраза. Цинк входит в качестве обязательного компонента во многие ферменты, участвующие в биосинтезе нуклеиновых кислот — РНК - и ДНК-полимеразы, а также в некоторые ферменты, катализирующие гидролиз пептидных связей.
Среди остальных металлов четвертого и пятого периодов следует отметить марганец, кобальт и молибден. Марганец входит в состав сравнительно небольшого числа ферментов, но играет фундаментальную роль в биосфере, поскольку его участием в зеленых растениях происходит фотохимическое восстановление воды, обеспечивающее выделение в атмосферу кислорода и поступление электронов в цепь переноса электронов при фотосинтезе.
Рис. Структура железосерного фрагмента ферредоксина. серной бактерии Chromnimm
Кобальт входит в состав нескольких ферментов в виде кобаламинов, к числу которых относится витамин В 12.
Молибден является необходимым компонентом фермента нитрогеназы, который катализирует в специальных азотфиксирующих бактериях восстановление атмосферного азота до аммиака. Это важнейший путь поступления азота в биосферу, поскольку образование практически всех природных азотсодержащих органических соединений идет из аммиака или, точнее, из ионов аммония.
