Биологически активные молекулы

Из более сотни элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева для жизни необходимы не более 20. Наиболее важными из них являются углерод, водород, кислород и азот, эти четыре химических элемента составляют около 99% массы живого. Важными для жизни элементами являются также фосфор, сера, ионы натрия, магния, хлора, кальция и калия. В качестве микроэлементов в живых организмах присутствуют также железо, кобальт, медь, цинк, бор, алюминий, кремний, ванадий, молибден, иод и марганец.

Особое значение имеет углерод. Все биологически функциональные вещества (кроме воды и нескольких солей) содержат углерод. Число соединений углерода огромно, эти соединения называются органическими. Разнообразие органических соединений обеспечивается валентностью углерода, его способностью образовывать кратные связи, стабильные цепи и кольца.

Свойства, характерные исключительно для живой материи, начинаются с молекулярного уровня. На этом уровне биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных молекул. К «живым» (или биологически активным) молекулам относятся, прежде всего, белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты.

Белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. По структуре белки относятся к полимерам, их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся мономеров. Белковая молекула может иметь до 1000 аминокислотных остатков. Общая форма аминокислот, образующих белок, имеет следующий вид: к центральному атому углерода присоединены щелочная аминогруппа H₂N, карбоксильная COOH и радикал R. Радикал представляет собой некоторую группу атомов, различных для разных аминокислот. Образование белков из аминокислот происходит при соединении аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. Такая химическая связь (–CO–NH–) называется пептидной связью.

Последовательность расположения аминокислот в белке определяет его пространственную или первичную структуру. В результате свертывания полипептидной цепи в спираль возникает вторичная структура. Аминокислотные группы при этом остаются снаружи спирали, витки спирали расположены тесно. Между NH–группами, находящимися на одном витке, и CO–группами, находящимися на соседнем витке, возникают водородные связи. Как уже отмечалось, водородные связи значительно слабее ковалентных, но повторенные многократно, они дают прочное сцепление.

Дальнейшая укладка полипептидной спирали дает третичную структуру. Для каждого белка свертка спирали происходит причудливым, но вполне определенным и постоянным образом. Третичную структуру белка поддерживают гидрофобные связи, возникающие между гидрофобными радикалами аминокислот. Водная среда как бы принуждает белковую молекулу принять определенную упорядоченную структуру, в результате чего она становится биологически активной.

Под влиянием различных внешних факторов (высокой температуры, химических веществ, механического воздействия, облучения и т.д.) слабые связи, поддерживающие вторичную и третичную структуры белка, рвутся. Такое нарушение природной структуры белка называется денатурацией.

Состав белков специфичен для каждого организма, он определяется наследственными свойствами. В каждой клетке имеются сотни различных белков, которые выполняют важные и многообразные функции. Белки являются катализаторами биохимических реакций (ферменты, энзимы), строительным материалом структурных элементов клетки, регуляторами процессов организма (гормоны), источниками энергии. Белки распадаются в клетке до аминокислот и используются организмом для построения собственных белков или расщепляются для получения энергии. При полном расщеплении 1г белка освобождается 17,6 кДж энергии.

Углеводы представляют собой сложные органические соединения, содержащие только углерод, водород и кислород. Различает простые и сложные углеводы.

Простые углеводы называют моносахаридами. Самыми распространенными моносахаридами являются глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза.

Сложные углеводы (полисахариды) представляют собой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. К полисахаридам относятся сахара, крахмал, гликоген и целлюлоза.

Основная биологическая функция углеводов – источник энергии, необходимой для осуществления клеткой различных форм активности. Сложные по структуре, богатые энергией углеводы подвергаются в клетке глубокому расщеплению. В результате образуются простые, бедные энергией соединения (оксид углерода и вода). В ходе этих процессов при расщеплении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.

Кроме энергетической, углеводы выполняют в клетке и строительную функцию. Так, стенки растительных клеток состоят из целлюлозы.

Липиды представляют собой органические вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в бензине, ацетоне, эфире. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений, входят в состав многих клеточных структур.

Липиды подразделяются на истинные жиры и жироподобные вещества. Молекула истинного жира состоит из молекулы глицерина и трех молекул жирной кислоты. К жироподобным веществам относятся вещества, которые кроме жирных кислот могут содержать фосфор, холин и сахара. Примерами липидов служат лецитин, холестерин, некоторые витамины (А, D).

Биологическое значение липидов велико и многообразно. В организме жиры используются как источники энергии, как структурные компоненты клеток (особенно клеточных мембран), для теплоизоляции у животных. В ходе расщепления жира освобождается в 2 раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Необходимо отметить значение жира как источника воды. Из 1 кг жира при окислении образуется почти 1,1 кг воды.

Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, содержащие углерод, водород, кислород, азот, фосфор и некоторые другие элементы. К ним относятся различные виды дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибонуклеиновых кислот (РНК).

Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Молекулярная масса ДНК достигает десятков и даже сотен миллионов, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул.

Каждая нить ДНК представляет собой неразветвленный полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит углевод (моносахарид дезоксирибозу), остаток фосфорной кислоты и одно азотистое основание. Нуклеотиды ДНК различаются по азотистым основаниям: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). ДНК всего органического мира образованы соединением этих четырех видов нуклеотидов. Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

При образовании двойной спирали ДНК в расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность (принцип комплементарности): против А одной цепи всегда оказывается Т другой цепи, а против Г одной цепи – всегда Ц другой. Только в таком сочетании обеспечивается одинаковое по всей длине спирали расстояние между цепями и образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей. Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость. В тоже время молекула ДНК сохраняет подвижность и под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в основном в хромосомах клеточного ядра, а также в митохондриях и пластидах. Она служит главным носителем генетической информации.

РНК представляет собой полинуклеотид, во многом сходный с ДНК. Структура РНК также создается чередованием четырех типов нуклеотидов. Однако состав нуклеотидов РНК несколько отличается: углевод РНК представляет собой моносахарид рибозу, вместо азотистого основания тимина в состав РНК входит близкое по строению основание урацил (У). В отличие от ДНК молекула РНК одноцепочечная.

РНК содержится в основном в клеточном ядре и рибосомах. Различают транспортные РНК (связывающие аминокислоты и транспортирующие их к месту синтеза белка), информационные РНК (переносящие информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка) и рибосомные РНК.

В 1965 г. был расшифрован генетический код, который оказался триплетным. Для кодирования одной аминокислоты (а белок состоит из 20) используется сочетание трех нуклеотидов. Такая элементарная единица получила название кодона.

 

Биохимические процессы

Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов. Образующие живую систему вещества способны вступать в разнообразные химические реакции, которые называются биохимическими. В живой системе есть своеобразное хранилище информации, с помощью которой определяется, какая из множества возможных биохимических реакций должна происходить.

Для синтеза многих химических веществ необходима энергия, поэтому управление химическими процессами и их энергообеспечение тесно взаимосвязаны. Преодоление энергетического барьера при химической реакции возможно не только при повышении температуры, но и при действии катализаторов. В живых организмах катализаторами биохимических реакций являются ферменты. Ферменты обладают очень высокой селективностью: они способны ускорять одну или небольшое число реакций. Значение ферментов в биохимических процессах исключительно велико.

Биохимические процессы весьма разнообразны, их изучением занимается наука, возникшая на стыке химии и биологии – биохимия. Подробное изучение биохимических процессов не входит в нашу задачу, мы кратко рассмотрим лишь некоторые из них.

Примером биохимических процессов могут служить уже упоминавшиеся процессы обмена веществ. В энергетическом обмене клетки центральную роль играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ представляет собой разновидность нуклеотида. Под влиянием специальных ферментов она подвергается гидролизу, т.е. присоединяет молекулу воды и расщепляется c образованием аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АТФ+Н₂0→АДФ+Н₃PO₄ (4.1.1)

 

Эта реакция сопровождается освобождением около 40 кДж/моль энергии.

Запас АТФ в клетке невелик, поэтому ее расход в клетке необходимо компенсировать. Синтез АТФ, происходящий в цитоплазме клетки, также представляют собой яркий пример биохимических процессов. Главным поставщиком энергии для синтеза АТФ является глюкоза. Расщепление глюкозы происходит в две стадии.

1 Гликолиз (бескислородное расщепление). Гликолиз представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в результате которого из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Каждую реакцию (ступень) гликолиза катализирует свой фермент. В результате гликолиза освобождается 200 кДж/моль энергии, 60% которой рассеивается в виде тепла, а 40% сберегается в форме АТФ.

2 Кислородное расщепление следует после завершения гликолиза. В этом процессе участвуют ферменты, вода, окислители, переносчики электронов и молекулярный кислород. Основное условие нормального кислородного процесса – неповрежденные мембраны митохондрий. В процессе кислородного расщепления возникает разность потенциалов по обеим сторонам мембраны. В некоторых участках мембраны в нее встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ, процесс синтеза происходит в том случае, если разность потенциалов достигает некоторого критического уровня (около 200 мВ). В процессе кислородного расщепления освобождается энергия, 45% которой рассеивается в виде тепла, а 55% преобразуется в энергию химических связей АТФ.

Расщепление в клетке 1 молекулы глюкозы до оксида углерода и воды обеспечивает синтез 38 молекул АТФ, 2 из которых образуются в результате гликолиза и 36 при бескислородном расщеплении.

Из реакций пластического обмена важнейшее значение имеет биосинтез белков. Основная роль в определении структуры синтезируемого белка принадлежит ДНК. Отдельные участки молекулы ДНК соответствуют определенным генам. Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов. Как уже упоминалось, три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода – кодон. Каждый кодон определяет положение одной аминокислоты. Генетический код всего живого одинаков, что свидетельствует о биохимическом единстве жизни.

Биосинтез белка представляет собой цепь реакций: синтез информационной РНК, соединение аминокислот с транспортной РНК, «сборка» белка. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами и требуют энергетических затрат. Энергия для синтеза белка освобождается при расщеплении АТФ.

Пластический и энергетический обмены в клетках растений и животных сходны. В клетках растений протекают те же этапы энергетического обмена – бескислородный и кислородный процессы. Однако в клетках растений, содержащих хлорофилл, кроме того, протекают специфические процессы, имеющие большое значение для живой природы. Растительные клетки способны синтезировать органические вещества из простых неорганических соединений, используя для этого энергию солнечного излучения. Синтез органических соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения, называется фотосинтезом. Фотосинтез представляет собой многоступенчатый процесс, который выражается следующим суммарным уравнением:

 

6СO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂ (4.1.2)

 

В ходе фотосинтеза из бедных энергией диоксида углерода и воды образуется углевод глюкоза – богатое энергией вещество. Громадное значение для живой природы имеет образование при фотосинтезе молекулярного кислорода.

Способность синтезировать органические вещества из неорганических свойственна также некоторым видам бактерий. Бактерии обладают специальным ферментным аппаратом, позволяющим им преобразовывать энергию химических реакций (в частности энергию реакций окисления неорганических соединений) в энергию синтезируемых органических соединений. Такой биохимический процесс называется хемосинтезом.

 

Контрольные вопросы