Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Органические соединения
Жирные кислоты
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   26

Вода


Главное свойство молекулы воды – полярность. Кислород присоединяет два атома водорода с помощью двух незаполненных электронных орбиталей, находящихся в sp3 гибридизации, соответственно между двумя связями О–Н существует угол, близкий к тетраэдрическому 105o28’. Таким образом, два атома водорода несколько смещены в одну сторону. Ядро кислорода сильнее притягивает электроны, чем ядро водорода, поэтому электронная плотность смещается в сторону кислорода, так что часть молекулы со стороны кислорода оказывается отрицательно заряженной, а со стороны водорода – положительно заряженной. Тем самым молекула воды представляет собой диполь. Диполям свойственно ориентироваться в электрическом поле – атом кислорода притягивается к положительному заряду, атомы водорода – к отрицательному. Поэтому вода является полярным растворителем. Вещество, состоящее из ионов, связанных ионной связью, – электростатическим притяжением друг к другу (например, поваренная соль), попадая в воду, растворяется в ней, поскольку молекулы воды притягиваются к ионам своей противоположно заряженной частью, окружают (гидратируют) их, тем самым увеличивая расстояние между ионами и ослабляя силу электростатического притяжения между ними, и в результате отрывют их друг от друга.

В жидкой фазе многие молекулы воды обратимо связаны друг с другом слабыми водородными связями. При нагревании воды часть тепла идет не на увеличение кинетический энергии молекул (т. е. не на повышение температуры), а на разрушение водородных связей. Поэтому вода отличается большой теплоемкостью. Водородные связи также придают ей большую теплопроводность и достаточную вязкость. Все эти свойства воды чрезвычайно важны с точки зрения того, что она является внутренней средой живых существ – они обеспечивают тепловую устойчивость и целостность живым организмам.

Наконец, вода обладает еще одним совершенно уникальным свойством, которое делает пригодным для жизни большую часть поверхности нашей планеты, которая оказалась бы непригодной если бы этого свойства не было. Вода в твердой фазе – лед – имеет меньшую плотность, чем в жидкой. Ну и что, казалось бы? Но давайте вспомним, что наша планета, во-первых, на три четверти покрыта океанами и, во-вторых, на получает тепло от солнца и, частично, от процессов в собственных недрах и теряет тепло, излучая его в космос со своей поверхности. В высоких широтах бывает зима – время года, когда излучается больше тепла, чем поступает. Это излучение идет в основном с поверхности океанов, которая охлаждается до точки замерзания. Если бы лед был тяжелее воды, то он, образовавшись, опускался бы на дно, а на поверхность поступали более теплые ее слои, которые также бы охлаждались за счет излучения до точки замерзания и т. д. Мы имели бы эффективную конвективную систему теплоотдачи мирового океана, большая часть которого, при нашем расстоянии от Солнца, промерзла бы до дна. Но поскольку лед в реальности легче жидкой воды, он остается на поверхности, излучая за счет своей низкой температуры не очень много тепла. Более того, за счет своей невысокой плотности лед менее теплопроводен, чем жидкая вода, и тем самым создает своего рода «шубу» океана. В результате на поверхности планеты в целом сохраняется гораздо больше тепла, чем было бы если бы вода, подобно подавляющему большинству веществ, в твердой фазе была плотнее, чем в жидкой.


^ Органические соединения


В предыдущей лекции был сделан упор на технические аналогии. Сейчас мы их продолжим. Если мы посмотрим на то, как устроены технические объекты, то увидим крупные уникальные структуры, которые выполняются путем литья или ковки, – котлы, корпуса, затем структуры, выполняемые из плоских или линейных материалов стандартных параметров, – листовой металл, уголок, жесть, проволока, трубы, фанера, ткани – и, наконец, много жестко стандартизованных деталей, связанных с крепежом, – болты, гайки, заклепки, разъемы. Живые существа хотя иногда с виду и напоминают произведения техники, собраны целиком из мелких жестко стандартизованных деталей, органических молекул определенной структуры (нуклеотидов, аминокислот, моносахаридов). Это, в частности, позволяет им питаться друг другом. В этом отношении по своему устройству они более напоминают детский конструктор.

Как вы знаете, химия делится на неорганическую и органическую. Органическая занимается соединениями углерода и некоторыми подобными им веществами. Неорганическая – соединениями всех остальных элементов. Причем органическая по объему гораздо больше неорганической. Это отражает способность углерода образовывать сложные и разнообразные соединения, прежде всего на основании легкости, с которой атомы углерода соединяются друг с другом, образуя цепочки. Как вы знаете, углерод четырехвалентен, а два атома углерода могут образовывать одинарную, двойную и тройную связи.

Основа живого вещества – биополимеры, являющиеся макромолекулами, т. е. органическими соединениями с очень длинными молекулами, общей массой от тысячи до миллиарда атомных единиц. Биополимеры построены из стандартных структурных единиц – мономеров, представляющих собой более простые органические соединения в той или иной степени стандартной структуры. Образуя биополимеры, мономеры соединяются друг с другом одинарными ковалентными связями, причем одним из вовлеченных в них атомов всегда является кислород. Расщепление биополимеров всегда идет с затратой молекулы воды, которая расщепляется на атом водорода (H) и OH-группу, причем они присоединяются к атомам, ранее соединенным той самой связью, которая связывала мономеры – водород к атому кислорода, ОН-группа к атому углерода. Эта реакция называется гидролиз. Образование этой связи в ходе синтеза биополимеров – конденсации – всегда идет с затратой энергии и сопровождается отделением молекулы воды от двух соединяемых мономеров. О мономерах в составе биополимеров принято говорить как об остатках, например, говорят об остатках глюкозы (хотя этот остаток составляет почти всю молекулу), остатках аминокислот.

По способу соединения мономеров биополимеры бывают линейные и разветвленные, а по характеру мономеров – регулярные, составленные из одинаковых мономеров или одинаковых сочетаний мономеров, и нерегулярные, составленные соответственно из разных мономеров, чередующихся нерегулярно.

Основными типами биополимеров являются нуклеиновые кислоты, белки и углеводы. Жизнь, судя по всему, начиналась с нуклеиновых кислот, в современной жизни наиболее функционально важны белки, углеводы используются как резерв энергии и как строительный материал. Кроме того, очень важны такие классы веществ, как низкомолекулярные углеводы и липиды – также в качестве носителей энергии и строительного материала; у некоторых из них имеется и регуляторная роль.

Проще всего устроены углеводы и липиды. Начнем с углеводов, которые позволят нам вспомнить несколько важных вещей.


Углеводы

Углеводы называются так потому, что кислород и водород присутствуют в них приблизительно в соотношении 1 атом кислорода к 2 атомам углерода, как в воде; на эти три атома приходится приблизительно по одному атому углерода, т. е. по общему элементному составу они представляют собой воду, на каждую молекулу которой добавлено по атому углерода.

Элементарными единицами углеводов являются моносахариды – молекулы, основу которых представляет собой цепочка атомов углерода, соединенных одинарной ковалентной связью, к каждому из которых присоединен атом водорода и гидроксильная (спиртовая) группа –OH. Атом углерода, расположенный на одном из концов цепочки, имеет дополнительный водород, а на другом конце либо располагается альдегидная группа, либо кислород, соединенный углеродом двойной связью, смещается на один атом ниже, образуя кетонную группу, тогда как последний атом также имеет два водорода.

Двойная связь углерод – кислород в альдегидной или кетонной группе может раскрываться, при этом кислород связывается со вторым с другого конца молекулы атомом углерода (с образованием простой эфирной связи, или гликозидной связи), который лишается водорода и спиртовой группы, т. е. от него отнимается молекула воды – идет внутренняя конденсация. Так моносахарид принимает циклическую форму.

Моносахариды различаются по длине углеродной цепочки. Наибольшее значение в живом организме имеют пентозы и гексозы – моносахариды с 5 и 6 атомами углерода в цепочке. Два типа пентоз – рибоза и ее производное (за счет замены одной гидроксильной группы на водород) дезоксирибоза, структура которых показана на рис. 2.2, – являются одним из трех структурных элементов нуклеиновых кислот. А одна из гексоз – глюкоза – является главным межклеточным носителем энергии, в частности, в нашей крови. (А еще именно она делает виноград сладким.) Она же является важнейшим конструктивным элементом – из нее делаются такие несхожие по свойствам и роли полимеры, как крахмал и целлюлоза. Часто встречаются еще две гексозы – галактоза и фруктоза. Структура наиболее важных гексоз показана на рис. 2.3.

Заметим, что все эти гексозы имеют одну и ту же общую формулу C6H12O6 и различаются только особенностями расположения атомов, т. е. являются структурными изомерами. Различие между галактозой и фруктозой связаны со смещением атома кислорода на соседний атом углерода. Но обратите внимание на различие между глюкозой и галактозой. Оно заключается в том, что у одного атома углерода водород и гидроксильная группа поменялись местами. Казалось бы, что стоит нарисовать по-другому! Но нужно учесть, что приведенные здесь схемы – это так называемые Фишеровы. Четыре связи от каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра. Так что в реальности угол между любыми двумя образованными им связями составляет 105о28’, и углеродные цепочки данных молекул извилистые. Просто она спроецирована так, как если бы была прямой.

Любая ковалентная связь допускает свободное вращение связанных атомов относительно нее. Но если ко всем четырем связям углерода присоединены разные вещи, мы не можем повернуть атом так, чтобы повернулись две его связи, но не повернулась третья. Такие атомы углерода называют асимметричными. Это лучше видно на пространственных схемах их циклических форм. Поэтому галактоза и глюкоза – разные вещества, которые нельзя превратить одно в другое без разрыва ковалентных связей. Они обладают разными свойствами и принимают участие в разных биологических процессах. Такие вещества называют пространственными изомерами, или стереоизомерами.

Атом углерода, связанный двойной связью с кислородом, асимметричным не является, поскольку все его связи расположены в одной плоскости. Однако при замыкании в цикл рибозы и глюкозы этот атом становится асимметричным, и при этом возможно получение двух вариантов циклов, они обозначаются α и β. Это также структурные изомеры. Поскольку в растворе моносахариды способны переходить в циклическую форму и обратно, между α- и β-формами устанавливается равновесие, т. е. они присутствуют поровну.

Но на этом разнообразие феномена изомерии не кончается, так как вариантом стереоизомерии является зеркальная, или оптическая изомерия, или хиральность. В этом случае молекулы являются зеркальным отображением друг друга (рис. 2.4). При мысленном вращении одного из циклов из него не получить другого, если только не вывернуть его наизнанку (молекулы такого не допускают.) На рисунке 2ю4 показаны зеркальные изомеры циклической формы глюкозы, однако они не зависят от внутренней кодненсации, остаются таковыми в линейной форме и каждый способен замыкаться в циклические α- и β-формы. Вообще, возможность существования зеркальных изомеров с необходимостью возникает всегда, когда в молекуле имеется хотя бы один асимметричный атом.

Асимметричный атом имеет свойство вращать плоскость поляризации поляризованного света, при этом зеркальные изомеры вращают его в противоположном направлении. Рассмотренные нами моносахариды имеют несколько асимметричных атомов углерода и поэтому существенно вращают поляризованный свет. Очевидно, что их зеркальные изомеры, взятые по отдельности, вращают поляризованный свет в разные стороны. Выделяют правовращающие (d) и левовращающие (l) зеркальные изомеры. Обозначения l и d связаны со следующим правилом описания регулярных полимеров: смотрим на атом углерода со стороны соседнего атома углерода и передвигаем взгляд по трем его остальным его связям в порядке продолжение цепочки – небольшая группа – водород. Если взгляд движется против часовой стрелки, то это d-атом, а если по часовой стрелке – то l-атом. Следует оговорить, что вращение поляризованного света не имеет биологического смысла, это обстоятельство всего лишь дает нам один из методов изучения стереоизомеров. Однако сама по себе зеркальная изомерия для биологических объектов очень важна.

При синтезе веществ, обладающих зеркальной изомерией, «обычными» химическими методами, как правило, оба изомера образуются с равной вероятностью. Получающиеся растворы называются рацематами, они оптически инертны. В живых организмах всякое вещество синтезируется или расщепляется особыми инструментами в виде участков специальных веществ (ферментов) со специфической структурой расположения атомов (тех же углерода, кислорода, водорода, азота и т. д. ), т. е. как бы «вручную». При этом в каждом процессе производится или расщепляется только один стереоизомер.

Существующие живые организмы во всех основных процессах используют только d-формы основных моносахаридов. Такой технический стандарт был принят в биологическом мире. Он позволяет использовать одни и те же молекулы в разных процессах с применением одних и тех же «технологических приемов». Он, в частности, позволяет есть друг друга. Теоретически можно помыслить одновременное использование обоих типов. Но это потребовало бы создания двух (и более) параллельных «технологических линий» для обработки тех же количеств вещества. Видимо, это было бы очень неэффективно. Одинаковость стандарта для всех живых существ есть свидетельство общности их происхождения. В случае хищников и сапрофитов общий стандарт с жертвой - это условие их существования. Стандарт является общим для всех моносахаридов. Это связано с тем, что различные биохимические процессы включают стадии одинаковой обработки одинаковых асимметричных атомов углерода. Какой именно вариант – l или d – оказался выбранным, это, по-видимому, было делом случая в момент формирования нашей конкретной формы жизни. Надо сказать, что как и всегда в тех случаях, когда в дело вмешался случай (извините за каламбур), вокруг данного вопроса возникает довольно много безосновательной философии, которая пытается объяснить это некими загадочными свойствами материи, поскольку всегда имеется прослойка людей, которые не согласны верить в то, что в природе много случайного, или даже вообще отказывают в существовании фундаментальной случайности.

Покончив с моносахаридами, коснемся дисахаридов, которые, как можно догадаться из названия, сделаны из двух моносахаридов, посредством все той же простой эфирной связи углерод – кислород – углерод, которая в данном случае называется гликозидной связью. На рис. 2.5 представлены три важных дисахарида: сахароза, составленная из глюкозы и фруктозы в циклической форме, лактоза, составленная их глюкозы и галактозы, и мальтоза, составленная из двух глюкоз. Правильное химическое название сахарозы – альфа-глюко-пиранозил-бета-фрукто-фуранозид.

Сахароза очень распространена в растениях и, как правило, именно она накапливается в их сладких частях. Лактоза является главным носителем энергии в молоке. А мальтоза – это важный промежуточный продукт расщепления крахмала.

Углеводы служат основным источником энергии всех живых существ. При окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал (17,16 кДж) энергии. При этом моносахариды используются для сиюминутных потребностей клетки в энергии, а полисахариды – в качестве ее долговременных хранилищ. Для транспорта из одних клеток в другие животные используют моносахариды, а растения – дисахариды. Полисахариды малорастворимы и обычно аккумулируются в специальных структурах. В клубнях картофеля, к примеру, до 90 % сухой массы составляет крахмал. А крахмал – это и есть основной энергозапас живых существ.

Крахмал состоит из молекул альфа-изомера глюкозы в циклической форме, соединенных гликозидной связью. Растительный крахмал состоит из амилозы – линейного полимера, в котором молекулы глюкозы соединены друг за другом посредством 1-го и 4-го атомов (рис. 2.6), и амилопектина – полимера, в котором на каждые 25–30 глюкозных остатков встречаются разветвления за счет связей 1-го и 6-го атомов углерода. Животный крахмал – гликоген, устроен так же, как амилопектин, но разветвлен через каждые 11–18 остатков (рис. 2.6).

Как вы знаете, крахмал легко соединяется с водой с образованием геля, хорошо вам известного в быту – это кисель и клейстер. Казалось бы, взять и поменять местами водород и гидроксильную группу у первого атома углерода, превратив тем самым альфа-глюкозу в бета-глюкозу, – какая безделица! Но линейный полимер бета-глюкозы представляет собой нечто совершенно нерастворимое в воде и несъедобное – целлюлозу. Целлюлоза – это важнейший строительный материал, главный компонент клеточных оболочек растений. Она составляет 50 % сухой массы всего живого вещества планеты, то есть около 1,2 трл т. Вы ведь знаете, где у нас используется целлюлоза? Это бумага и хлопчатобумажные ткани. А вот древесина состоит не только из целлюлозы, прочность ей придает лигнин – сложный полимер ароматических спиртов.

Заметим, что целлюлоза все же может выступать и как источник энергии – ведь состоит она все-таки из мономеров глюкозы. Однако гидролизовать ее не так просто. Это научились делать некоторые бактерии и инфузории, а из многоклеточных животных – только моллюски. Но многие животные (тараканы, термиты, жвачные парнокопытные) «приручили» особых простейших, питающихся целлюлозой, и разводят их в своих желудках, куда доставляют целлюлозу, а сами питаются именно ими. Так что коровы, в общем-то, свирепые хищники – они постоянно пожирают астрономическое количество одноклеточных организмов.

К важным полисахаридам относится также хитин. По химической структуре хитин близок к целлюлозе и отличается тем, что в состав его мономеров входит азот – гидроксильная группа при втором атоме углерода заменена на ацетиламиновую группу (рис. 2.7). Хитин – одно из самых прочных и не поддающихся химическому и физическому расщеплению веществ. Он является основой кутикулы (внешнего скелета) членистоногих и клеточной стенки грибов и диатомовых водорослей. По распространенности в природе хитин уступает только целлюлозе. Его производство животными организмами в мировом океане оценивается в 2,3 млрд т в год.

Олигосахариды (молекулы, состоящие из немногих мономеров) различной структуры участвуют в самых разных биологических процессах. Часто это нерегулярные олигомеры, т. е. состоящие из нескольких разных моносахаридов. Определенной структуры олигосахарид находится на поверхности эритроцитов и определяет группу крови. В организме содержится много олигосахаридов, находящихся в комплексе с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды).


Липиды


Липиды – это достаточно простые, но очень важные соединения. Во-первых, к липидам относятся жиры, представляющие собой еще более эффективный резерв энергии, чем углеводы. Кроме того, они выполняют функцию теплоизоляции. Во-вторых, липиды являются основой любой клеточной мембраны, т. е. совершенно необходимы для структурной организации живых существ. В-третьих, некоторые липидоподобные вещества являются гормонами или другими энергетически активными веществами.

Само слово происходит от греческого «липос» – жир и означает «жироподобные». Их объединяет свойство не растворяться в воде – это более или менее гидрофобные соединения. Это означает, что в них содержится мало кислорода, который поляризует прилежащие участки молекулы и тем самым делет ее водорастворимой; то есть по химическому составу липиды близки к углеводородам.

Липидами в строгом смысле называются жирные кислоты и их производные. ^ Жирные кислоты – это органические кислоты, в которых к карбоксильной группе присоединена длинная углеводородная цепь. У животных и растений она линейная и содержит 14–22 атома углерода (рис. 2.8), у бактерий бывают разветвленные жирные кислоты. Если все связи между углеродами одинарные, то такие жирные кислоты называют насыщенными, если встречаются двойные – то ненасыщенными.

Самые известные липиды – это жиры и масла. Они являются триглицеридами. Их структурной основной является глицерин – трехатомный спирт (цепочка из трех атомов углерода, к каждому из которых присоединено по спиртовой группе -ОН). Каждая его гидроксильная группа образует сложный эфир с жирной кислотой – это и будет жир или масло (рис. 2.9). Жирами называют триглицериды с насыщенными жирными кислотами, которые затвердевают при комнатной температуре, масла включают ненасыщенные жирные кислоты и при комнатной температуре остаются жидкими.

Окисление жиров дает в 2 раза больше энергии, чем окисление углеводов – 8,4 ккал. (38,9 кДж) / г. Они представляют собой очень эффективный энергетический резерв. Собственно, это видно уже из строения их молекул, значительная часть которых представляет собой простые углеводороды – такие, из которых состоит мазут. В запасающих жиры тканях их содержание составляет до 90 %. Заметим, что в ходе окисления жиров образуется довольно много воды – 107 г на 100 г жира. Так что они являются источником не только энергии, но и эндогенной воды. Собственно, именно за этим «корабль пустыни» верблюд и имеет жировой горб (горбы)

Пожалуй, еще важнее жиров фосфолипиды, которые менее известны широкой публике. От жиров они отличаются тем, что только к двум гидроксильным группам глицерина присоединены жирные кислоты, а к третьей присоединен остаток фосфорной кислоты, к которому в свою очередь прикрепляются различные низкомолекулярные полярные азотосодержащие органические соединения (рис. 2.10). Вместе с остатком глицерина он образует полярную, или гидрофильную, «головку» молекулы, а два остатка жирных кислот – ее неполярный, гидрофобный хвост.

В воде такие липиды образуют мицеллы – агрегаты, у которых гидрофобные хвосты направлены к центру, а гидрофильные головки – наружу, где они контактируют с водой. Они могут образовывать также пузырьки, где гидрофильные головки направлены в обе стороны от гидрофобной пленки. Именно такая структура является основой биологических мембран. Таким образом, фосфолипиды ограничивают от внешнего мира любую живую клетку.

К липидам относятся также воска – сложные эфиры одиночных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеводородной цепочкой.

По элементному составу и свойству гидрофобности к липидам близки терпены – вещества, образующиеся за счет пятиуглеродного углеводорода изопрена. В частности, к терпенам относится семейство стероидных гормонов, играющих важнейшую роль в регуляции жизнедеятельности организмов (рис. 2.11).


Лекция 3. БЕЛКИ

Наконец мы приступаем к одному из двух классов биополимеров, на которых зиждется жизнь на Земле в той форме, в которой мы ее знаем. Не факт, что на заре становления жизни те же два класса играли столь же важную роль. Скорее всего какой-то из них был первичен, а какой-то приложился позже. Более того, тогда важная роль могла принадлежать и каким-то другим сложным веществам, которые могли даже не относиться к органическим. Одна из серьезных теорий происхождения жизни утверждает, что органическая жизнь возникла как своего рода паразит на «жизни» сложных глин – цеолитов (основу которых составляет соединение кремния с кислородом и водородом), а потом смогла оторваться от породившего ее носителя и приобрести самостоятельное существование. Однако мы с вами знакомимся с той жизнью, к которой принадлежим мы сами, а другой сейчас и нет. Поэтому заявим утвердительно, что основу жизни на Земле составляют белки и нуклеиновые кислоты. Видимо, белки были вторичны по отношению к нуклеиновым кислотам. И мы сейчас займемся белками.

Мир белков поражает простотой и логичностью устройства и эффективностью и разнообразием достигаемых результатов. Белки – это линейные нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Вернее, этому определению соответствует строгое понятие