Как правило, первоначально цепь из аминокислот полностью или частично закручена в спираль. При этом сделано это таким образом, что радикалы аминокислот остаются снаружи, а витки спирали располагаются плотно друг к другу. Настолько плотно, что между атомами водорода в одном витке и атомами кислорода в соседнем образуются водородные связи, которыми эта спираль скрепляется и стабилизируется. Цепь из аминокислот, связанных между собой ковалентными связями, свернутая в спираль и скрепленная многочисленными водородными связями, представляет собой достаточно прочную структуру.
Далее цепь, закрученная в спираль, сворачивается замысловатым образом. На этом уровне укладки она сворачивается своеобразно, но для каждого вида белка строго определенно и постоянно. В результате возникает определенная конфигурация, которая стабилизируется в таком положении благодаря водоотталкивающим свойствам определенных аминокислот при взаимодействии с окружающим молекулами воды. На следующем уровне несколько белковых молекул образуют надмолекулярную структуру. Образуется она в результате объединения нескольких молекул белка, как идентичных, так и различающихся по своей структуре, в единый комплекс. То есть, колоссальная сложность, строгость и упорядоченность имеется в них не только на первичном, но и на всех последующих уровнях.
Другими, не менее важными и не менее сложными веществами, входящими в состав всех живых существ, являются дезоксирибонуклеиновые кислоты, сокращенно ДНК.
Молекулы этих веществ, также как и молекулы белков, существуют в виде огромных, сложных, строго упорядоченных конструкций. Составными элементами этих молекул являются нуклеотиды – вещества, состоящие из азотистого основания, углевода (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Существует 4 вида нуклеотидов. Углевод и фосфорная кислота у всех 4 видов одинаковы. Отличаются нуклеотиды друг от друга только азотистыми основаниями, в соответствии с которыми им и даны названия. Нуклеотид с азотистым основанием аденин сокращенно называют А-нуклеотидом, с гуанином – Г, с тимином – Т, с цитозином – Ц.
Любая молекула ДНК состоит из огромного количества молекул нуклеотидов всех четырех видов, соединенных между собой в строго определенной последовательности. И представляет каждая из них собой огромную сложноустроенную молекулу, имеющую вид двух спирально закрученных, сплетенных друг с другом «в косичку» длинных нитей.
То есть, макромолекула ДНК имеет форму двойной спирали и состоит из двух связанных друг с другом нитей, каждая из которых является по сути длинной цепью из соединенных между собой в строго определенном порядке нуклеотидов. При этом у каждого живого существа в молекуле ДНК заложено свое количество и своя последовательность этих элементов.
Нуклеотиды в каждой нити соединены между собой прочной ковалентной связью, через углевод одного и фосфорную кислоту соседнего нуклеотида. Сами нити в свою очередь тоже связаны между собой. Существует эта связь благодаря тому, что в каждой молекуле ДНК азотистые основания нуклеотидов одной ее нити пристыкованны к азотистым основаниям нуклеотидов другой ее нити.
Азотистые основания противоположных нитей скрепляются между собой водородными связями. При этом осуществляется их соединение всегда с соблюдением одного строгого правила, которое, к слову, как и любое другое правило, существующее в природе, естественно не могло взяться само по себе и соблюдаться самопроизвольно на протяжении миллиардов лет, с момента появления первых живых организмов.
Данное правило называется принципом комплементарности. Заключается оно в том, что аденин одной цепи соединяется только с тимином в противоположной цепи, а гуанин соединяется только с цитозином из противоположной цепи.
При таком сочетании нуклеотидов в двойной спирали обеспечивается одинаковое по всей длине расстояние между нитями, а также образование между ними, а точнее между их основаниями, лежащими друг напротив друга, максимального числа водородных связей, что необходимо для обеспечения прочного соединения нитей ДНК, и сохранения при этом особых свойств молекулы ДНК в целом.
Главным из свойств, присущих молекуле ДНК, и имеющим большое значение для живых существ является ее способность к удвоению. Это главная характерная особенность, этой молекулы, которая заключается в том, что одна такая молекула способна превратиться в две молекулы, при этом каждая из вновь образованных молекул будет точной копией первоначальной.
В основе данной особенности находится то, что водородные связи, скрепляющие две спирально закрученные нити ДНК, не ковалентны и поэтому при определенных условиях легко разрываются и восстанавливаются. То есть, цепочки нуклеотидов при определенных условиях способны раскручиваться и отделяться друг от друга.
Разделение происходит при воздействии определенных белков-ферментов. При взаимодействии с этим белками двойная спираль ДНК, благодаря своим характерным особенностям, не распадается на составные части, а начинает раскручиваться с одного конца. К каждой из двух, отделяющихся друг от друга, нитей в процессе удвоения достраивается из находящихся в окружении свободных нуклеотидов новая нить, идентичная первоначальной. Происходит это также по принципу комплементарности, то есть к аденину в исходной цепочке пристыковывается тимин, к цитозину – гуанин, к тимину – аденин, и к гуанину – цитозин. И так по всей длине, в независимости от того какой длины была первоначальная цепочка нуклеотидов.
Цепочки нуклеотидов, достроенные к каждой из нитей, являются полными копиями, тех нитей с которыми были переплетены первоначальные нити в молекуле ДНК. В результате этого и возникает удвоение, и на месте одной возникают две молекулы ДНК.
Длина молекулы ДНК может достигать сотен тысяч нанометров. То есть, длина подобной молекулы в несколько тысяч раз больше самых больших белковых молекул в развернутом виде. В связи с этим, молекула ДНК, чтобы она могла уместиться в клетку, также как и молекулы белков была скручена определенным образом. То есть, две цепочки нуклеотидов, переплетенные между собой «в косичку», теперь уже вместе, свернуты винтообразно. В таком суперскрученном состоянии обычно и находятся данные молекулы в клетках.
Еще одним важнейшим свойством ДНК является взаимосвязь с молекулами белков организма, которому она принадлежит. Заключается эта взаимосвязь в том, что в ДНК закодирована информация о структуре белков, из которых состоят все составные элементы живого организма. То есть, обо всех белках организма, которому она принадлежит. Данная информация закодирована посредством молекулярной системы кодирования. Суть данной системы кодирования заключается в следующем: молекула ДНК представляет собой цепь из последовательно расположенных нуклеотидов, а белок – это цепь из последовательно расположенных аминокислот. Определенным сочетаниям последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле ДНК соответствуют определенные аминокислоты в молекулах белка. Причем каждой аминокислоте в молекуле белка соответствует сочетание из трех нуклеотидов в цепи ДНК.
Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о том, в какой последовательности расположены аминокислоты в одном белке, называется ген. В организмах даже самых маленьких вирусов и бактерий присутствует от нескольких сотен до нескольких тысяч разных видов белков. Соответственно генов, в молекулах их ДНК также достигает нескольких тысяч.
Всё это говорит о том, что в отношении ДНК, как и в отношении белков имеется большое разнообразие, а также глубокая продуманность в строении и в функционировании их структурных элементов.
Еще одним видом веществ, находящимся в составе живых существ, являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Структура молекул РНК идентична структуре ДНК, они также представляют собой цепочки, состоящие из большого числа нуклеотидов 4 видов, расставленных в строго определенных последовательностях, но в отличие от ДНК они одноцепочные. Кроме того, углевод в РНК не дезоксирибоза, а рибоза и вместо азотистого основания тимина в ней находится другое, близкое по строению основание, называемое урацил.
