Organizmy charakteryzują się wielkim zestawem specyficznych cząsteczek - polimerów
W pierwszym rozdziale podręcznika rozpatrzyliśmy różnorodne cząsteczki, które są w organizmach żywych. Jak ustaliliśmy, największa różnorodność cechuje duże cząsteczki polimerowe, takie jak białka, polisacharydy i kwasy nukleinowe. Pałeczka jelitowa ma około 5 tysięcy różnych białek, człowiek - 60 tysięcy. Przy tym białka, wykonujące jednakową funkcję, w różnych organizmach też różnią się. Na przykład kolejność reszt aminokwasowych hemoglobiny myszy różni się od kolejności reszt aminokwasowych hemoglobiny człowieka. Są to więc różne cząsteczki. I nawet obserwuje się wewnątrzga-tunkowa różnorodność białek. Ludzie mają dwa warianty glykoforyny A - podstawowego białka okrywającego powierzchnię erytrocytów - krwinek czerwonych. Łańcuchy amino-kwasowe tych dwóch wariantów, które nazywają się M i N, różnią się od siebie tylko według dwóch pozycji. Jedni ludzie mają tylko M-postać glykoforyny A, inni - tylko N-postać, a trzeci - obydwie postacie. Różne postacie glykoforyny A wyznaczają różne grupy krwi1. Biopolimery charakteryzują się wielką różnorodnością w granicach jednego organizmu, uwzględniając wewnętrzn- i międzygatunkowe różnice, ich sumaryczna różnorodność w biosferze jest po prostu bezgraniczna.
Polimery składają się ze stosunkowo niewielkiej ilości monomerów
Nie patrząc na wielką różnorodność biopolimerów w przyrodzie żywej, wszystkie one są zbudowane z dość ograniczonej ilości ogniw monomerowych. Na przykład cała różnorodność białek tworzy się tylko z 20 aminokwasów2. Wszystkie aminokwasy z tego zestawu są i u człowieka, i u karasia, i u słonecznika, i u muchomora. Przy tym te aminokwasy nie obowiązkowo muszą być syntezowane we wszystkich organizmach. Ani człowiek, ani mysz nie są zdolni syntezować niezamienny aminokwas fenyloalani-nę, lecz otrzymują ją w dostatecznej ilości z pokarmem. Od reguły o „uniwersalności ogniw monomerowych” są, oczywiście, wyjątki. Na przykład niektóre organizmy pro-kariotyczne, zamieszkujące żwacz przeżuwaczy, mają dodatkowy aminokwas, który mogą wykorzystywać do budowy swoich białek3. Jednocześnie brakuje im jednego aminokwasu „eukariotycznego”4. Wynika stąd, że ich białka też są zbudowane z 20 ogniw monomerowych, jednak ten zespół nie jest taki sam, jak u eukariotów.
1 Faktycznie M i N-postaci glykoforyny A różnią się nie tylko sekwencją aminokwasową, lecz i węglowodanami, połączonymi wiązaniem kowalencyjnym z białkami. Przy tym komponent węglowodanowy wynosi 60% masy cząsteczki. Z tym właśnie wiąże się nazwa glykoforyny, która tłumaczy się jako „ten, co niesie słodycz". Różnice w składniku węglowodanowym wyznaczają się właśnie tymi nieznacznymi różnicami w kolejności łańcuchów aminokwasowych.
2 Jak już zaznaczaliśmy wcześniej , niektóre reszty aminokwasowe przekształcają się chemicznie, kiedy już wejdą w skład łańcuchów białkowych. Poprawniej jest więc powiedzieć, że cała różnorodność cząsteczek białkowych powstaje z kilku dziesiątek reszt aminokwasowych.
3 Mowa tu o pirolizynie.
4 Mowa tu o selenocysteinie.
Z polisacharydami sprawa jest bardziej skomplikowana. Różnorodność ogniw monomerowych, z których mogą składać się łańcuchy, u roślin kilkakrotnie przewyższa taką różnorodność u zwierząt. Jednak monomery nie są jednakowo rozpowszechnione wśród różnych gatunków roślin. Różnorodność ogniw, z których są zbudowane oligo-i polisacharydy, jest nieco większa niż u białek, jednak i ona ogranicza się do kilku
dziesiątek. Otóż cała różnorodność dużych cząsteczek powstaje dzięki różnym kombinacjom ograniczonej ilości ogniw monomerowych. Dotyczy to białek, oligo- i polisacharydów i kwasów nukleinowych.
Różnice międzygatunkowe uwarunkowane różnicą w biopolimerach
Powróćmy do różnorodności cząsteczek białkowych. Jak już zaznaczyliśmy, podstawą do tworzenia wszystkich białek w przyrodzie żywej służy zestaw z 20 aminokwasów. Z tego samego zestawu aminokwasów będą zbudowane białka myszy, rumianku i muchomora. Przy tym zespoły białek w tych organizmach bardzo różnią się. Oprócz tego część białek rumianku nie ma podobnych sobie wśród białek człowieka i odwrotnie. Można wyciągnąć wniosek, że z ograniczonej ilości uniwersalnych małych cząsteczek kształtuje się bardzo wiele gatunkowo specyficznych dużych biopolimerów. Wobec tego można stwierdzać, że zestaw ogniw monomerowych do budowy biopolimerów jest dość ograniczony. Każdy organizm ma w sobie znaczną część tego zestawu (niektóre różnice, jak ustaliliśmy, są), lecz większość różnic międzygatun-kowych w składzie chemicznym organizmów opiera się na różnorodności biopolimerów. Większość biopolimerów jest gatunkowo specyficzna, ponieważ tworzą się z monomerów odpowiednio do genetycznych programów organizmów.
Do budowy polimerów niezbędna jest energia
Jak już wyjaśniliśmy w poprzednich paragrafach, podczas trawienia zachodzi rozszczepianie polimerowych cząsteczek do monomerów. Ten proces nie potrzebuje energii, czyli zachodzi mimowolnie. Enzymy trawienne tylko przyspieszają to rozszczepienie. Logicznie możemy przypuścić, że odwrotny proces syntezy polimerów z ogniw monomerowych ma zachodzić z zatratami energii. Jednak synteza polimeru nie jest prostym odwrotnym procesem rozszczepienia. Na rycinie 20.1 podano reakcję rozszczepienia krótkiego łańcucha z dwóch aminokwasów (dipeptydu) na poszczególne monomery. Odwrotna reakcja jest niemożliwa, ponieważ aminokwasy nie posiadają dostatecznej energii do połączenia w łańcuszek. Do tego potrzebne jest dodatkowe zewnętrzne źródło energii.
Zwykle źródłem energii do syntezy polimeru jest ATP. Lecz rozszczepienie ATP i połączenie ogniw monomerowych w polimer nigdy nie dokonuje jeden enzym. Te reakcje są rozdzielone przestrzennie i w czasie. Najpierw zachodzi powstanie z monomeru (na przykład aminokwasu lub monosacharydu) wysokoenergetycznego poprzednika dzięki energii ATP. I tylko potem te wysokoenergetyczne poprzedniki łączą się ze sobą i wytwarzają polimer.
Tak więc, bezpośrednie substraty do syntezy polimeru zawsze różnią się od produktów jego rozszczepienia. Dokładniej o niektórych procesach biosyntetycznych opowiemy w następnych paragrafach.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
U człowieka przy anemii sierpowatej w cząsteczce normalnej hemoglobiny zachodzi zmiana jednej reszty aminokwasowej na inną, co powoduje, że hemoglobina staje się gorzej rozpuszczalna, a erytrocyty - sierpowate. Ten przykład ilustruje wpływ
A składu na budowę białka В składu jakościowego na ilościowy
C budowy na skład białka D składu ilościowego na jakościowy
E ilości aminokwasów na ich zestaw
2
Białka komórek dębu, niedźwiedzia i człowieka są A jednakowe
В złożone z jednakowych sekwencji aminokwasowych C złożone z jednakowych reszt aminokwasowych D mają różne zasady tworzenia E mają jednakową masę
3
Różnorodność monomerów polisacharydów jest A jednakowa u zwierząt i roślin В większa u zwierząt niż u roślin C mniejsza u zwierząt niż u roślin D jest u zwierząt i nie ma u roślin E nie ma u zwierząt i jest u roślin
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
4
Dlaczego właśnie biopolimery są najbardziej różnorodnymi związkami w przyrodzie żywej?
5
Wymień wszystkie możliwe przyczyny różnorodności białek w przyrodzie.
6
Dlaczego nie można syntezować białka bezpośrednio z aminokwasów? Jak je trzeba przekształcić, aby one mogły utworzyć biopolimer?
7
Jak byś sformułował zasadę uniwersalności ogniw monomerowych? Jakie ogniwa monomerowe i jakich biopolimerów można uważać za uniwersalne?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
8
Najbardziej różnorodną grupą białek człowieka są białka obronne - immuno-globuliny. Dlaczego one mają być takie różne? Dzięki czemu osiąga się taką różnorodność?
9
Niektóre enzymy w komórkach bywają w dwóch lub więcej postaciach zmodyfikowanych: z grupą ortofosforową lub bez niej, z łańcuchem węglowodorowym lub bez niego itp. Przy tym one mogą przechodzić z jednej postaci w inną w ciągu życia komórki. Po co są potrzebne takie modyfikacje i jak komórka je dokonuje?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
10
Niektóre rodzaje białek u wszystkich organizmów jednego gatunku są różne. Do czego organizmom potrzebna jest taka osobliwość? Jak to uwzględnia transplantologia?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow