Какие бывают клетки?
В наши дни одной из самых животрепещущих проблем молекулярной биологии является проблема биологических мембран. Для того чтобы обрисовать сущность этой проблемы и показать значение витаминов для организации и функционирования биомембран, необходимо прежде всего в кратких чертах охарактеризовать современные представления о строении клетки, обратив особое внимание на те ее структуры и функции, в которых участвуют витамины.
Молекула ДНК
Отдельные участки хромосом представляют собой единицы наследственности — гены. В строгом соответствии со строением ДНК, которое специфично для каждого данного вида клеток, в ядре синтезируются информационные рибонуклеиновые кислоты (РНК).
Эти последние через ядерные мембраны поступают в цитоплазму и в ней, в соответствии с информацией, «записанной» в молекулах РНК, синтезируются специфические для данного вида клеток белки. Ядерная мембрана регулирует и поступление из цитоплазмы в ядро тех материалов, из которых в нем синтезируется ДНК.
Молекула ДНК построена в виде двойной спирали. При клеточном делении происходит:
- удвоение;
- разделение;
- равномерное распределение ДНК в двух дочерних клетках.
Как происходит синтез строительных материалов клетки?
Где синтезируются те химические соединения, из которых строится клетка, строится живой организм? На рибосомах и происходит «сборка» аминокислот в молекулы белков. Таким образом, мембраны эндоплазматической сети с сидящими на них рибосомами представляют собой своего рода сборочные цеха клетки, в которых из сырья — аминокислот — строятся молекулы белков.
Последовательность, с которой на рибосомах включаются те или иные аминокислоты в формирующуюся полипептидную цепь, а следовательно, и строение белковой молекулы, определяется строением молекулы ДНК, которое отличается видовой специфичностью, передаваемой по наследству при делении клеток, когда половинка двойной спирали ДНК переходит из клетки материнской в дочернюю.
Итак, в соответствии с информацией, «записанной» в ДНК в виде так называемого триплетного кода ее азотистых оснований, в ядре синтезируются информационные РНК. Последние из ядра выходят в цитоплазму и несут эту информацию к рибосомам. В соответствии с этой информацией аминокислоты включаются в полипептидную цепь в той или иной последовательности, синтезируются белки, специфические для данного вида организма.
АТФ и митохондрии
Для любого процесса, происходящего внутри клетки, необходима энергия.
- Во-первых, связывание молекул аминокислот между собой — процесс, идущий с потреблением энергии, которую для этого синтеза поставляет АТФ — соединение, в образовании которого принимает участие ряд коферментных витаминов.
- Во-вторых, синтез ДНК осуществляется при участии недавно открытого фермента нолинуклеотидлигазы, для работы которого необходим НАД — кофермент, главным компонентом которого является витамин РР — никотинамид.
- В-третьих, синтез простых нуклеиновых кислот, из которых далее строятся полинуклеотиды — ДНК и РНК, требует наличия ферментов, содержащих витамин В12 и фолиацин.
- И, наконец, рибосомы, на которых происходит «сборка» молекул белка, — это образования, связанные с мембранами; неотъемлемым их структурным компонентом являются витамины.
Рассказав о «сборочных цехах» клеток, обратимся к их «силовым станциям».
Митохондрии, изолированные из клеток методом дифференционального центрифугирования, расщепляют молочную кислоту и другие продукты распада углеводов, а также аминокислот и жирных кислот до углекислоты и воды. Современная лабораторная техника позволяет получать не только цельные митохондрии, но и изолировать их мембраны. Оказалось, что в мембраны встроены ферменты, участвующие в переносе электронов в дыхательной цепи.
Более того: митохондриальные мембраны в сущности в значительной части построены из ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции. И, разумеется, присутствие в них, например, флавопротеидов означает наличие витамина В1 как компонента этих ферментов.
В митохондриях окисление продуктов обмена пищевых веществ не до конца еще выясненным способом сопряжено с синтезом АТФ — рассмотренной уже нами «разменной монеты» энергии, и ведущую роль в этом исключительно важном процессе играют митохондриальные мембраны.
В последние годы при объяснении механизма превращения энергии в мембранах митохондрий большое внимание привлекают взгляды, развиваемые в работах советских ученых В. П. Скулачева и Е. А. Либермана. Они показали, что при дыхании в мембранах животных митохондрий происходит передвижение ионов, причем потоки ионов, заряженных положительно и отрицательно, направлены в противоположные стороны.
Вследствие этого между разноименно заряженными сторонами мембраны возникает потенциал. Таким образом, энергия дыхания (окисления) превращается в энергию мембранного потенциала.
Эта электрическая энергия используется для синтеза АТФ. Разряжаемая при синтезе АТФ мембрана в результате окисления новых порций продуктов распада углеводов и других пищевых веществ снова заряжается, и в ней продуцируются новые порции АТФ взамен израсходованных клеткой при различных биологических процессах.
Таким образом, если молекулы АТФ являются своего рода «разменной монетой» энергии, то митохондриальные мембраны можно сравнить с монетным двором, в котором слитки металла (энергии окисления) превращаются в денежные знаки. И этот процесс трансформации энергии протекает при участии уже упомянутых нами ранее витаминов, входящих в состав коферментов дыхания — НАД, ФАД и некоторых других.
