Молекулярная структура

Рассмотрим для начала два объекта — алмаз и кальцит, структура которых довольно характерна для обычного вещества:

В природе часто встречаются вещества подобного рода. Мы видим, что они имеют упорядоченную форму, и этому есть свои причины, что станет ясно при делении вещества на все более мелкие части. Отложим в сторону алмаз (наш бюджет не позволит проводить с ним эксперименты) и начнем дробить кальцит при помощи долота и молотка. Он распадется на мелкие куски, но — что самое интересное — эти куски будут повторять структуру большого куска. Не обращая внимания на размеры, можно заметить, что углы между гранями и плоскостями остаются постоянными. Раздробив минерал на мельчайшие частички и рассмотрев их под микроскопом, мы увидим все ту же, уже известную нам форму. Оказывается, такое строение имеют даже мельчайшие частички вещества.

Химики, которые называют кальцит карбонатом кальция, скажут, что его структура состоит из карбонатной группы (СО₃, в которой атом углерода соединен с тремя атомами кислорода) и одного атома кальция. Физические наблюдения показывают, что многочисленные карбонатные группы и атомы кальция расположены в пространстве под теми же углами, что и грани большого кристалла кальцита.

Таким образом, видимая структура материала повторяет кристаллическую структуру. Это та же структура, только во много раз увеличенная.

Физические свойства вещества на макроскопическом уровне отображают закономерности на микроскопическом уровне.

Структура биологического материала также определяется его молекулярным строением. Многие биологические структуры походят на кристаллы, и под микроскопом видны их красивые, четкие формы. Мы уже видели, как упорядочены клетки внутри организма. Такое расположение зависит от структуры материалов, из которых они состоят.

Клетки и ткани всех организмов состоят из одних и тех же веществ. Прежде всего, это вода. На долю воды приходится около 70—90% всех биологических веществ, и потому физические и химические свойства воды во многом определяют свойства биологического материала. В воде растворены соли таких элементов, как натрий, калий, кальций, магний и хлор. Оставшаяся доля приходится на органические вещества, которые состоят из атомов углерода (С), связанных с атомами водорода, кислорода, азота (N) и иногда серы (S) и фосфора (Р).

Самые простые органические молекулы, которые можно встретить в природном газе или в нефти, — метан, этан и пропан.

Они называются углеводородами, поскольку состоят из атомов углерода и водорода. Эти атомы можно изобразить в виде крошечных шариков, соединенных между собой химическими связями. При химической связи два атома делят между собой пару электронов — по одному от каждого атома. На наших рисунках связь между двумя атомами изображена в виде линии. Каждый элемент характеризуется валентностью, или способностью образовывать определенное число химических связей. Валентность углерода равна четырем, поэтому каждый атом углерода может быть связан с четырьмя другими атомами; благодаря этому его свойству образуется большое число самых разных сочетаний атомов, что приводит к огромному разнообразию органических молекул (рис. 3.3). Две и три параллельные линии означают двойную и тройную связь соответственно. Связь посредством пары электронов называется ковалентной; она очень прочная, для ее разрыва требуется значительное количество энергии, потому органические молекулы довольно стабильны. Однако связи легко разрываются при сгорании (окислении), высвобождая большое количество энергии, поэтому углеводороды служат ценным видом топлива.

В самой простой органической молекуле метана атом углерода связан только с четырьмя атомами водорода. В другой молекуле атом углерода соединен одной связью с другим атомом углерода, образуя цепь С—С, на концах которой располагаются атомы водорода. Цепь С—С может достигать очень большой длины; молекулы воска, например, состоят из 30—36 атомов углерода. Цепь атомов углерода может также замыкаться в кольца различного размера. Но самое большое разнообразие получается от соединения атомов углерода с группами атомов других элементов. Например, гидроксильная группа ОН (кислород, связанный с водородом), присоединенная к углеродной цепи, образует спирт (алкоголь).

Рис. 3.3. Разнообразие органических молекул, основным элементом которых служат атомы углерода, как правило, соединенные в цепи. Каждая линия между атомами соответствует связи, то есть общей паре электронов. Двойные и тройные линии обозначают двойные и тройные связи между атомами. Более сложные молекулы, особенно те, что имеют кольцевые структуры, обычно изображаются в виде линий, в местах соединения которых атомы углерода (часто с одним или двумя атомами водорода) не обозначаются. Поскольку валентность углерода равна четырем, каждый атом углерода должен иметь четыре связи; если показаны только три связи атома углерода, то с этим атомом должен быть связан еще один атом водорода

Аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода (NH₂), соединенная с углеродной цепью, образует амин. В более сложных группах атом кислорода связан с атомом углерода двойной связью (С=О), и одна из таких комбинаций, карбоксильная группа СООН, образует молекулу кислоты. (Кислотой называется любое химическое соединение образующее ионы водорода; вспомним, что ионами называются положительно и отрицательно заряженные атомы или группы атомов.)

Комбинации всех видов этих групп с углеродными цепями различной длины и кольцами дает необычайно большое количество органических соединений, но в живых организмах часто встречаются лишь некоторые из них. Самые важные соединения — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Липиды, к которым относятся всем известные жиры и масла, состоят из длинных углеродных цепей — обычно из 16—18 атомов углерода. Мы прекрасно знакомы с их свойствами: ведь это те самые вещества, что оставляют несмываемые пятна на одежде. Все знают, что вода и масло не смешиваются. Вещества, которые смешиваются с водой, называются гидрофильными (буквально «любящими воду»), а вещества, которые, подобно маслу, не смешиваются с ней, называются гидрофобными («боящимися воды»). (Жирные, маслянистые пятна на одежде следует удалять при помощи сухих очистителей, в состав которых входят такие растворители как тетрахлорид углевода, или же при помощи растворителей, содержащих бензин, который также гидрофобен.) По существу, липиды можно определить как вещества, растворяющиеся только в гидрофобных растворителях.

Другие важные биологические вещества отличаются гигантским размером своих молекул. Молекулярный вес небольших молекул, таких, как пропан, бензин или сахар (вроде глюкозы), не превышает двух сотен единиц. В отличие от них, белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие строительные материалы клеток образованы крупными молекулами — макромолекулами, потому что их молекулярный вес исчисляется тысячами единиц и более. В том, что строительные материалы клеток бывают столь большими, ничего необычного нет, ведь и мы при строительстве используем длинные стальные балки и перекрытия из фанеры и железобетона. Твердые части клеток также состоят из больших компонентов.

Но все эти макромолекулы имеют сравнительно несложную структуру. Они представляют собой полимеры, состоящие из повторяющихся одинаковых, или идентичных, молекул, называемых мономерами:

Например, углеводороды состоят из Сахаров, которые представляют собой небольшие органические молекулы с формулой вроде С₆Н₁₂О₆. Сахара, представляющие наибольший интерес для нас, — такие, как глюкоза, галактоза и манноза — имеют сложную структуру. Они могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи, иногда даже с ответвлениями. Когда молекулы глюкозы соединяются специфическим образом (химики называют это бета 1:4 связью), то получается целлюлоза:

Целлюлоза — прочный волокнистый материал, из которого состоят стенки растительных клеток, и как следствие это основная составляющая древесины. Но если молекулы глюкозы соединяются иначе (альфа 1:4 связь, иногда с ветвями 1:6), то получаются крахмал и гликоген — основной запасной материал растений и животных. Другие сахара в различных соединениях образуют пектины и камеди, из которых состоит сочная мякоть плодов и других частей растений. Все эти полимеры, масса которых достигает нескольких тысяч единиц, называются полисахаридами, а составляющие их мономеры (сахара) — моносахаридами. Другие полимеры также носят названия, начинающиеся на приставку «поли-», что значит «много».

Одни из самых важных полимеров, белки, состоят из длинных цепей мономеров — аминокислот. Аминокислоты названы так, потому что содержат аминогруппу (NH₂) и группу органической кислоты (СООН). Две аминокислоты сцепляются посредством соединения карбоксильной группы одной с аминогруппой другой и выделением молекулы воды:

Образовавшаяся молекула {дипептид) на одном конце по-прежнему имеет аминогруппу, а на другом — кислую группу, поэтому к ней могут присоединяться другие аминокислоты. Три аминокислоты образуют трипептид, и так далее; молекула из многих аминокислот называется полипептидом, что, собственно говоря, и есть белок. В типичном белке в одну длинную цепь соединены 200—300 аминокислот. (Когда аминокислота утрачивает аминогруппу и кислотную группу, встраиваясь в цепь, она называется остатком аминокислоты.) Поскольку у средней аминокислоты молекулярный вес равен приблизительно 100 единицам, то цепь в 300 аминокислот, или средний белок, имеет атомный вес около 3000 единиц.

Природные белки образуются из 20 видов аминокислот, отличающихся только структурой своей боковой цепи (табл. 3.1). Аминокислоты могут соединяться в любой последовательности, поэтому клетки способны производить огромное количество видов белков. Их предполагаемое разнообразие выходит за рамки человеческого представления. Если имеется 20 видов аминокислот, то 2 аминокислоты — 400 видов дипептидов (с двумя остатками). Трипептидов уже будет 8 тысяч видов, тетрапептидов — 160 тысяч, а цепей из 300 аминокислот — 20³⁰⁰ видов. Такое огромное число невозможно себе представить. Все белки, когда либо производившиеся земными организмами, составляют лишь небольшую часть возможного разнообразия.

Каждый вид белка отличается уникальной последовательностью аминокислот. Например, у человека молекула гемоглобина, входящего в состав красных кровяных телец — эритроцитов, переносит кислород с кровью. Она начинается с последовательности Val—H is—Leu—Thr—Pro—Glu—Glu- Lys— Ser—Ala—Val—Thr—Ala (буквенные сокращения означают ту или иную аминокислоту). У обычного человека каждая молекула гемоглобина начинается именно с этой последовательности.

В простейшем организме производится по меньшей мере около 2 тысяч различных белков, а в сложных организмах, например у человека, — порядка 30—50 тысяч. (Недавние исследования определили именно такой диапазон, хотя точное количество остается неизвестным.) Каждый белок имеет структуру, подходящую для выполнения различных функций, поскольку белки — это основные «рабочие лошади» организма. Они выполняют практически все функции, которые мы отождествляем с понятием «живой организм»:

♦ белки — это ферменты, которые убыстряют и контролируют все химические реакции в организме;

♦ белки образуют видимые структуры тела: кератины служат строительным материалом волос, кожи и перьев; коллагены входят в состав хрящей и костей;

♦ белки образуют волокна, которые сокращают и растягивают мышцы и другие подвижные образования, такие как реснички и жгутики;

♦ белки составляют важный класс гормонов, которые передают сигналы от одного вида клеток в организме другому виду клеток;

♦ белки образуют рецепторы, которые получают сигналы, соединяясь с другими молекулами; клетка получает сигналы от гормонов, если молекула гормона соединяется с одним из ее
рецепторов; рецепторы, благодаря которым мы чувствуем вкус и запах, позволяют организму распознавать наличие небольших молекул во внешней среде и реагировать на них; белки переносят ионы и небольшие молекулы через клеточные мембраны, что необходимо для работы нашей нервной системы и таких
органов, как почки; белки регулируют все виды процессов и следят
за тем, чтобы они происходили с нужной скоростью.

Понять, каким образом устроены клетки и как они работают, можно, только узнав подробнее о некоторых функциях белков.