ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Органическими веществами называют сложные углеродсодержащие вещества, количество которых во много раз превосходит количество неорганических соединений. Если в начале XIX в. было известно около 80 органических веществ природного происхож­дения, то к началу XX в. их число составило уже 100 000, а сейчас число органических соединений, выделенных из природного сы­рья или полученных синтетически, превышает несколько милли­онов и постоянно увеличивается.

Первоначально считалось, что органические вещества синте­зируются только живыми организмами и для их образования не­обходима "жизненная сила". Действительно, все встречающиеся в природе органические вещества входят в состав живых организ­мов или являются продуктами их жизнедеятельности. Однако хи­мический синтез мочевины показал полную несостоятельность ви­талистических взглядов на сущность жизни и на природу хими­ческих процессов, приводящих к образованию органических ве­ществ.

Большинство органических веществ образовано небольшим ко­личеством элементов. Практически во все эти вещества, помимо углерода, входит водород, многие из них содержат кислород и азот. Эти четыре элемента легко образуют ковалентные связи за счет спаривания электронов на внешних орбиталях атомов. Для полного заполнения внешней орбитали углероду недостает четы­рех электронов, поэтому он способен образовать четыре общие электронные пары (четыре ковалентные связи), азоту недостает трех электронов, кислороду — двух, а водороду — одного. Угле­род, азот и кислород способны, кроме того, образовывать и двой­ные связи, что значительно увеличивает разнообразие органичес­ких веществ и придает им новые свойства. В состав большого числа органических соединений входят также сера, фосфор и галогены.

Входящие в состав живых организмов органические вещества крайне разнообразны по своей структуре и выполняемым функ­циям. На этих свойствах основана их классификация, хотя в ряде случаев этот принцип строго не соблюдается. Например, в группу витаминов объединены вещества, имеющие разную структуру, химические свойства и обладающие различным биологическим действием, однако все они необходимы животным и человеку в микроколичествах. В состав живых организмов входят не только низкомолекулярные органические вещества (аминокислоты, саха­ра, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т.д.), но и вы­сокомолекулярные, или биополимеры. Полимерами называют моле­кулы, состоящие из большого количества повторяющихся единиц — мономеров, соединенных друг с другом ковалентными связями и образующих длинную неразветвленную или разветвленную цепь. Полимер называют гомополимером, если входящие в его состав мономеры одинаковы (например, полисахариды — крахмал, гли­коген, целлюлоза, состоящие из молекул глюкозы), или гетерополимером, если он построен из нескольких различающихся "стро­ительных блоков" (белки, построенные из 20 аминокислот, нук­леиновые кислоты, состоящие из нуклеотидов 4 типов).

Липиды.Особую группу органических соединений клетки со­ставляют липиды (жиры и жироподобные вещества), имеющие раз­ное строение и выполняющие разнообразные функции. Все они являются гидрофобными соединениями, т.е. нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных органических растворителях (хлоро­форме, бензоле, эфире). Наиболее просто устроены нейтральные липиды, или жиры, которые представляют собой эфиры треха­томного спирта глицерина и жирных кислот (рис.X.12). Если все гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислота­ми, образуются триглицериды, если две или одна — диглицериды и моноглицериды соответственно.

Входящие в состав нейтральных липидов жирные кислоты содержат, как правило, четное число атомов углерода (от 14 до 22, чаще всего 16 или 18). Если в молекулах жирных кислот имеются одна или несколько двойных связей, они называются ненасыщенными или полиненасыщенны­ми. Ненасыщенные жирные кислоты имеют низкую температуру плавле­ния, поэтому образованные ими липиды жидкие при температуре тела или при температуре окружающей среды (например, растительное мас­ло), тогда как липиды, содержащие насыщенные, т.е. не имеющие двой­ных связей жирные кислоты, плавятся при более высоких температурах (например, свиное сало, сливочное масло).

Рис.Х.12. Структуры молекул нейтрального жира (триглицерида) и основных представителей фосфолипидов

Нейтральные жиры могут откладываться в цитоплазме в виде жировых капель; в клетках жировой ткани, например, они запол­няют практически все внутреннее пространство. Расщепление жи­ров до углекислого газа и воды дает большое количество энергии (38,9 кДж/r), этим обусловлена энергетическая функция жиров. Ос­вобождаемое при их окислении большое количество воды (при "сгорании" 1 г жира освобождается 1,1 г воды) используется орга­низмами, именно поэтому животные пустынь (верблюды) или впадающие в зимнюю спячку (сурки, суслики) могут длительное время обходиться без воды, используя свои жировые запасы. Та­ким образом, жиры могут быть источником воды. У животных ней­тральные жиры откладываются в основном в подкожной клетчат­ке, где создают хороший теплоизоляционный слой, особенно раз­витый у морских млекопитающих — китообразных и ластоногих (теплоизоляционная функция). Откладываясь в полости тела вокруг внутренних органов, жировая подушка защищает их от механи­ческих повреждений при движении, прыжках, ударах и т.д. (за­щитная функция жиров). В небольших количествах нейтральные жиры входят в состав биологических мембран, выполняя тем са­мым структурную функцию.

Однако основу биологических мембран составляют не нейт­ральные жиры, а фосфолипиды. Они также представляют собой эфиры глицерина и жирных кислот, но с жирными кислотами в молекуле глицерина связаны только две спиртовые группы, а тре­тья образует эфирную связь с остатком фосфорной кислоты (см. рис.Х.12). Фосфорная кислота может образовывать дополнитель­ную эфирную связь с низкомолекулярными спиртами, формируя различные классы фосфолипидов.

Если в состав фосфолипида входит аминоспирт холин, образуется фосфатидилхолин (лецитин), если аминоспирт этаноламин — фосфатидилэтаноламин (кефалин), если аминокислота серии — фосфатидилсерин и т.д.

Таким образом, в составе молекул всех фосфолипидов имеют­ся гидрофобная (остатки жирных кислот) и гидрофильная (фосфор­ная кислота и присоединенный к ней спирт) компоненты, и по­этому молекулы могут контактировать как с полярными, так и с неполярными растворителями (такие вещества называют амфифильными). В воде и водных растворах фосфолипиды самопроиз­вольно формируют мицеллы, или капли, в которых жирнокислотные "хвосты" обращены внутрь, а полярные "головки" — в ра­створ, липосомы — двухслойные фосфолипидные везикулы, внут­ренний объем которых заполнен водой, или протяженные плос­кие бислойные структуры — основу всех биологических мембран (рис.Х.13). Такие мембраны окружают все клетки, создавая гидро­фобный барьер между внутриклеточным содержимым и наруж­ной средой; мембраны клеточных органоидов отделяют их содержимое от цитоплазмы и разделяют клетку на отсеки — компартменты. Мембраны плохо проницаемы для воды и полярных соеди­нений (солей, аминокислот, Сахаров), но проницаемы для гидро­фобных веществ.

Рис.X. 13. Схематическое изображение мицеллы (А), липосомы (Б) и фосфолипидного бислоя (В), образуемых фосфолипидами в водном окружении

В состав мембран входят различные белки, как интегральные, так и периферические (см. рис.Х.3), которые обес­печивают избирательную проницаемость мембран для различных веществ, иногда затрачивая на это энергию АТФ (ионные насо­сы, ионные каналы, белки-переносчики, рецепторы гормонов и т.д.). Поскольку в состав фосфолипидов входит большое количе­ство ненасыщенных и полиненасыщенных жирных кислот, био­логические мембраны при температуре обитания живых организ­мов находятся в "полужидком" (жидкокристаллическом) состоя­нии, что обеспечивает их гибкость, упругость и высокую подвиж­ность встроенных в них белков. Итак, основной функцией фосфо­липидов является формирование биологических мембран (строи­тельная функция).

Особое место среди липидов занимают стероиды — полицик­лический спирт холестерин и его производные (рис.X.14). Холе­стерин и его эфиры с жирными кислотами входят в состав биоло­гических мембран, придавая им определенную "жесткость" (струк­турная функция). Кроме того, в корковом слое надпочечников из холестерина образуются стероидные гормоны (минералкортикоиды и глюкокортикоиды), регулирующие водно-солевой и угле­водный обмен, а в половых железах — половые гормоны (мужс­кие — андрогены и женские — эстрогены).

Рис.X. 14. Структура холестерина и его производных — гормонов коркового слоя коры надпочечников

В клетках печени из хо­лестерина образуются желчные кислоты (холевая, дезоксихолевая и др.), необходимые для нормального переваривания жиров в ки­шечном тракте. Эти кислоты являются поверхностноактивными веществами и способны эмульгировать жировые капли. Кроме того, они активируют липазы — ферменты, расщепляющие жиры и выделяемые в двенадцатиперстную кишку поджелудочной желе­зой. Таким образом, производные холестерина выполняют регуляторную функцию.

Нарушения в обмене холестерина вызывают тяжелое заболевание — атеросклероз, при котором холестерин может откладываться на стенках кровеносных сосудов в виде "холестериновых бляшек", сужая просвет сосудов и нарушая кровоснабжение органов и тканей, что приводит к развитию ишемии (недостаточное снабжение кислородом) мозга и серд­ца и, в конечном итоге, к инсульту (поражение мозга) или инфаркту миокарда. Следует помнить, что развитие атеросклероза провоцируется не только неправильным питанием, но и курением или употреблением спиртных напитков.

К липидам относятся воска — эфиры жирных кислот и много­атомных спиртов. У животных они вырабатываются кожными же­лезами. Покрывая тонким слоем шерсть и перья, воска предохра­няют их от намокания. Некоторые насекомые (пчелы) использу­ют воска для постройки сотов. У растений воска создают защит­ный налет на листьях и плодах. Много восков вырабатывают также морские планктонные микроорганизмы.

К липидам относят жирорастворимые витамины — A, D, Е, обладающие высокой биологической активностью.

Нуклеотиды (АТФ и НАД⁺). АТФ (аденозинтрифосфорная кис­лота) представляет собой мононуклеотид и, как все нуклеотиды, состоит из азотистого основания (аденина), пятиуглеродного са­хара рибозы и остатков (в данном случае трех) фосфорной кислоты (рис.Х.15). Гидролиз молекулы АТФ, осуществляемый специаль­ными ферментами — АТФазами, приводит к отщеплению от ее молекулы одного остатка фосфорной кислоты и к образованию АДФ (аденозиндифосфорной кислоты). Эта реакция сопровождается вы­делением значительного количества энергии (около 40 кДж/моль). Такие связи, гидролиз которых сопровождается значительным вы­делением энергии, называются макроэргическими. В молекуле АТФ две макроэргические связи — между первым и вторым и между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты, поэтому от­щепление от АТФ двух остатков фосфорной кислоты (пирофосфата) с образованием АМФ (аденозинмонофосфорной кислоты) будет также сопровождаться выделением энергии.

Рис.Х.15. Структура молекулы АТФ. Волнистые линии показывают богатые энер­гией (макроэргические) связи между 1 и 2 (α и β) и 2 и 3 (β и γ) остатками фосфорной кислоты, разрыв которых с отщеплением пирофосфата и фосфата соответственно сопровождается выделением энергии

Рис.Х.16. Структура молекулы динуклеотидов НАД+ и НАДФ+. Показано присоединение до­полнительной фосфатной груп­пы к остатку рибозы в молеку­ле НАДФ+ (А). Изменение структуры остатка амида нико­тиновой кислоты при присое­динении к нему двух электро­нов и протона (аниона Н-)(Б)

АТФ является универсальным аккумулятором энергии, энерге­тической "валютой" в клетках живых организмов. Процессы, со­провождающиеся выделением энергии, живые организмы "научи­лись" сопрягать с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фос­фата (субстратное фосфорилирование в ходе гликолиза и броже­ния, окислительное фосфорилирование в митохондриях, фотофосфорилирование в хлоропластах растений). В свою очередь, все процессы, протекающие с потреблением энергии, сопровожда­ются гидролизом АТФ до АДФ и неорганического фосфата (или до АМФ и пирофосфата). Освобождаемая при этом энергия использу­ется клетками для совершения механической работы (АТФаза актомиозина обеспечивает мышечное сокращение), для транспорта че­рез биологические мембраны ионов натрия, калия или кальция про­тив градиента их концентрации (№⁺,К⁺-АТФаза и Са²⁺-АТФаза), а также для различных процессов биосинтеза.

Кроме АТФ, в клетках присутствуют и другие нуклеотиды, отличаю­щиеся от АТФ структурой азотистого основания: ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), УТФ (уридинтрифосфорная кислота), ЦТФ (цитидинтрифосфорная кислота). Это также макроэргические соединения, энер­гия гидролиза которых используется, например, при синтезе белка (ГТФ), полисахаридов (УТФ), фосфолипидов (ЦТФ). Все перечисленные нукле­отиды необходимы для синтеза РНК (рибонуклеиновой кислоты). Дезок-сирибонуклеотиды, содержащие в своем составе пятиуглеродный сахар дезоксирибозу вместо рибозы — дезокси-АТФ, дезокси-ГТФ, дезокси-ЦТФ и дезокси-ТТФ (дезокситимидинтрифосфорная кислота), являются структурными компонентами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).

Помимо мононуклеотидов, важную роль в обмене веществ иг­рают динуклеотиды, в первую очередь НАД⁺ (никотинамидаде-ниндинуклеотид) и НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), имеющие в своем составе два азотистых основания (аденин и амид никотиновой кислоты — производное витамина РР), два остатка рибозы и два остатка фосфорной кислоты (рис.X.16).

Если АТФ является в клетке универсальным источником энер­гии, то НАД⁺ и НАДФ⁺ — универсальные акцепторы, а их вос­становленные формы — НАДН и НАДФН — универсальные до­норы восстановительных эквивалентов (атомов водорода, или, точ­нее, двух электронов и одного протона) в большинстве окисли­тельно-восстановительных реакций (рис.Х.16).

Входящий в состав остатка амида никотиновой кислоты атом азота четырехвалентен и несет положительный заряд (именно поэтому в аб­бревиатуре НАД⁺ используют значок "+"); это азотистое основание в составе молекулы НАД⁺ легко присоединяет два электрона и один про­тон (т.е. восстанавливается) в тех реакциях, в которых от субстрата при окислении под действием ферментов дегидрогеназ отрываются два атома водорода (второй протон уходит в раствор):

субстрат-Н₂ + НАД⁺ → субстрат + НАДН + Н⁺.

В обратных реакциях ферменты, окисляя НАДН или НАДФН, восста­навливают субстраты, присоединяя к ним два атома водорода (второй протон приходит из раствора).

Итак, окисление различных субстратов в процессе энергети­ческого обмена приводит к накоплению восстановительных экви­валентов в виде НАДН (реакции цикла Кребса, окисление жирных кислот и т.д.). НАДН может использоваться в различных реакциях биосинтеза, а также окисляться в дыхательной цепи митохонд­рий; освобождаемая при этом энергия запасается в виде АТФ. НАДФН образуется в основном при окислительном расщеплении углеводов, а у растений — при фотосинтезе, и также использует­ся либо для синтетических процессов, либо для получения энер­гии вдыхательной цепи митохондрий.

Кроме никотиновых нуклеотидов, кофакторами многих дегидрогеназ могут быть также флавиновые нуклеотиды — флавинадениндинуклеотид (ФАД) и флавинмононуклеотид (ФМН), которые являются производ­ными витамина В₂ (рибофлавина). В отличие от НАД⁺ и НАДФ⁺, они присоединяют два атома водорода — два протона и два электрона. Их окисление в дыхательной цепи митохондрий также сопровождается вы­делением энергии, запасаемой в виде АТФ.

Углеводы. Углеводами (сахарами, сахаридами) называют орга­нические соединения с общей формулой (СН₂О)_п. По химической природе это чаще всего альдегидоспирты или кетоспирты. В зави­симости от числа входящих в молекулу Сахаров углеродных атомов (3, 4, 5, 6 и т.д.) их подразделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. В живых организмах присутствуют как моносахари­ды, так и ди- и полисахариды.

Среди моносахаридов наибольшее значение имеют пентозы: рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеотидов, РНК и ДНК, рибулоза, играющая важную роль в процессе фиксации углекис­лого газа в ходе фотосинтеза, а также гексозы: глюкоза — основ­ной источник энергии у человека и многих животных, фруктоза и галактоза, содержащиеся соответственно в продуктах раститель­ного происхождения и молоке млекопитающих (рис.X. 17). Триозы и тетрозы (глицериновый альдегид и др.) образуются в качестве промежуточных продуктов в различных процессах обмена веществ. Из дисахаридов наиболее распространены сахароза (фруктовый сахар), состоящая из молекул глюкозы и фруктозы, и лактоза (молочный сахар), состоящая из молекул глюкозы и галактозы (рис.Х.17).

Полисахариды представляют собой, как правило, гомополимеры, состоящие из повторяющихся мономеров — молекул глюко­зы, соединенных ковалентной связью между 1 и 4 (а у разветвлен­ных полисахаридов — также 1 и 6) атомами углерода. Линейный полисахарид целлюлоза (клетчатка) образует стенки раститель­ных клеток (рис.Х.18). В ней молекулы глюкозы соединены β-1,4-связью, для расщепления которой нужны специальные ферменты.

Рис.Х.18. Участок молекулы полисахаридов крахмала и гликогена (А). Показано место присоединения к линейной цепи, в которой молекулы глюкозы соеди­нены α-1,4-связью, бокового ответвления за счет образования 1,6-связи. Участок молекулы полисахаридов целлюлозы и хитина (Б). Мономеры (глюкоза и N- ацетилглюкозамин соответственно) в этих полимера соединены β-1,4-связями

Целлюлозу могут расщеплять многие бактерии, грибы, однокле­точные микроорганизмы, поэтому они играют главную роль в разложении растительных остатков. Некоторые из этих бактерий и микроорганизмов обитают в сычуге жвачных животных, позволяя им усваивать целлюлозу. В желудке и кишечнике других животных и человека нет ферментов, расщепляющих целлюлозу, поэтому пища, содержащая клетчатку, у них полностью не усваивается.

Основной растительный полисахарид крахмал и основной по­лисахарид грибов и животных гликоген — разветвленные полиме­ры, близкие по структуре (гликоген имеет более разветвленную структуру) (см. рис.Х.18). Молекулы глюкозы в них соединены ос-1,4-связью, которая легко расщепляется пищеварительными фер­ментами животных — амилазами. Образующаяся при расщеплении этих полисахаридов глюкоза всасывается в кишечнике и поступа­ет в кровь. С кровью она разносится по организму и проникает в клетки, где либо используется для получения энергии (в процессе гликолиза), либо откладывается в запас в виде гликогена. У расте­ний основным запасным полисахаридом является крахмал. Рас­щепление глюкозы в анаэробных условиях (в ходе гликолиза или брожения) или полное аэробное окисление в митохондриях сопро­вождается выделением большого количества энергии (17,6 кДж/г). Такие же процессы происходят и в организме человека, поэтому в его рационе углеводы занимают значительное место. Их утилиза­ция практически полностью покрывает энергозатраты организма.

К полисахаридам относится хитин — линейный полимер, со­стоящий из остатков N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных β-1,4-связью (см. рис.Х.18). Хитин выполняет структурную и за­щитную функции. Он образует основу наружного скелета членис­тоногих и ряда других беспозвоночных, а также входит в состав клеточных стенок грибов и некоторых зеленых водорослей. Комп­лексы хитина с белками, пигментами и солями кальция пред­ставляют собой очень прочные, высокоупорядоченные надмоле­кулярные структуры, которые не растворяются в воде.

Таким образом, углеводы в живых организмах выполняют струк­турную, защитную (целлюлоза, хитин), запасную (гликоген, крах­мал) и энергетическую (моно-, ди- и полисахариды) функции.

Белки. Белки, или протеины.— высокомолекулярные органи­ческие соединения, неразветвленные гетерополимеры, состоящие из остатков аминокислот. Название "белок" было впервые дано веществу птичьих яиц, свертывающемуся при нагревании в белую нерастворимую массу. Позднее этот термин был распространен на другие вещества с подобными свойствами, выделенные из живот­ных и растений. С середины XIX в. белки стали называть "протеи­нами" (от protos — первый, главный), подчеркнув важность этих веществ для жизни.

Белки построены из 20 различных a-L-аминоки­слот, соеди­ненных пептидной связью (-CO-NH-) (рис.Х.19). Аминокислоты, входящие в состав белков, называют протеиногенными. Огромное разнообразие белков определяется последовательностью входящих в них аминокислотных остатков и длиной полипептидной цепи. От них зависят различия пространственной структуры, химичес­ких и физических свойств белков. В настоящее время общее число белков, встречающихся у всех видов живых организмов, опреде­ляется величиной порядка 10¹⁰—10¹². В состав одной белковой цепи может входить от -50 до -5000 аминокислот (молекулярная масса отдельных полипептидных цепей белков, которые называются субъединицами, составляет, таким образом, от -5 до -550 тысяч дальтон, а молекулярная масса белковых комплексов, состоящих из нескольких субъединиц, может достигать нескольких милли­онов дальтон). Белки, содержащие менее 50 аминокислотных ос­татков, называют пептидами (к ним относятся многие антибио­тики, токсины, гормоны), а более крупные — полипептидами (та­кое деление в известной степени условно).

Рис.Х.19. Структура трипептида, состоящего из аминокислот серина, аланина и тирозина, соединенных пептидными связями

Входящие в состав белков аминокислоты, помимо карбоксиль­ной и аминогруппы, имеют различные боковые радикалы, кото­рые могут быть заряжены отрицательно (дикарбоновые глутаминовая и аспарагиновая аминокислоты) или положительно (гис-тидин, лизин, аргинин, имеющие дополнительные амино- или иминогруппы), содержат атомы серы (цистеин и метионин), гид-роксильные группы (серии, треонин, тирозин), ароматические кольца или гетероциклы (фенилаланин, тирозин, триптофан), могут быть гидрофобными (валин, лейцин, изолейцин) и т.д. Поэтому свойства белков будут определяться составом входящих в них аминокислот: белки могут быть щелочными или кислыми, гидрофобными или гидрофильными, т.е. плохо или хорошо ра­створимыми в воде. Как правило, гидрофобные аминокислотные радикалы расположены внутри белковых молекул, а гидрофильные экспонированы наружу: они взаимодействуют с молекулами воды, образующими вокруг белка гидратную оболочку. Боковые радикалы аминокислот участвуют в поддержании нативной струк­туры белков за счет образования водородных связей друг с дру­гом, а также электростатических и гидрофобных взаимодействий.

В живых организмах встречается не 20 аминокислот, входящих в со­став белков (их называют протеиногенными), а гораздо больше — около 100. Многие из них выполняют в клетках очень важные функции, так как являются компонентами различных биологически активных соединений и участвуют в обменных процессах. Так, в синтезе мочевины задейство­ваны аминокислоты орнитин и цитруллин, не встречающиеся в белках, а также протеиногенные аминокислоты аргинин и аспарагиновая кисло­та. Из аминокислот образуются многие гормоны и нейромедиаторы: из тирозина синтезируются катехоламины — гормоны мозгового слоя над­почечников (адреналин, норадреналин), гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин) и пигмент меланин, из триптофана — серотонин, а глутаминовая кислота сама выступает в роли нейромедиатора в мозге. Помимо α-аминокислот в клетках встречаются β- и γ-аминокислоты, в которых аминогруппа присоединена не к первому, а ко второму или третьему атомам углерода. Так, например, β-аланин входит в состав кофермента А, а γ-аминома­сляная кислота является нейромедиатором.

Имеется 4 уровня структурной организации белков: первичная структура (последовательность аминокислотных остатков в поли­пептидной цепи; поддерживается ковалентными пептидными свя­зями) (см. рис.X.19), вторичная структура (α-спиральные участ­ки и β-стру­к­турные образования; поддерживается за счет водо­родных связей между СО- и NH-группами, участвующими в об­разовании пептидных связей) (рис.Х.20), третичная структура (трехмерная пространственная укладка полипептидной цепи; под­держивается за счет S-S-мостиков между остатками цистеина, гид­рофобных, электростатических и водородных связей между ами­нокислотными остатками) (рис.Х.21) и четвертичная структура (ассоциация нескольких полипептидных цепей в единую структу­ру). Четвертичную структуру имеют не все белки. Иногда различ­ные белки образуют сложные надмолекулярные комплексы, фун­кционирую­щие как единое целое (например, рибосомы или ком­поненты дыхательной цепи митохондрий).

Впервые первичная структура белка — гормона поджелудочной желе­зы инсулина — была расшифрована в 1945—1956 гг. английским ученым Ф.Сангером и его сотрудниками, за что он в 1958 г. был удостоен Нобе­левской премии. В настоящее время известна первичная структура многих белков благодаря развитию методов генетической инженерии. Структуру белка определяют по последовательности азотистых оснований в соот­ветствующей кДНК (ДНК-копия, получаемая путем матричного синтеза на иРНК с помощью фермента обратной транскриптазы) или в кодиру­ющих участках гена, что значительно облегчает и ускоряет работу ученых. Вторичную и третичную структуру белков исследуют с помощью доста­точно сложных физических методов. Первичная структура белка опреде­ляет его вторичную и третичную структуры, т.е. белки способны к самосборке. Однако сейчас установлено, что за правильную сборку и укладку полипептидной цепи белков отвечают специальные белки — шапероны.

Рис.Х.20. Схематическое изображение правозакрученной α-спирали (А) и β-структуры (Б). Точками показаны водородные связи, участвующие в поддержании вто­ричной структуры молекулы белка

Первичная структура белка наиболее устойчива, тогда как ос­тальные легко разрушаются при действии высоких температур, изменении рН, ионной силы и т.п. Такой процесс, приводящий к потере биологических свойств белка, называется денатурацией. Она может быть обратимой или необратимой, в зависимости от силы воздействия и глубины нарушения нативной структуры белка. Раз­рушение первичной структуры белка, т.е. разрыв его полипептид­ной цепи на несколько частей, называется деградацией.

Единой классификации белков не существует, хотя попытки создать её предпринимались с конца XIX в. По составу белки разделяли на про­стые — протеины, состоящие только из аминокислот, и сложные — про­теиды, в состав которых входят кроме аминокислот углеводы (гликопротеиды), липиды (липопротеиды), нуклеотиды или нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), а также металлопротеиды, фосфопротеиды и т.д. В зависимости от растворимости в воде, растворах солей, кислот, щелочей и т.п. белки разделяли на альбумины, глобулины, гистоны, протамины, глютелины, проламины и т.д. По форме молекулы выделяли белки фибрилляр­ные и глобулярные.

Рис.Х.21. Схематическое изображение третичной структуры белка миоглобина (А) и четвертичной структуры гемоглобина, состоящего из четырех субъединиц (Б)

Белки выполняют в клетках самые разнообразные функции. По­жалуй, наиболее важной из них следует признать каталитическую функцию белков-ферментов во всех химических реакциях живых организмов. Структурную функцию выполняют, например, колла­ген — фибриллярный белок соединительной ткани, кератин — белок когтей, ногтей и волос, оссеин — белок костей, белки ак­тин и тубулин, участвующие в формировании цитоскелета. Мно­гие белки выполняют транспортную функцию: гемоглобин перено­сит кислород крови, сывороточный альбумин обеспечивает транс­порт жирных кислот и стероидных гормонов, ионные насосы, ка­налы и переносчики — транспорт различных веществ через биоло­гические мембраны. Гормоны белковой и пептидной природы вы­полняют регуляторную функцию (гормон поджелудочной железы инсулин, регулирующий поступление глюкозы в клетки, гормон роста и ряд других). Антитела (иммуноглобулины), узнающие и обез­вреживающие чужеродные белки, фибриноген, обеспечивающий свертываемость крови, внутриклеточный белок интерферон, по­давляющий развитие вирусов, токсины бактерий, растений и жи­вотных являются примерами белков с защитной функцией. К бел­кам, выполняющим запасную или питательную функцию, можно отнести белок молока казеин, альбумин яиц птиц и рептилий, клей­ковину семян пшеницы, зеин семян кукурузы и т.д. Двигательную функцию выполняют белки миозин и актин, обеспечивающие мы­шечное сокращение, белки жгутиков и ресничек. Расщепление белков и утилизация аминокислот в процессе энергетического об­мена сопровождаются освобождением энергии и ее запасанием в виде АТФ — энергетическая функция.

Белки входят в состав всех живых организмов (растений, жи­вотных, бактерий, вирусов) и составляют до 50% сухого веса клеток. Каждый организм синтезирует свои собственные белки, их состав и количество могут изменяться в течение жизни. Белки в организме постоянно обновляются, это их свойство лежит в ос­нове обмена веществ (метаболизма). Синтез белков протекает на рибосомах с участием разных типов РНК. Информация о последо­вательности аминокислот в каждом индивидуальном белке хра­нится в ДНК в виде определенной последовательности нуклеотидов в гене.

Белки являются одним из важнейших компонентов пищи че­ловека и животных и не могут быть заменены другими соединени­ями, так как содержат ряд незаменимых аминокислот, способность к синтезу которых была утрачена человеком и животными в про­цессе эволюции. Их отсутствие в пище приводит к тяжелым нару­шениям азотистого обмена. В процессе пищеварения белки рас­щепляются до свободных аминокислот, которые всасываются в кишечнике и включаются в метаболизм. Они могут распадаться до простых соединений для получения клетками энергии, а могут идти на синтез белков, присущих данному организму.

Ферменты. Ферментами называют белки, осуществляющие ка­талитическую функцию. С их участием скорость химических реак­ций в организме возрастает в миллионы раз. Ферменты как ката­лизаторы обладают рядом уникальных свойств. Во-первых, они ускоряют протекание реакций при очень низких (с точки зрения химии) температурах: 37-40°С — у теплокровных животных и от 0°С — у беспозвоночных и холоднокровных организмов арктичес­ких морей, до 70°С — у организмов, обитающих в горячих источ­никах. Во-вторых, они работают при нейтральных значениях рН. В третьих, ферменты обладают высокой субстратной специфичнос­тью, т.е. взаимодействуют только с одним веществом (субстра­том) и ускоряют одну определенную реакцию. Это связано с тем, что в процессе катализа субстрат связывается в определенном уча­стке молекулы фермента — в активном центре, структура которо­го строго соответствует структуре субстрата.

В активном центре находятся боковые радикалы аминокислот, кото­рые могут располагаться в самых разных участках полипептидной цепи, т.е. вся огромная молекула фермента при формировании третичной или четвертичной структуры укладывается таким образом, чтобы нужные для формирования активного центра аминокислотные радикалы оказались в строго определенном месте, на определенном расстоянии друг от друга. Этим достигается полное соответствие структуры субстрата структуре активного центра, которые "подходят" друг к другу как "ключ к замку". Поэтому размеры молекул ферментов, как правило, во много раз пре­вышают размеры их субстратов.

При связывании в активном центре субстрат взаимодействует с белком за счет электростатических или гидрофобных взаимо­действий, которые так изменяют структуру субстрата, что он лег­ко разрывается на две части или присоединяет к себе другой суб­страт, легко окисляется или восстанавливается и т.п.Часто ферменты, помимо белковой части, содержат одно из низко­молекулярных соединений небелковой природы — кофермент, или ко­фактор (обычно он слабо связан с белковой частью фермента и может легко диссоциировать), или простетическую группу (обычно она ковалентно связана с полипептидной цепью фермента). Эти соединения не­посредственно участвуют в процессе катализа. Например, ферменты, ка­тализирующие окислительно-восстановительные реакции, часто содер­жат в качестве кофактора НАД⁺, ФАД или ионы металлов переменной валентности (железо, медь). Многие кофакторы являются производными витаминов.

Молекулы ферментов часто содержат один или несколько регуляторных центров (помимо активного центра), с которыми мо­гут взаимодействовать различные биологически активные веще­ства или промежуточные продукты обмена веществ. Такое взаимо­действие ускоряет или, наоборот, замедляет протекание катали­зируемой ферментом реакции. Этим достигается тонкая регуляция метаболизма в живых клетках. Изменение пространственной струк­туры ферментов при денатурации приводит к полной потере ими каталитической активности.

Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты выступают в клет­ках в роли носителей генетической информации и обеспечивают ее реализацию в процессе жизнедеятельности организмов. Они представляют собой линейные гетерополимеры, состоящие из по­вторяющихся строительных блоков — мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит в свою очередь из азотис­того основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. Во всех живых клетках присутствуют два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), и только вирусы содержат лишь один из типов нуклеино­вых кислот (либо ДНК, либо РНК) (рис.Х.22).

Рис.X.22. Структура главных пиримидиновых и пуриновых оснований, входящих в состав ДНК и РНК

Молекула ДНК состоит из нуклеотидов, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований — аденин (А), гуа­нин (Г, или G), тимин (Т) или цитозин (Ц, или С), пятиуглеродный сахар дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты (рис.Х.23).

Аденин и гуанин относятся к производным пурина и содержат два сопряженных гетероциклических кольца (пяти- и шестичленное), а ти­мин и цитозин — к производным пиримидина, и содержат одно шести­членное гетероциклическое кольцо.

У прокариот обычно имеется одна кольцевая молекула ДНК (коль­цевая хромосома), расположенная в цитоплазме, а также неболь­шие кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. У эукариот ДНК сосредоточена в основном в ядре, где она входит в состав хромосом, а также в органоидах, имеющих свой собствен­ный генетический аппарат и аппарат для синтеза белка — в мито­хондриях и пластидах. Молекулярная масса ДНК очень велика, даже у прокариот она составляет несколько миллиардов дальтон.

Рис. Х.23. Схема образования мононуклеотида (на примере дезоксиридина) из урацила, дезоксирибозы и фосфорной кислоты

Структурная организация молекулы ДНК была расшифрована в 1953 г. Дж.Уотсоном и Ф.Криком, получившими за это открытие Нобелевскую премию. Молекула ДНК состоит из двух нитей, расположенных параллельно друг другу и формирующих правозакрученную двойную спираль (рис.X.24). Ширина спирали — око­ло 2 нм, а длина может достигать нескольких сотен тысяч нанометров.

Каждая нить в молекуле ДНК состоит из мононуклеотидов, ковалентно связанных фосфодиэфирными связями (рис.X.25). Эти связи форми­руются между остатками фос­форной кислоты и 3'- и 5'-гидроксильными группами дезоксирибозы соседних нуклеотидов (цифрами 1, 2 и т.д. нумеруются атомы в азотис­том основании, а цифрами Г, 2' и т.д. — атомы в остатке дезоксирибозы). Обращенные внутрь спирали азотистые ос­нования нуклеотидов одной нити формируют водородные связи с азотистыми основани­ями нуклеотидов второй нити, т.е. две нити ДНК удерживаются вместе многочис­ленными водородными связя­ми, что делает такую структу­ру очень устойчивой. Каждая нить ДНК имеет 3'- и 5'-концы: у расположенных на этих концах нуклеотидов либо 3'-, либо 5'-группадезоксирибозы свободна и не участвует в фор­мировании фосфодиэфирной связи. В двойной спирали ДНК две ее нити расположены антипараплельно, т.е. "навстречу" друг другу: на каждом конце двойной спирали находятся 3'-конец одной ее нити и 5'-конец другой.

Рис.Х.24. Модель двухспиральной структу­ры молекулы ДНК по Уотсону и Крику

Уже давно было замечено, что количество входящих в состав молекулы ДНК пуриновых оснований (А + Г) равно количеству пиримидиновых ос­нований (Т + Ц). Это связано с тем, что в составе двойной спирали ДНК пурины образуют водородные связи только с пиримидинами, причем А образует связи (2 водородные связи) только с Т, а Г (3 водородные связи) — только с Ц. Длина структуры, образо­ванной парами AT и ГЦ, примерно одинакова и составляет около 1,1 нм (рис.Х.26). Пара АГ была бы слишком велика, а пара ТЦ — слишком мала, чтобы точно соответствовать внутренним разме­рам двойной спирали ДНК. Таким образом, зная, какое азотистое основание находится в данном месте в одной нити ДНК, можно легко установить, какое азотистое основание будет находиться в этом месте во второй нити ДНК. Такое строгое соответствие нуклеотидов, расположенных в парных антипараллельных нитях мо­лекулы ДНК, получило название комплементарности. Именно поэтому на каждой нити молекулы ДНК, как на матрице, можно синтезировать комплементарную ей вторую нить. Этот процесс позволяет живым организмам сохранять генетическую информа­цию и передавать ее без изменений в процессе деления дочерним клеткам, обеспечивая такое важное свойство живого, как наслед­ственность.

Рис.X.25. Фрагмент молекулы ДНК, в котором пуриновые и пиримидиновые ос­нования, присоединенные к остаткам дезоксирибозы, удерживаются вместе ковалентными 3', 5'-фосфодиэфирными связями между этими остатками

Итак, входящие в состав клеток молекулы ДНК представляют собой двухцепочечные нити, или двойную спираль. Только у не­которых ДНК-содержащих вирусов генетическая информация хра­нится в виде одноцепочечной ДНК.

В отличие от ДНК, РНК представляет собой, как правило, одноцепочечный линейный гетерополимер, состоящий из мононуклеотидов. Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из одного из четырех азотистых оснований — А, Г и Ц (как в молекуле ДНК) и урацила (У, или U), который в РНК заменяет Т, остатка пятиуглеродного сахара рибозы и остатка фосфорной кислоты. Как и в молекуле ДНК, нуклеотиды в РНК ковалентно связаны друг с другом 3',5'-фосфодиэфирными мостиками. Поскольку РНК син­тезируется, как на матрице, на одной из нитей определенного участка молекулы ДНК, то расположение нуклеотидов в ней, со­гласно принципу комплементарности, будет определяться последовательностью нуклеотидов в этой нити ДНК. При синтезе РНК напротив А (в молекуле ДНК) всегда будет располагаться У (в молекуле РНК), напротив Г — Ц, напротив Т — А, напротив Ц — Г. В клетках присутствует три типа молекул РНК: рибосомальная (рибосомная), или рРНК, информационная, или иРНК, и транс­портная, или тРНК. Все они необходимы для реализации генети­ческой информации — синтеза белка.

Рибосомальная РНК составляет до 85% от всей РНК в клетке. Она синтезируется в ядрышках и является основой для формиро­вания большой и малой субъединиц рибосом. Молекулы рРНК состоят из нескольких тысяч нуклеотидов. Рибосомальная РНК, входящая в состав цитоплазматических рибосом эукариот, боль­ше по размерам, чем рРНК рибосом прокариот, митохондрий и пластид.

Рис.Х.26. Образование водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями по Уотсону и Крику

Информационная РНК синтезируется в процессе транскрипции на определенном участке молекулы ДНК — гене, и содержит ин­формацию о последовательности аминокислот в одном (у эукари­от) или в нескольких (у прокариот) белках. Количество иРНК в клетке составляет около 5% от всей РНК и зависит от стадии клеточного цикла: при интенсивном синтезе белков количество иРНК повышается. Размеры иРНК определяются размерами ко­дируемых ими белков (или пептидов) и могут варьировать в ши­роких пределах — от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов.

Транспортная РНК составляет около 10% от всей РНК клеток. Она невелика по размерам (75—90 нуклеотидов) и выполняет в клетке специфическую функцию: присоединяет определенную ами­нокислоту и доставляет ее к месту синтеза белка в рибосомы. По­этому число разных тРНК должно соответствовать числу кодиру­ющих аминокислоты триплетов (максимально 61). В молекуле тРНК определенные участки по принципу комплементарности образу­ют "шпильки", поэтому структура ее молекулы напоминает "кле­верный лист" (рис.X.27). На одной из шпилек расположен три­плет нуклеотидов — антикодон, комплементарный кодону в молекуле иРНК. На противоположном конце молекулы расположен акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота.

Рис.Х.27. Структура молекулы тРНК (структура «клеверного листа») (А) и кон-формация, которую эта молекула принимает в растворе (Б)

Итак, РНК в большинстве живых организмов присутствует в виде однонитевой молекулы, способной образовывать "шпильки". Только у некоторых РНК-содержащих вирусов обнаружена двухцепочечная РНК, структура которой близка к структуре ДНК. У этих организмов РНК, как двух-, так и одноцепочечная, выполняет функцию хранения генетической информации.

Самоудвоение ДНК. Сохранение и передача потомству генети­ческой информации обеспечивается способностью ДНК к само­удвоению, или репликации (редупликации). По-видимому, на ран­них этапах эволюции полинуклеотидные цепи были способны до­страивать комплементарные цепи химическим (неферментатив­ным) путем. В существующих в настоящее время живых организ­мах этот сложный и многостадийный процесс контролируется рядом ферментов и осуществляется на определенных стадиях кле­точного цикла — перед началом митоза или мейоза.

Сначала специальные ферменты "раскручивают" и "расплета­ют" двойную спираль ДНК, разрывая водородные связи между парами комплементарных азотистых оснований (рис.Х.28). Затем на образовавшихся одноцепочечных участках материнской моле­кулы ДНК, как на матрицах, с помощью фермента ДНК-полимеразы начинают собираться дочерние нити. Для их синтеза используются дезоксинуклеотиды — дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, кото­рые выстраиваются в дочерней нити, образуя комплементарные пары с нуклеотидами материнской нити так, что напротив А все­гда будет стоять Т, напротив Г— Ц и т.д.

Рис.X.28. Схема репликации двухцепочечной молекулы ДНК. Каждая из двух це­пей родительской молекулы ДНК используется в качестве матрицы для синтеза новых комплементарных нитей (А). Схема, иллюстрирующая полуконсерватив­ный характер репликации ДНК. Родительские цепи ДНК (Б)

На одной нити ДНК синтез дочерней молекулы идет непрерывно, а на второй — фраг­ментами в обратном направлении. Образующиеся фрагменты сши­ваются вместе специальным ферментом — ДНК-лигазой. В конеч­ном итоге образуются две новые двухцепочечные молекулы ДНК, точные копии друг друга и материнской молекулы, причем в каж­дой из них одна нить ДНК является материнской, а вторая — вновь синтезированной дочерней (см. рис.Х.28). Такой способ реп­ликации называется полуконсервативным; он обеспечивает точное соответствие нуклеотидной последовательности дочерних моле­кул ДНК материнской ДНК.

Поскольку точная передача информации от материнской молекулы ДНК к дочерним жизненно важна для живых организмов, за процессом репликации строго "следят" специальные ферменты. Если в процессе син­теза происходят ошибки и в дочернюю цепь включаются "неправиль­ные" (некомплементарные) нуклеотиды, эти ферменты вырезают их и достраивают в месте разрыва "правильный" (комплементарный) кусок, а затем сшивают цепь. Аналогичные ферменты постоянно "следят" за состоянием молекул ДНК и в неделящихся клетках. Если в одной из нитей ДНК под действием химических или физических факторов (мута­генных веществ, ионизирующего излучения, УФ-излучения) возникают какие-либо нарушения, ферменты "исправляют" их, восстанавливая ис­ходную структуру ДНК. Такой процесс называется репарацией. Если же в молекуле ДНК (или в одной из ее нитей) ошибки все-таки появляются, их следствием будут мутации, которые могут привести к изменениям свойств и признаков организма и закрепиться (или, наоборот, элимини­роваться) в процессе эволюции.